CN110758475A - 一种基于阵列光纤光栅传感测量的高速磁悬浮列车定位测速***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于阵列光纤光栅传感测量的高速磁悬浮列车定位测速***及方法，装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠向光纤光栅位置移动，导致光纤光栅受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移，通过检测光纤布拉格光栅波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现磁悬浮列车定位，同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度。本发明利用沿列车轨道安装的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路与磁珠的结合，对列车进行定位和测速，实现了对磁悬浮列车运行安全状况在线实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于阵列光纤光栅传感测量的高速磁悬浮列车定位测速***与方法。
背景技术
轨道交通是我国国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。随着高速铁路、城市地铁建设的迅猛发展和轨道交通运营的高速化、密集化，对列车运行控制和轨道结构健康状况提出了更高要求，安全问题已成为轨道交通建设和发展的主要挑战，一旦发生事故将造成巨大的人民生命财产损失和极坏的国计民生影响。
高速磁悬浮列车定位测速***在轨道交通安全中起着关键作用。对于普通的轮轨铁路，主要通过轨道电路和安装在车轮上的光电编码器确定列车的位置和速度，由于磁悬浮列车没有轮子，运行时车辆和轨道之间没有接触，因此对磁悬浮列车的测速和定位不能直接引用传统铁路的测试方法。目前我国均采用电类传感器来实现列车的测速与定位，但是，传统的电类传感器可靠性较差，精度较低，抗干扰能力差。尤其是在电气化高速铁路发展的今天，面对强电磁干扰、恶劣环境和异常天气，时常会发生误判。
目前在国内外中低磁悬浮列车的测速和相对定位方法有“计数轨枕”、“交叉回线”和“雷达测速”。应用交叉感应回线和枕轨计数进行测速定位只能实现列车相对定位，而相对定位的误差会随着时间积累。雷达传感器在使用条件上受周围天气及地形因素影响较大，因此往往不作为主要测速手段。
光纤传感是近些年来发展迅猛的技术之一，它利用光纤来感知和传输相关信息，具有抗电磁干扰、传输远距离、易组网等优点，是目前其它传感技术所无法比拟的。尤其是光纤光栅（FBG）技术更是具有测量精度高、响应快、定位准等突出优点，近十年来已在智能轨道交通安全监测领域得到了广泛研究与应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于阵列光纤光栅传感测量的高速磁悬浮列车定位测速***与方法，结构合理，受环境影响程度低。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于阵列光纤光栅传感测量的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：它包括脉冲光源、光分路器、沿列车轨道安装的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路、信号解调单元和数据处理器；其中，每条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路包括低反射率的光纤，光纤上按照一定距离的间隔设置光纤光栅应变传感器，每个光纤光栅应变传感器处设有一个磁珠；所述的低反射率为0.001%-1%；
脉冲光源发出的光经过光分路器后到达低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路，每条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路返回的光，由信号解调单元以波分/时分混合复用方式解调，然后由数据处理器分析识别出光纤光栅应变传感器的应变信号；由于装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠向光纤光栅位置移动，导致光纤光栅受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移，通过检测光纤布拉格光栅波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现磁悬浮列车定位，同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度。
按上述***，所述的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路采用并带成缆工艺封装成缆线，具体包括：
金属条带上沿长度方向平行设有至少5条线槽，每条线槽上沿长度方向等距间隔开设有槽孔，每个槽孔内设有磁珠；每条线槽中固定一条光纤，光纤上刻有布拉格光栅，每个布拉格光栅构成所述的光纤光栅应变传感器，并设置在槽孔内的磁珠上；
金属条带固定好光纤后上下沿长度方向进行封装成缆线。
按上述***，所述的金属条带厚度为2-3mm，宽度为10-25mm；所述的线槽深度为0.4-0.6mm，宽度为0.3mm；线槽之间的间距为1.5-3mm。
按上述***，所述的槽孔直径为1-2mm，且不同线槽中的槽孔错位布置；所述的磁珠为圆柱形，厚度为1.5-2.5mm。
按上述***，封装好的缆线通过金属卡扣固定在U型金属基座的内水平面中，U型金属基座安装在长定子固定面上，长度与长定子等长。
按上述***，封装好的缆线铺设在轨道梁的上表面中间部位，列车前端底部安装有永磁铁，通过永磁铁的磁力作用使光纤光栅应变传感器产生应变。
按上述***，所述的低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路为5条，每条线槽上沿长度方向每隔5cm等间距开设有槽孔，且第二条线槽上的槽孔比第一条线槽上的槽孔后移1cm，第三条线槽上的槽孔比第二条线槽上的槽孔后移1cm，以此类推，使得5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路的整体分辨率为1cm。
利用所述的高速磁悬浮列车定位测速***实现的定位测速方法，其特征在于：
