本實用新型屬于軌道交通安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于軌道計軸的光纖光柵傳感器及軌道計軸裝置和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前隨著我國高鐵技術(shù)和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，伴隨而來的安全運營問題更顯得尤為重要和突出。其中軌道計軸技術(shù)和傳感器產(chǎn)品是軌道交通安全監(jiān)測領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)之一，其是通過計軸傳感器“數(shù)出”列車輪軸的數(shù)量，來獲得列車位置、軌道區(qū)間的占用情況等。目前的計軸系統(tǒng)主要是軌道電路和電磁系統(tǒng)兩種。前者是利用輪軸與軌道導通形成電氣回路，后者是利用輪軸切割磁力線的原理進行探測。但上述兩種技術(shù)均基于電、磁學傳感原理，其抗電磁干擾能力低，易受電氣和天氣影響，甚至鐵鍬等金屬物體都會導致誤報。

光纖光柵傳感技術(shù)經(jīng)過十余年的發(fā)展，由于其具有無源、絕緣、本安防爆、信號遠傳、可靠性高等優(yōu)點，可以通過不同的封裝材料和工藝，感知多種物理量（如溫度、應(yīng)力/應(yīng)變、振動、位移、扭矩等），目前已廣泛用于能源、交通、國防、航空航天等領(lǐng)域。其傳感機理為：通過不同的封裝材料和工藝，使外界物理量作用到光纖光柵，物理量的變化會引起光纖光柵波長發(fā)生改變；通過實時測量光纖光柵的波長改變量，就可以反算出實際物理量。

專利CN200710121157.X中闡明可以通過測量鋼軌形變/應(yīng)力參數(shù)的方法進行車輛計軸。專利CN200920088856.3、專利CN201019087029.7專利和CN201410539393.3均是基于這一思想設(shè)計光纖光柵應(yīng)變傳感器用于計軸。

但上述專利中均忽略了光纖光柵傳感器對溫度和應(yīng)變同時敏感的問題，即無法區(qū)分光纖光柵波長改變是由溫度還是應(yīng)變引起，必然造成測量誤差，導致嚴重后果。因此光纖光柵測量應(yīng)變的同時，必須對其做溫度補償。因為光纖光柵溫度傳感器可以通過封裝技術(shù)去除應(yīng)變的影響，反之則不行；因此通常的做法是在光纖光柵應(yīng)變傳感器的附近放置一個光纖光柵溫度傳感器，通過后者進行溫度補償，以消除前者由于溫度引起的波長變化，達到監(jiān)測應(yīng)變的目的。但這樣就會造成現(xiàn)場的實施布設(shè)較為繁瑣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于軌道計軸的光纖光柵傳感器及軌道計軸裝置和系統(tǒng)，本實用新型一方面能夠消除了溫度變化帶來的波長同向漂移，另一方面能夠有效的提高了對軌道形變測量輸出的精度。

為實現(xiàn)以上目的，本實用新型提供的用于軌道計軸的光纖光柵傳感器，具體采用如下技術(shù)方案：用于軌道計軸的光纖光柵傳感器，包括應(yīng)變片基體，所述應(yīng)變片基體的基體上表面和基體下表面各設(shè)置一個光纖光柵，形成一個完整的光纖光柵應(yīng)變傳感器。

兩個光纖光柵設(shè)置在同一應(yīng)變片基體上，受同樣的溫度影響，具有同樣的溫度變化，兩個光纖光柵波長之間的差值保持不變。

本實用新型在上述提供的光纖光柵傳感器的基礎(chǔ)上，提供一種軌道計軸裝置，所述軌道計軸裝置基于光纖光柵的應(yīng)變測量原理，對通過該段鐵軌的輪軸進行計數(shù)；所述軌道計軸裝置還包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板和所述第二固定板平行設(shè)置，且所述第一固定板和所述第二固定板均焊接于鐵軌底部；所述光纖光柵傳感器設(shè)置在所述第一固定板和第二固定板之間；所述第一固定板和第二固定板之間還設(shè)置有基座和彈簧；所述基座與所述第二固定板固定連接，所述光纖光柵傳感器中的應(yīng)變片的下端與所述基座固定連接，所述彈簧的左端與所述第一固定板連接，所述彈簧的右端與應(yīng)變片的上端連接。

進一步的，所述基座與所述第二固定板通過螺釘進行連接，所述光纖光柵傳感器中的應(yīng)變片的下端與所述基座通過螺釘進行固定。

本實用新型還提供一種軌道計軸系統(tǒng)，所述軌道計軸系統(tǒng)采用上述軌道計軸裝置，所述軌道計軸系統(tǒng)還包括光纖光柵解調(diào)儀表和數(shù)據(jù)處理終端，兩個以上的所述軌道計軸裝置等間距的設(shè)置在鐵軌底部；兩個以上的所述軌道計軸裝置分別與所述光纖光柵解調(diào)儀表通信連接，所述光纖光柵解調(diào)儀表與所述數(shù)據(jù)處理終端通信連接。

