專利名稱：基于光柵反射譜展寬的高速鐵路計(jì)軸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在軌道交通領(lǐng)域利用鐵軌應(yīng)變不均勻分布導(dǎo)致的光纖光柵反射譜展 寬效應(yīng)實(shí)現(xiàn)列車計(jì)軸的技術(shù)。
背景技術(shù)：
計(jì)軸裝置又稱計(jì)軸器，用以檢測(cè)列車通過鐵路上某一點(diǎn)(計(jì)軸點(diǎn))的車軸數(shù)，以檢 查兩個(gè)計(jì)軸點(diǎn)之間或軌道區(qū)段內(nèi)的空間情況，或判定列車通過計(jì)軸點(diǎn)的時(shí)間，自動(dòng)校正列 車行駛里程等的設(shè)備。19世紀(jì)60年代，德國(guó)開始探索用計(jì)軸方式檢測(cè)列車占用軌道區(qū)段的 技術(shù)，但直到20世紀(jì)50年代中期，軌道計(jì)軸器才在聯(lián)邦德國(guó)正式使用。此后，歐洲，越南， 中國(guó)臺(tái)灣使用計(jì)軸器，中國(guó)內(nèi)地鐵路傳統(tǒng)上使用軌道電路和應(yīng)答器，目前在部分既有線路 上也在使用計(jì)軸器來代替軌道電路。計(jì)軸器由傳感器、計(jì)數(shù)比較器等部分組成。當(dāng)車輛軸 數(shù)的信息需要遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，計(jì)軸器還需采用傳輸設(shè)備(王更生，“一種新型智能型計(jì)軸傳 感器的研制”，傳感器與儀器儀表，2009年第25卷第1期)。早期使用的傳感器一般是機(jī)械式，目前一般采用電磁式。電磁式傳感器由磁頭、發(fā) 送器、接收器三部分組成。磁頭有一個(gè)發(fā)送線圈和一個(gè)接收線圈分別裝在鋼軌的兩側(cè)。發(fā)送 器向磁頭的發(fā)送線圈饋送較高頻率的電流，使其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并通過空氣、鋼軌、扣 件等不同介質(zhì)環(huán)鏈到磁頭的接收線圈，感應(yīng)出交流電壓。車軸通過磁頭時(shí)，車輪的屏蔽作用 和輪緣的擴(kuò)散作用，使環(huán)鏈到磁頭的接收線圈的磁通量發(fā)生變化，并使感應(yīng)電壓顯著降低。 接收器將這個(gè)變化的感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成車軸電脈沖信號(hào)。計(jì)數(shù)比較器主要由計(jì)數(shù)器、鑒別器、 比較器組成?，F(xiàn)有計(jì)軸裝置普遍采用的電磁軌道傳感器(車輪傳感器)，導(dǎo)致傳感器部分對(duì)電 磁兼容要求較高，易受導(dǎo)體干擾(單軸小車，軌道上行人)而產(chǎn)生“+_1軸”現(xiàn)象。傳感器的 軌道部分與高頻信號(hào)收發(fā)端受信號(hào)傳輸距離限制，一般在10米以內(nèi)，導(dǎo)致軸檢測(cè)盒(高頻 EAK)必須安置在室外靠近計(jì)軸點(diǎn)的軌道處，從而在供電，防雷，檢修等方面造成諸多不便， 需要單獨(dú)的APS電源，高標(biāo)準(zhǔn)的防雷保護(hù)。從傳感器得到的信息經(jīng)初步處理后，以FSK的方 式通過四芯傳輸電纜發(fā)送回室內(nèi)的計(jì)軸主機(jī)，在線路上有需要進(jìn)行防雷保護(hù)?？傊褂秒?磁軌道傳感器導(dǎo)致需要對(duì)系統(tǒng)的前端處理及信號(hào)傳輸中進(jìn)行嚴(yán)格的防雷保護(hù)，電磁電容設(shè) 計(jì)，單獨(dú)的供電，檢修也不方便。電磁制動(dòng)用在高速列車上(最大速度大于160km/h)。有一些體積很大的金屬片安 裝在車輛的轉(zhuǎn)向架上，距鋼軌幾個(gè)厘米之上。它們有時(shí)被計(jì)軸裝置錯(cuò)誤地檢測(cè)到，并認(rèn)為是 其它的車軸。這可能僅發(fā)生軌道的一邊，因?yàn)榇庞虻膹澢壍缼缀纬叽绲娜毕莸鹊?，?dǎo)致 信號(hào)系統(tǒng)混亂甚至需要復(fù)位檢測(cè)的記憶。為了克服電磁傳感器(車輪傳感器)的缺點(diǎn)，采用電子應(yīng)變傳感器捕捉列車駛過 時(shí)在鐵軌上產(chǎn)生的應(yīng)變擾動(dòng)進(jìn)而得到計(jì)軸脈沖的計(jì)軸裝置被證明可以克服采用電磁軌道 傳感器的計(jì)軸裝置易受干擾的缺點(diǎn)，而且可以對(duì)列車輪重的測(cè)量。