装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠向光纤光栅位置移动，导致光纤光栅受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移；
通过检测光纤布拉格光栅波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现磁悬浮列车定位；
同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度。
本发明的有益效果为：利用沿列车轨道安装的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路与磁珠的结合，装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠向光纤光栅位置移动，导致光纤光栅受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移，从而对列车进行定位和测速，实现了对磁悬浮列车运行安全状况在线实时监测。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为光纤光栅应变传感器的封装结构示意图。
图中：1、脉冲光源；2、光分路器；3、低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路；4、信号解调单元；5、数据处理器；6、金属条带；7、线槽；8、磁珠；9、粘接剂；10、布拉格光栅。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于阵列光纤光栅传感测量的高速磁悬浮列车定位测速***，如图1和图2所示，包括脉冲光源1、光分路器2、沿列车轨道安装的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路3、信号解调单元4和数据处理器5；其中，每条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路3包括低反射率的光纤，光纤上按照一定距离的间隔设置光纤光栅应变传感器，每个光纤光栅应变传感器处设有一个磁珠8；所述的低反射率为0.001%-1%。脉冲光源1发出的光经过光分路器2后到达低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路3，每条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路3返回的光，由信号解调单元4以波分/时分混合复用方式解调，然后由数据处理器5分析识别出光纤光栅应变传感器的应变信号；由于装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠8向光纤光栅应变传感器移动，导致布拉格光栅10受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移，通过检测布拉格光栅10波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现磁悬浮列车定位，同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度。
所述的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路采用并带成缆工艺封装成缆线，具体包括：金属条带6上沿长度方向平行设有至少5条线槽7，每条线槽7上沿长度方向等距间隔开设有槽孔，每个槽孔内设有磁珠8；每条线槽7中固定一条光纤，光纤上刻有布拉格光栅10，每个布拉格光栅10构成所述的光纤光栅应变传感器，并设置在槽孔内的磁珠8上；金属条带6固定好光纤后采用塑料上下沿长度方向进行封装成缆线。其中布拉格光栅10位于槽孔中央，两边通过粘接剂9等距固定在线槽7中。
本实施例中，所述的金属条带厚度为2-3mm，宽度为10-25mm；所述的线槽深度为0.4-0.6mm，宽度为0.3mm；线槽之间的间距为1.5-3mm。槽孔直径为1-2mm，且不同线槽中的槽孔错位布置；所述的磁珠为圆柱形，厚度为1.5-2.5mm。
具体的，本实施例中，所述的低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路3采用拉丝塔连续在线刻写，在同一根光纤中，每间隔1m刻写相同波长的布拉格光栅，距离为10km。在1m间隔内，按照5cm的距离刻写20个不同波长的布拉格光栅；将以上相同的5根光纤按照相邻1cm的间隔并带布置，实现10km距离1cm的分辨率。采用波分/时分混合复用方式，利用OTDR定位相同波长光纤布拉格光栅，多波长解调方法定位不同波长光纤布拉格光栅，只要光栅安装时的位置准确，不存在定位偏差。
封装好的缆线通过金属卡扣固定在U型金属基座的内水平面中，U型金属基座安装在长定子固定面上，长度与长定子等长，约1032mm。本实施例中，金属条带6和U型金属基座均为不锈钢材质。或者，封装好的缆线铺设在轨道梁的上表面中间部位，列车前端底部安装有永磁铁，通过永磁铁的磁力作用使光纤光栅应变传感器产生应变。
本实施例中，所述的低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路为5条，每条线槽上沿长度方向每隔5cm等间距开设有槽孔，且第二条线槽上的槽孔比第一条线槽上的槽孔后移1cm，第三条线槽上的槽孔比第二条线槽上的槽孔后移1cm，以此类推，使得5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路的整体分辨率为1cm。
利用所述的高速磁悬浮列车定位测速***实现的定位测速方法，当磁悬浮列车经过光纤光栅应变传感器时，装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠向光纤光栅应变传感器移动，导致布拉格光栅受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移；通过检测布拉格光栅波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现磁悬浮列车定位；同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度。***由于应用在高速磁悬浮列车运行的轨道上，光栅信号瞬间变化，相对与长时间的环境温度变化而言，可以完全克服温度与应力的交叉敏感影响。