本實用新型采用以上技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)中采用放置一個光纖光柵溫度傳感器導致現(xiàn)場的實施布設(shè)繁瑣而言，本實用新型提供的技術(shù)方案將兩個光纖光柵設(shè)置在同一應(yīng)變片基體上，受同樣的溫度影響，具有同樣的溫度變化，兩個光纖光柵波長之間的差值保持不變。本實用新型一方面能夠消除了溫度變化帶來的波長同向漂移，采用差分檢測的原理，使傳感器在無需外部溫度補償?shù)那闆r下，可以免疫溫度變化的影響，僅對應(yīng)變測量。另一方面通過差分方式，可以雙倍地提高測試精度，能夠有效的提高對軌道形變測量輸出的精度。

附圖說明

圖1為本實用新型差分方式光纖光柵應(yīng)變傳感器示意圖；

圖2為圖1中兩個光纖光柵的波長示意圖；

圖3為圖1中兩個光纖光柵受溫度影響波長同向變化示意圖；

圖4為圖1中兩個光纖光柵受形變影響波長反向變化示意圖；

圖5為本實用新型安裝于軌道側(cè)面的軌道計軸裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實用新型軌道計軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、應(yīng)變片基體；2、基體上表面；3、基體下表面；4、上表面光纖光柵；5、下表面光纖光柵；6、鐵軌；7、第一固定板；8、彈簧；9、應(yīng)變片；10、基座；11、第二固定板；12、第一固定焊接點；13、第二固定焊接點；14、應(yīng)變片9的第一個光纖光柵；15、應(yīng)變片9的第二個光纖光柵；16、軌道計軸裝置；17、光纖光柵解調(diào)儀表；18、數(shù)據(jù)處理終端。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

如圖1所示，本實用新型提供一種用于軌道計軸的光纖光柵傳感器，包括應(yīng)變片基體1，所述應(yīng)變片基體1的基體上表面2和基體下表面3各設(shè)置一個光纖光柵（分別為上表面光纖光柵4和下表面光纖光柵5）；形成一個完整的光纖光柵應(yīng)變傳感器。此時波長分別為λ1和λ2。

如圖2所示。當溫度變化時，由于兩個光纖光柵（4、5）粘在同一個應(yīng)變片基體1上，受同樣的溫度影響，且由于兩只光纖光柵具有相同的溫度靈敏度系數(shù)KT（pm/℃）。

如圖3所示，溫度升高時，波長一起朝長波長方向移動；溫度降低時，則一起朝短波長方向移動，因此兩個光纖光柵波長之間的差值保持不變。即：

?λ1 = K_T * ?T

?λ2 = K_T * ?T

?λ = ?λ1 –?λ2 = 0

當應(yīng)變片受力變形時，其上、下表面，一個處于收縮狀態(tài)，另一個出于拉伸狀態(tài)，兩只光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)均為K_{（pm/με）}。

如圖4所示，波長λ1處于收縮狀態(tài)，波長向短方向移動；波長λ2處于拉伸狀態(tài)，波長向長方向移動；因此兩個光纖光柵波長之間的差值此時變?yōu)椋?/p>

?λ1 = -K_ε* ?με

?λ2 = K_ε* ?με

?λ = ?λ2 –?λ1 = K_ε* ?με - （-K_ε* ?με）= 2K_ε* ?με

由上式，利用該原理設(shè)計的計軸傳感器不僅可以有效屏蔽溫度對傳感器的影響，是傳感器僅對軌道形變敏感。而且此時傳感器的輸出變化量是單只光纖光柵傳感器的一倍，提高了傳感器的測量精度。

本實施例以上述設(shè)計具體應(yīng)用在軌道計軸傳感器中。如圖5所示，本實施例提供一種軌道計軸裝置，所述軌道計軸裝置基于光纖光柵的應(yīng)變測量原理，對通過該段鐵軌6的輪軸進行計數(shù)；所述軌道計軸裝置還包括第一固定板8和第二固定板11，所述第一固定板7和所述第二固定板11平行設(shè)置，且所述第一固定板7和所述第二固定板11均焊接于鐵軌6底部（如圖5中所示的第一固定焊接點12和第二固定焊接點13）；所述光纖光柵傳感器設(shè)置在所述第一固定板7和第二固定板11之間；所述第一固定板7和第二固定板11之間還設(shè)置有基座10和彈簧8；所述基座10與所述第二固定板11固定連接，所述光纖光柵傳感器中的應(yīng)變片9的下端與所述基座10固定連接，所述彈簧8的左端與所述第一固定板7連接，所述彈簧8的右端與應(yīng)變片9的上端連接。

作為一種優(yōu)選的實施方式，所述基座10與所述第二固定板11通過螺釘進行連接，所述光纖光柵傳感器中的應(yīng)變片9下端與所述基座10通過螺釘進行固定。

現(xiàn)進一步拓展說明如下：

光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)為10pm/℃，兩個光纖光柵14和15在T1溫度下的中心波長分別為1530nm和1535nm，此時中心波長差為5nm。當溫度變?yōu)門2時，由于兩個光纖光柵在應(yīng)變片的上、下兩面，溫度一致，此時中心波長差為：