光纖光柵傳感器在傳感領(lǐng)域得到了廣泛的重視，光纖光柵具有幾個(gè)突出主要優(yōu)點(diǎn)1)光的頻率數(shù)量級(jí)為THz，其頻帶范圍很寬，動(dòng)態(tài)范圍很大，不受電磁場(chǎng)干擾；2)信號(hào)采 用波長(zhǎng)編碼，不受光源強(qiáng)度的起伏、光纖微彎損耗引起的隨機(jī)起伏和耦合損耗等因素的影 響，對(duì)環(huán)境干擾不敏感；3)光纖光柵的材料是二氧化硅，具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力；4)自定標(biāo) 和易于在同一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用；芯徑細(xì)且柔韌，易于布設(shè)；5)易于實(shí)現(xiàn)大面 積分布式測(cè)量。使用光纖光柵傳感器代替電子應(yīng)變傳感器可以大大提高對(duì)應(yīng)變的靈敏度， 對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力也大大提高，在冰、雨、雪和潮濕氣候時(shí)都能正常工作。傳統(tǒng)的光纖 光柵傳感器是通過探測(cè)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的變化來測(cè)量外部應(yīng)變的。光纖光柵存在的 溫度一應(yīng)變交叉敏感現(xiàn)象中心反射波長(zhǎng)受溫度、應(yīng)變的雙重影響。在應(yīng)變測(cè)量中溫度變化 引起的中心反射波長(zhǎng)漂移被視為一種干擾，必須通過溫度補(bǔ)償措施來消除溫度干擾。這就 增加了光纖光柵計(jì)軸裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，系統(tǒng)的成本也大大增加。采用波長(zhǎng)掃描的解調(diào)方 式掃描速度有限，無法滿足捕捉高速鐵路(> 160km/h)中列車輪產(chǎn)生的高速應(yīng)變掃描信號(hào) (> 80hz)的要求。總的來講，基于鐵軌應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)的鐵路計(jì)軸裝置，可以消除電磁計(jì)軸裝置的 “+_1軸”現(xiàn)象，抗干擾。使用光纖光柵的計(jì)軸裝置在可靠性、靈敏度、電磁兼容性上都有所提 高，但是波長(zhǎng)解調(diào)的方式易受溫度波動(dòng)的干擾，解調(diào)速度慢，成本高。因此本發(fā)明的目的就 是將基于光纖光柵反射譜展寬的技術(shù)引入到計(jì)軸裝置的設(shè)計(jì)中，得到一種不受溫度干擾， 成本低廉，適合高速鐵路需要的計(jì)軸裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種基于光纖光柵反射譜展寬技術(shù)的高速鐵路計(jì)軸裝置，以 克服現(xiàn)有計(jì)軸裝置易受外界電磁、溫度干擾的問題。本發(fā)明的目的是通過以下手段實(shí)現(xiàn) 的基于光柵反射譜展寬的高速鐵路計(jì)軸裝置，由寬帶光源、光纖接線盒、粘貼在鐵軌 特定位置的光纖光柵、計(jì)軸檢測(cè)器和鏈接在光纖光柵與計(jì)軸檢測(cè)器之間的光環(huán)形器組成； 所述計(jì)軸檢測(cè)器包含光電探測(cè)器、跨阻放大器、放大電路、低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn) 算器及通信接口。工作方式對(duì)列車進(jìn)行計(jì)軸由寬帶光源(ASE或者SLED)發(fā)出的寬帶光束由光環(huán)行 器(端口 1_>端口 2)進(jìn)入粘貼在鐵軌特定位置底部的光纖光柵，光線光柵反射光由光環(huán)行 器(端口 2->端口 3)進(jìn)入光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，由MCU 或DSP構(gòu)成的計(jì)軸檢測(cè)器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整形得到計(jì)軸脈沖。列車車輪駛過粘貼光線光柵傳感器的鐵軌時(shí)，會(huì)在鐵軌底部產(chǎn)生掃描應(yīng)變，其中 引起光纖光柵反射譜改變的鐵軌長(zhǎng)度方向的軸向應(yīng)變?cè)谳嗆壗佑|點(diǎn)處最大，向兩邊逐漸減 小。由光纖光柵啁啾化傳感理論可知，當(dāng)外界溫度或軸向應(yīng)變?cè)诠饫w光柵柵區(qū)尺寸內(nèi)呈不 均勻分布時(shí)，光線光柵反射譜的中心波長(zhǎng)變化的同時(shí)，反射譜的帶寬也隨之增加。光纖光柵 反射譜帶寬變化量可近似為與光柵柵區(qū)最大溫度梯度或應(yīng)變梯度呈線性關(guān)系。在光纖光柵 反射譜展寬時(shí)，最大反射率有所下降，反射光光強(qiáng)隨帶寬增大而增加。在實(shí)際使用中，環(huán)境 溫度在光柵柵區(qū)尺寸內(nèi)呈均勻分布，鐵軌軸向應(yīng)變?cè)跊]有列車車輪駛過時(shí)分布均勻，當(dāng)列 車車輪駛過時(shí)引起鐵軌軸向應(yīng)變呈梯形分布，反射光光強(qiáng)也隨之增大。從光纖光柵反射光 強(qiáng)度信號(hào)中可以得到列車駛過車輪的數(shù)目、輪重等信息。