所述信号解调单元4基于波分复用和时分复用技术解调算法，当中心波长为λ1的脉冲光进入光纤光栅应变传感器后，中心波长为λ1反射谱信号依次返回信号解调单元3的1-5通道，相同通道的反射谱信号由不同时序加以区分。在下一个周期由中心波长为λ2的脉冲光进入光纤传感器，中心波长为λ2反射谱信号同样返回信号解调单元4的1-5通道，以此类推，循环发送中心波长为λ1 -λ20的脉冲光，由信号解调单元4依次接收每个光纤布拉格光栅反射谱信号。对于单个通道，将采集的信号强度值存入一个二维数组中，波长信息与信号强度值一一对应，然后对离散数据寻峰，确定反射光谱信号中心波长，将解调完成的数据发送到数据处理器5，由应用软件对数据进行分析，当波长发生变化超过设定阈值时，判定此处为列车到来时的位置，同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度，由数据处理器5进行实时界面显示。本实施例中，数据处理器5采用计算机服务器机群来实现，根据线路的总长度确定计算机服务器机群的数量及位置，实现铁路全段的定位与测量。
由于外界环境及信号采集过程中所夹杂的噪声影响，使得反射谱的峰值点发生偏移，很大程度上影响了寻峰的精度，所以要先对采集得到的离散数据进行滤波处理后再寻峰。
具体寻峰算法流程如下：
对采集得到的数字信号滤波，完成预处理部分；然后通过状态机的转换，将去噪后的波形数据调节阈值进行分割，粗略估计峰值所在位置范围；对此范围的波形数字进行判断，若为对称波形，峰值则直接为高斯拟合后的峰值；反之则进行非对称高斯拟合，对高斯拟合所得到的峰值进行补偿修正。
本发明结构合理，光纤传感具有灵敏度高、本征安全、抗电磁干扰能力强、可分布式测量的优势；低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器安装长定子地线相对槽孔的一侧，通过对光纤布拉格光栅反射谱信号的解调与分析能够对磁悬浮列车进行定位与测速，实现了对磁悬浮列车运行安全状况在线实时监测。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于阵列光纤光栅传感测量的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：它包括脉冲光源、光分路器、沿列车轨道安装的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路、信号解调单元和数据处理器；其中，每条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路包括低反射率的光纤，光纤上按照一定距离的间隔设置光纤光栅应变传感器，每个光纤光栅应变传感器处设有一个磁珠；所述的低反射率为0.001%-1%；
脉冲光源发出的光经过光分路器后到达低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路，每条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路返回的光，由信号解调单元以波分/时分混合复用方式解调，然后由数据处理器分析识别出光纤光栅应变传感器的应变信号；由于装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠向光纤光栅应变传感器移动，导致布拉格光栅受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移，通过检测布拉格光栅波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现磁悬浮列车定位，同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度。
2.根据权利要求1所述的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：所述的至少5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路采用并带成缆工艺封装成缆线，具体包括：
金属条带上沿长度方向平行设有至少5条线槽，每条线槽上沿长度方向等距间隔开设有槽孔，每个槽孔内设有磁珠；每条线槽中固定一条光纤，光纤上刻有布拉格光栅，每个布拉格光栅构成所述的光纤光栅应变传感器，并设置在槽孔内的磁珠上；
金属条带固定好光纤后上下沿长度方向进行封装成缆线。
3.根据权利要求2所述的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：所述的金属条带厚度为2-3mm，宽度为10-25mm；所述的线槽深度为0.4-0.6mm，宽度为0.3mm；线槽之间的间距为1.5-3mm。
4.根据权利要求2或3所述的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：所述的槽孔直径为1-2mm，且不同线槽中的槽孔错位布置；所述的磁珠为圆柱形，厚度为1.5-2.5mm。
5.根据权利要求2所述的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：封装好的缆线通过金属卡扣固定在U型金属基座的内水平面中，U型金属基座安装在长定子固定面上，长度与长定子等长。
6.根据权利要求2所述的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：封装好的缆线铺设在轨道梁的上表面中间部位，列车前端底部安装有永磁铁，通过永磁铁的磁力作用使光纤光栅应变传感器产生应变。
7.根据权利要求2所述的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：所述的低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路为5条，每条线槽上沿长度方向每隔5cm等间距开设有槽孔，且第二条线槽上的槽孔比第一条线槽上的槽孔后移1cm，第三条线槽上的槽孔比第二条线槽上的槽孔后移1cm，以此类推，使得5条低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器分路的整体分辨率为1cm。
8.利用权利要求1至7中任意一项所述的高速磁悬浮列车定位测速***实现的定位测速方法，其特征在于：
装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使磁珠向光纤光栅应变传感器移动，导致布拉格光栅受力使得光纤光栅应变传感器反射谱信号中心波长漂移；
通过检测布拉格光栅波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现磁悬浮列车定位；
同时通过检测在一定定位距离内的时间脉冲数来获取的运行时间计算获得列车实时运行速度。
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