?λ = ?λ1 –?λ2 = 10* ?T - 10* ?T = 0

即軌道計軸傳感器屏蔽了溫度變化。

當輪軸經(jīng)過該段鐵軌時，瞬時的壓力迫使鐵軌6的下表面產(chǎn)生正向應(yīng)變，這種應(yīng)變會使得彈簧8產(chǎn)生張拉變形，并帶動應(yīng)變片9產(chǎn)生彎曲變形，其中應(yīng)變片左側(cè)表面產(chǎn)生負應(yīng)變，右側(cè)表面產(chǎn)生正應(yīng)變，粘貼于應(yīng)變片9左右兩側(cè)的第一光纖光柵14和第二光纖光柵15分別感知兩種應(yīng)變，并產(chǎn)生波長漂移；對應(yīng)地，第一光纖光柵14產(chǎn)生負向的波長漂移，第二光纖光柵15產(chǎn)生正向的波長漂移。

光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1pm/με。此時，第一光纖光柵14波長值變?yōu)椋?/p>

?λ1 = -1* ?με

第二光纖光柵15波長值變?yōu)椋?/p>

?λ2 = 1* ?με

兩個光纖光柵的差值為：

?λ = ?λ2 – ?λ1 = 2 * ?με

假設(shè)，軌道計軸傳感器同時受到溫度和應(yīng)變的影響，即溫度變化?T，應(yīng)變變化?με。此時第一光纖光柵14波長值變?yōu)椋?/p>

?λ1 = 10* ?T - 1* ?με

第二光纖光柵15波長值變?yōu)椋?/p>

?λ2 = 10* ?T + 1* ?με

兩個光纖光柵的差值為：

?λ = ?λ2 – ?λ1 = 2 * ?με

由以上可以看出，利用差分方法設(shè)計的軌道計軸傳感器一方面消除了溫度變化帶來的波長同向漂移，另一方面提高了對軌道形變測量輸出的精度。

本實用新型利用差分方法設(shè)計的光纖光柵軌道計軸傳感器。通過在應(yīng)變片的上、下兩個表面各設(shè)置一個光纖光柵，利用兩個光纖光柵的波長差值對軌道形變進行監(jiān)測。當溫度變化時，此時光纖光柵的波長朝同方向變化，因此實現(xiàn)對溫度的屏蔽；當軌道形變發(fā)生時，使應(yīng)變片的上、下表面分別產(chǎn)生負應(yīng)變和正應(yīng)變，此時兩個光纖光柵的波長向相反方向變化，產(chǎn)生兩倍的測量精度。本實用新型的傳感器，僅用一個傳感器在實現(xiàn)溫度補償?shù)耐瑫r，增加了應(yīng)變測量的靈敏度，具有現(xiàn)場實施簡單、測量精度高的優(yōu)點。

如圖6所示，本實用新型另一方面還提供一種軌道計軸系統(tǒng)，所述軌道計軸系統(tǒng)采用上述軌道計軸裝置16，所述軌道計軸系統(tǒng)還包括光纖光柵解調(diào)儀表17和數(shù)據(jù)處理終端18，兩個以上的所述軌道計軸裝置16等間距的設(shè)置在鐵軌6底部；兩個以上的所述軌道計軸裝置16分別與所述光纖光柵解調(diào)儀表17通信連接，所述光纖光柵解調(diào)儀表17與所述數(shù)據(jù)處理終端18通信連接。

該系統(tǒng)處理實現(xiàn)計軸之外，還具有如下功能：

1）、載重計量

由于鐵軌的形變與列車載重成比例，假設(shè)為：

?με = K_L * G

上式中，KL鐵軌形變與載重的比例系數(shù)，G為列車載重值。則有：

?λ = ?λ2 – ?λ1 = 2 * ?με = 2 * K_L * G

即兩個光纖光柵波長的差值體現(xiàn)了列車載重的關(guān)系。

2）、車速和行車方向的監(jiān)測

由每個傳感器波長差值變化的時間間隔T，在結(jié)合列車相鄰輪軸間的長度L，V=L/T，由此實現(xiàn)列車行駛速度測量。

如圖6所布設(shè)軌道計軸裝置16（1#、2#、3#），所述軌道計軸裝置16中設(shè)置有差分應(yīng)變光纖光柵計軸傳感器，如1#位置傳感器較3#位置傳感器先出現(xiàn)傳感器波長差值變化，則列車行駛方向為從左至右，如3#位置較1#位置先出現(xiàn)傳感器波長差值變化，則列車行駛方向為從右至左。

3）、傳感器互檢

由于差分應(yīng)變光纖光柵計軸傳感器沿軌道6線進行布設(shè)，因此可通過同一時間段內(nèi)，不同傳感器之間的測量情況比較。如各傳感器的計軸數(shù)字相符，則表示傳感器及計軸系統(tǒng)出于正常工作狀態(tài)，反之則存在故障。因此系統(tǒng)具有極強的可靠性和自檢能力。

本實用新型不局限于上述最佳實施方式，任何人在本實用新型的啟示下都可得出其他各種形式的產(chǎn)品，但不論在其形狀或結(jié)構(gòu)上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技術(shù)方案，均落在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。