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本發(fā)明采用基于光纖光柵反射譜展寬的強(qiáng)度解調(diào)方式，光線光柵反射譜須為寬帶 光源光功率譜平坦區(qū)內(nèi)。光強(qiáng)變化最大值與柵區(qū)內(nèi)軸向應(yīng)變梯度差呈正比，光纖光柵布設(shè) 在恰當(dāng)位置以保證系統(tǒng)的靈敏度。


如下圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方式框圖。圖3為本發(fā)明計(jì)軸檢測(cè)器的組成結(jié)構(gòu)框圖。圖4為本發(fā)明光纖光柵布設(shè)處鐵軌應(yīng)變分布曲線圖。圖5為本發(fā)明光纖光柵反射譜光譜圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施輪重測(cè)量的光強(qiáng)一輪重關(guān)系曲線圖。圖7為本發(fā)明計(jì)軸檢測(cè)器計(jì)軸運(yùn)算程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。圖1是本發(fā)明實(shí)施的一個(gè)典型裝置圖，寬帶光源101發(fā)出的光束經(jīng)光環(huán)行器(端 口 1->端口 2) 102進(jìn)入粘貼在鐵軌特定位置的光纖光柵傳感器103，光纖光柵的反射光經(jīng)過 光環(huán)形器(端口 2->端口 3)進(jìn)入計(jì)軸檢測(cè)器104，對(duì)反射光光強(qiáng)信號(hào)處理得到計(jì)軸信息。本發(fā)明在鐵路現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施方式如圖2所示。由寬帶光源201發(fā)出的寬譜光束經(jīng)光 纖接線盒202進(jìn)入粘貼在鐵軌底部的光纖光柵203，反射光進(jìn)入放置在室內(nèi)設(shè)備室的計(jì)軸 檢測(cè)器204。如圖3所示，計(jì)軸檢測(cè)器中的光電探測(cè)器301將接收到的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為電 流電信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過跨阻放大器302進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換、放大電路303放大、低通濾波電路 304濾波后由A/D轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)閿?shù)字信號(hào)再交給由MCU構(gòu)成的運(yùn)算器305，將數(shù)字信號(hào)整形 得到計(jì)軸脈沖、輪重等信息。最后通過通信接口(CAN、485、以太網(wǎng)等形式)傳輸出去。其中 寬帶光源、光纖接線盒和計(jì)軸檢測(cè)器放置在室內(nèi)，只有光纖光柵傳感器放置在室外。本發(fā)明進(jìn)行計(jì)軸檢測(cè)的原理如圖4，圖5所示。鋼軌在受到車輪壓力后，由于兩端 被枕木支撐，鋼軌相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁。在鋼軌的下方產(chǎn)生拉應(yīng)力，在上方產(chǎn)生壓應(yīng)力，在截面上 產(chǎn)生剪應(yīng)力。假設(shè)鐵路基礎(chǔ)、扣件和墊層為剛性體，對(duì)鋼軌施加約束條件，10噸輪重壓力加 載位置在跨度的中點(diǎn)，載荷均勻加載在中線節(jié)點(diǎn)上，鐵軌底部中線上的軸向應(yīng)變分布如圖4 所示。為使光纖光柵的反射譜展寬量盡可能的大，將光柵粘貼在應(yīng)變梯度最大處即圖4中 的軸向應(yīng)變負(fù)極大值處。在光纖光柵反射譜帶寬展寬(如圖5)時(shí)，由于寬帶光源光功率分 布在反射譜內(nèi)是均勻的，反射光光強(qiáng)也隨反射譜展寬而增大。