本發(fā)明涉及一種超偏載系統(tǒng)及其設備，更具體地說，它涉及一種光纖板式傳感器及鐵路超偏載系統(tǒng)。

背景技術：

目前所有的大型稱重計量設備，尤其具有相當精度要求的衡器——汽車衡，動靜態(tài)軌道衡，鐵路超偏載設備，料斗稱等，采用的都是應變片做為敏感元件膠粘在載體上作為傳感器，無論是柱式傳感器，剪力傳感器，橋式傳感器，抑或是直接把應變片膠粘在鋼軌腰上的美國新進口專用鋼軌。

上述傳感器的發(fā)明、使用、生產已延續(xù)多年，其自有存在的必然性，即精度較高，性能較穩(wěn)定，能夠根據(jù)應變片附著載體的材質和型狀調整量程及適用于不同的工況現(xiàn)場情況。

但是，采用這種原理的傳感器在科學技術飛速發(fā)展的今天也開始日顯不足。

在申請日為2006年10月13日，公告號為CN1936520A的專利文獻（以下稱之為對比文件1）中公開了一種光纖傳感式軌道衡，其包括：承重梁單元、數(shù)據(jù)采集單元和稱重數(shù)據(jù)處理單元以及數(shù)據(jù)傳輸單元，其中，所述的承重梁單元為鐵路在線使用的鋼軌；所述的數(shù)據(jù)采集單元包括：光纖傳感器以及光纖調制解調儀，所述的光纖傳感器設置于所述鋼軌上，獲得光波信號，所述的光纖調制解調儀與光纖傳感器相連接，將所述光波信號轉換為鋼軌的應變信號；所述的稱重數(shù)據(jù)處理單元，與數(shù)據(jù)采集單元相連，將所述應變信號轉換為重量；所述的數(shù)據(jù)傳輸單元用以傳輸數(shù)據(jù)。

對比文件1的技術要點在于，其應用光纖傳感器作為測量工具。光纖傳感器的核心是光纖，一般來說，光纖的本身是不能承受重量的，所以必須附著在載體上。選擇一種載體，它的材質、型狀、安裝位置必須要保證被計量物體的安全、穩(wěn)定；載體受力后的變形量要同光纖的變形及受力大小同步且呈正相關關系；載體的型狀必須要適應工作現(xiàn)場的安裝要求。

在對比文件1的說明書部分明確闡述了，其應用的光纖傳感器是直接地粘接在鋼軌的腰部或者底部。軌道在線的鋼軌直接地作為載體，是無法完成大負荷、高精度的測量；同時，難以實現(xiàn)對車輛超偏載的系統(tǒng)控制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服或減緩至少這些缺點中的某些缺點，并且提供一種光纖板式傳感器，包括作為彈性載體的彈性板，所述彈性板具有型腔，所述型腔的一腔壁為應變面，在所述應變面的表面固定至少一個光纖敏感元件。

優(yōu)選地，所述應變面與所述彈性板的受力面平行。

進一步地，在所述應變面的表面固定一個光纖敏感元件，所述光纖敏感元件置于所述應變面的中點。

亦或者，在所述應變面的表面固定兩個光纖敏感元件，兩個所述的光纖敏感元件關于所述應變面的中點對稱。

亦或者，所述應變面呈矩形，在所述應變面的表面固定四個光纖敏感元件，四個所述的光纖敏感元件分別布置在所述應變面的四個邊角處，且任意所述光纖敏感元件到所述應變面中點的距離是定值。

較佳的，四個所述的光纖敏感元件依次串聯(lián)，且四個所述的光纖敏感元件所適用的光譜范圍均不重疊。

另外，所述光纖敏感元件采用低能焊接的方式固定在所述應變面的表面。

本發(fā)明應用性的公開了一種適用上述光纖板式傳感器的鐵路超偏載設備。其包括多個布置在鋼軌和枕木之間的板式傳感器，其特征在于，所述板式傳感器選用前述的光纖板式傳感器，所述光纖板式傳感器的光纖敏感元件耦接至光電解碼器，所述光電解碼器通訊控制終端。