光強(qiáng)最大值取決于駛過車輪 的輪重，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。本發(fā)明除列車計(jì)軸外，還可以得到列車的輪重信息。本發(fā)明計(jì)軸檢測(cè)器的計(jì)軸程序流程如圖7所示。開機(jī)后程序首先檢測(cè)裝置的前端 部分是否工作正常，如果沒有檢測(cè)到光強(qiáng)信號(hào)或者低于一定閾值，則判定裝置由故障出現(xiàn)， 直接計(jì)軸并輸出故障信號(hào)請(qǐng)求維修。如果前端部分工作正常，當(dāng)光強(qiáng)信號(hào)增大時(shí)將其與計(jì) 軸閾值相比較，如大于閾值則判斷為車輪經(jīng)過否則為干擾。并從光強(qiáng)信號(hào)極大值中得到輪 重信息與已有計(jì)軸技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，不受外界溫度變化影響無需溫度補(bǔ) 償，采用強(qiáng)度解調(diào)速度極快，適合高速鐵路等場(chǎng)合的需要。特強(qiáng)調(diào)一下本發(fā)明的典型應(yīng)用
(1)監(jiān)測(cè)軌道區(qū)間或道岔區(qū)段的空閑與占用情況由于鐵路列車調(diào)度的需要，對(duì) 鐵路區(qū)間行駛的列車需要進(jìn)行閉鎖跟蹤，確定區(qū)間內(nèi)有無列車行駛，以免發(fā)生列車追及或 相撞；在車站道岔出，需要感知有無列車駛過及速度，以便道岔機(jī)構(gòu)的自動(dòng)工作。(2)監(jiān)測(cè)列車完整性在列車運(yùn)行過程由于各種原因可能導(dǎo)致列車車廂脫節(jié)的發(fā) 生，通過列車固定軸數(shù)與實(shí)測(cè)軸數(shù)的對(duì)比可以監(jiān)測(cè)列車的完整性，及時(shí)進(jìn)行處置。(3)監(jiān)測(cè)列車超載、偏載通過對(duì)鐵軌應(yīng)變的監(jiān)測(cè)可以獲得駛過列車的輪重，進(jìn)而 推知列車載重，從而檢測(cè)列車有無超載、偏載現(xiàn)象。
權(quán)利要求
基于光柵反射譜展寬的高速鐵路計(jì)軸裝置，其特征是由寬帶光源、光纖接線盒、粘貼在鐵軌特定位置的光纖光柵、計(jì)軸檢測(cè)器和鏈接在光纖光柵與計(jì)軸檢測(cè)器之間的光環(huán)形器組成；所述計(jì)軸檢測(cè)器包含光電探測(cè)器、跨阻放大器、放大電路、低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)算器及通信接口。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光柵反射譜展寬的高速鐵路計(jì)軸裝置，其特征是使用高斯 切址光纖光柵作為傳感光纖光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的基于光柵反射譜展寬的高速鐵路計(jì)軸裝置，其特征是所述光纖 光柵粘貼在鐵軌兩枕木或卡座之間的鐵軌底部軸向應(yīng)變分布梯度最大處。
4.如權(quán)利要求1所述的基于光柵反射譜展寬的高速鐵路計(jì)軸裝置，其特征是計(jì)軸檢測(cè) 器對(duì)光纖光柵反射光強(qiáng)度信號(hào)整形得到計(jì)軸脈沖。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于光柵反射譜展寬的高速鐵路計(jì)軸裝置。其工作原理為寬帶光源發(fā)出的光束經(jīng)光環(huán)行器進(jìn)入粘貼在鐵軌底部的光纖光柵傳感器，光纖光柵的反射光經(jīng)過光環(huán)行器進(jìn)入光電探測(cè)器后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行放大、濾波后由ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，計(jì)軸檢測(cè)器對(duì)數(shù)字信號(hào)整形得到計(jì)軸脈沖。本發(fā)明解決了目前鐵路計(jì)軸裝置電磁兼容性差，模擬信號(hào)傳輸距離短等問題，同時(shí)相比采用光柵中心波長(zhǎng)解調(diào)的同類裝置，不受環(huán)境溫度變化的干擾，無需溫度補(bǔ)償措施。
文檔編號(hào)B61L1/16GK101863278SQ20101019115
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者張兆亭, 張志勇, 潘煒, 王圣根, 羅斌, 鄒喜華, 閆連山 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)