優(yōu)選地，所有光纖敏感元件適用的光譜范圍均不重疊。且所有光纖敏感元件依次串聯(lián)后耦接至光電解碼器。

優(yōu)選地，在所述光電解碼器的輸出端耦接至耦接有二次儀表的輸入端，所述二次儀表的輸出端耦接至所述控制終端。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光纖板式傳感器實施例彈性板的結構圖；

圖2為圖1的另一視角圖；

圖3為本發(fā)明光纖板式傳感器實施例一的光纖光柵應變片布置圖；

圖4為本發(fā)明光纖板式傳感器實施例二的光纖光柵應變片布置圖；

圖5為本發(fā)明光纖板式傳感器實施例三的光纖光柵應變片布置圖；

圖6為本發(fā)明鐵路超偏載系統(tǒng)實施例一的工作原理圖；

圖7為本發(fā)明鐵路超偏載系統(tǒng)實施例二的工作原理圖；

圖8為本發(fā)明鐵路超偏載系統(tǒng)實施例三的工作原理圖。

附圖標注：1、彈性板；11、應變面；2、光纖光柵應變片；3、光源產生裝置；4、光電解碼器；5、二次儀表；6、計算機。

具體實施方式

參照圖1至圖5對光纖板式傳感器的實施方式作出進一步說明，并由圖6至圖8闡述應用光纖板式傳感器的鐵路超偏載系統(tǒng)。

光纖的物質形態(tài)隨著環(huán)境或外力的影響，其本身的部分物理特性會產生變化。本實施例的主要是光纖在隨外界環(huán)境或外力影響而改變波長的特性。

現(xiàn)有技術中，已經存在以光纖作為測量工具的光纖傳感器，光纖傳感器的輸出變量即是光的波長，與光纖傳感器相匹配的有將光信號轉換成電信號的光電解碼器4；現(xiàn)有的，光電解碼器4其輸出的電信號，本身即是數(shù)字信號。天然地適應于當前計算機6和數(shù)字儀表的使用。

實際上，以光纖作為敏感元件早已應用于各領域對溫度的測量，以及某些精度要求不高的重量測量。

但是，應用光纖作為敏感元件完成大載荷、高精度的動態(tài)稱重測量以及相應的測量系統(tǒng)，具體在鐵路超偏載系統(tǒng)，本實施例尚屬首例。

那么，本實施例的發(fā)明要點即是，將光纖應用在大載荷、高精度的超偏載系統(tǒng)中，并使光纖滿足其在分辨率、精度、穩(wěn)定性方面的基本要求。

具體地，本實施以目前鐵路超偏載設備上常見的板式結構作為光纖敏感元件的載體，該載體主要是由合金鋼板加工而成的彈性板1。

如圖1和圖2所示，彈性板1的結構位置是位于鋼軌和枕木之間，在彈性板1相對枕木的側面具有型腔，本實施例以型腔的底部為應變面11，應變面11與彈性板1的受力面保持平行。本實施將光纖敏感元件布置在該應變面11的表面。那么在彈性板1的受力面承重，彈性板1整體產生形變后，與應變面11固定的光纖敏感元件同樣會產生適應性形變，進而影響光纖敏感元件輸出光的波長。

具體地，本實施例選用表面式的光纖光柵應變片2，其自有的布拉格光柵在受到應力后，布拉格光柵有效的光折射率以及光柵周期發(fā)生變化，進而造成反射的布拉格波長改變，適用于本實施例。

進一步地，本實施例通過低能焊接的方式將光纖光柵應變片2穩(wěn)固地與應變面11焊接成一體；相比于傳統(tǒng)的粘接方式，焊錫的固定方式能夠有效地克服膠層受到溫度或者外力影響而產生形變，進而影響光纖光柵應變片2所受的應力，引起光纖光柵應變片的測量誤差。。

根據(jù)上述光纖板式傳感器的結構設計，并將光纖光柵應變片2焊接在應變面11上，是可以有效地實現(xiàn)對鋼軌的動態(tài)稱重測量。

再者，在彈性板1的應變面11上同時焊接多個不同位置的光纖光柵應變片2是可以有效地克服列車側擺對光纖板式傳感器測量結果的影響；為了具體說明這個問題，本實施例示范性的給出了三種光纖光柵應變片2在應變面上的布置方式。

實施例一：

如圖3所示，本實施例在應變面11的表面焊接一個光纖光柵應變片2，該光纖光柵應變片2焊接在彈性板1的中心。

那么，在列車發(fā)生側擺時，焊接在彈性板1中心的光纖光柵應變片2所測量的結果會受到明顯影響；這是由于在列車側擺過程中，列車的重心發(fā)生明顯偏移，導致彈性板1上各點受力明顯不均，而位于彈性板1中心的光纖光柵應變片2會產生非重心引起的應力形變。

實施例二：

如圖4所示，本實施例在應變面11的表面焊接兩個光纖光柵應變片2，兩個光纖光柵應變片2關于彈性板1的中心對稱，且兩者的連線與列車的進行方向垂直。

那么，在列車發(fā)生側擺時，焊接在受力面11上的光纖光柵應變片2所測量的結果會受到一定影響；這是由于在列車側擺過程中，列車的重心雖然發(fā)生了明顯偏移，但是當受力面的承力點落在兩個光纖光柵應變片2之間時，兩者受到的應力影響是反相關；即列車傾斜方向的一側光纖光柵應變片2所受應力，較之從前是增大，另一側的光纖光柵應變片2所受應力，較之從前是減小，因此通過對兩個光纖光柵應變片2的測量結果進行后期計算，是能夠在一定程度上消除列車側擺的影響。

實施例三：

如圖5所示，本實施例的應變面11呈矩形，在應變面11的四個邊角分別焊接一個光纖光柵應變片2，且四個光纖光柵應變片2彈性板1的中點的距離是相等的。

那么，在列車發(fā)生側擺時，焊接在受力面11上的光纖光柵應變片2所測量的結果是不會受到影響；這是由于在列車側擺過程中，列車的重心雖發(fā)生明顯偏移，但受力面11的承力點始終是落在四個光纖光柵應變片2之間的，通過四個光纖光柵應變片2各自的測量結果可以準確的計算出受力面11上承力點的位置，進而可以通過補償計算克服列車側擺對于鐵路超偏載系統(tǒng)的影響。

另外，考慮到市面上光電解碼器4昂貴的售價，本實施例通過紫外線分別在四個光纖光柵應變片2中燒制折射率和周期不同的布拉格光柵，即可以使四個光纖光柵應變片2反射完全不同光譜范圍的布拉格波長；在保證四個光纖光柵應變片2所適用的光譜范圍始終不重合時，將四個光纖光柵應變片2依次串聯(lián)后耦接一個光電解碼器4，即可以實現(xiàn)對四個光纖光柵應變片2所對應的布拉格波長進行測量，能夠有效地減少將光纖板式傳感器安裝至鐵路超偏載系統(tǒng)或動態(tài)軌道衡所需的成本。

值得注意的是，本實施例三所指的四個光纖光柵應變片2的光譜范圍，不僅僅是光纖光柵應變片2在不受外界影響時，其反射的布拉格波長所在的帶寬；更是包括光纖光柵應變片2在受到外界影響后，其布拉格波長的極限變化范圍。

為了對本發(fā)明提出的光纖光柵板式傳感器的實用性進行確認，此處針對實施例三中的光纖板式傳感器作出了性能測試：

為證明實施例三的光纖板式傳感器可以作為一種具有相當精度的新式傳感器并應用于超偏載系統(tǒng)，本實施選用了500kg砝碼和15噸壓力機分別對光纖板式傳感器進行了測試。

1、關于響應速度的測試，在加載壓力時，光纖板式傳感器的響應時間在微秒級。足以適用于目前鐵上對列車超偏載動態(tài)響應要求。

2、關于普遍性的測試，本實施例用500kg砝碼和壓力機分別對光纖板式傳感器加載壓力，再卸載壓力后。其測量曲線近似重合，零點回歸差約2個計量單位(±1‰)，即保證了不論是通過500KG砝碼提供壓力還是通過壓力機提供壓力，其結果具有一致性，保證測試結果具有普遍性。

3、關于誤差的測試，在20噸為滿量程時，全程線性度優(yōu)于1%，低端線性度(500kg以下)約為2%，測量誤差小。

如圖6至8所示，在設計并驗證了關于光纖板式傳感器對于測量列車超偏載的可行性后，本實施例提供了一種應用上述光纖板式傳感器的鐵路超偏載系統(tǒng)，其包括多個布置在鋼軌和枕木之間的光纖板式傳感器，光纖板式傳感器耦接光電解碼器4，光電解碼器4通訊控制終端。

本實施例鐵路超偏載系統(tǒng)的特點是對光纖板式傳感器的應用，此處優(yōu)選地例舉三種應用光纖板式傳感器的鐵路超偏載系統(tǒng)的實施方式。

實施例一：

如圖6所示，本實施例一的鐵路超偏載系統(tǒng)包括多個光纖板式傳感器，任意一個所述的光纖板式傳感器中的光纖光柵應變片2均是依次串聯(lián)后耦接至一光電解碼器4。該光電解碼器4通過串行接口與作為控制終端的計算機通訊。

那么，任一光纖板式傳感器均配備有對應的光電解碼器4，其好處是光纖板式傳感器中的光纖光柵應變片2反饋的布拉格波長的變化范圍可以是足夠大，任意兩個光纖光柵應變片2反饋的布拉格波長不會出現(xiàn)重疊，保證了測量數(shù)據(jù)的準確。

此處值得一提的是，本實施例一的光源是光源產生裝置3通過光環(huán)形器耦合至光纖的光路中。

實施例二：

如圖7所示，實施例二的鐵路超偏載系統(tǒng)相比于實施例一的區(qū)別是，本實施例二的光電解碼器4集成有光源，在其耦接光纖板式傳感器的端口，一方面接收由各光纖光柵應變片2反饋的布拉格波長，另一方面同步地輸出光源至光纖光柵應變片2。

實施例三：

如圖8所示，任一光纖板式傳感器中的光纖光柵應變片2依次串聯(lián)的，同時本實施例三中的多個光纖板式傳感器亦是依次串聯(lián)；那么，本實施例三中涉及的所有光纖光柵應變片2依次串聯(lián)后，耦接至光電解碼器4；再者，所有的光纖光柵應變片2的光譜范圍均不重疊。

那么，本實施例三在光纖板式傳感器有多個時，亦可以通過一臺光電解碼器4獲得各個光纖光柵應變片2反饋的布拉格波長；且任意一個光纖板式傳感器中的四個光纖光柵應變片2可以作為消除列車側擺對鐵路超偏載系統(tǒng)影響的計算基準。

通過上述三種關于鐵路超偏載系統(tǒng)的實施例，佐證了應用光纖板式傳感器的鐵路超偏載系統(tǒng)，可以對列車進行高精度的測量。從根本上改變傳統(tǒng)的鐵路超偏載系統(tǒng)的測量模式，采用光纖做為敏感元件。充分發(fā)揮光纖作為敏感元件的優(yōu)點：數(shù)字信號輸出，傳輸距離遠，抗干擾性強，成本低等。且光纖作為敏感元件可以使分辨率達到1/3000，線性度良好，物理性能穩(wěn)定。

值得一提的是，通過作為控制終端的計算機6對各光纖光柵應變片2反饋的布拉格波長對應的電信號進行分析計算，是本領域技術人員所熟知的；這是由于，本實施例的鐵路超偏載系統(tǒng)僅是通過對光纖板式傳感器的應用取代了傳統(tǒng)的板式傳感器，提高了測量的精度和能夠承受的負荷。

另外，如圖7所示，本實施例的光電解碼器4可以是將光纖板式傳感器輸出的光信號轉換成電信號后，通過二次儀表5對該電信號進行記錄和積算，再通二次儀表5將記錄和積算的結果通訊至計算機6。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。