專利名稱：基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及重載運輸線路安全監(jiān)測系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
重載運輸自問世以來，由于其顯著的經(jīng)濟效益使其得到迅猛發(fā)展，目前重載運輸 已被國際公認(rèn)為鐵路貨運發(fā)展的方向。我國重載列車噸級也由最早的5000噸級發(fā)展到2萬 噸級。在開行重載列車的過程中，由于運量和軸重的增加，現(xiàn)有的線路、橋梁設(shè)備裝備水平 遠不能適應(yīng)要求，容易出現(xiàn)以下故障(1)重載無縫軌道焊縫斷裂及車輪、鋼軌、路基傷損 急劇增加。例如大秦線開行萬噸列車后幾個月內(nèi)的鋼軌損傷比開行前增加50% -80%，焊 縫傷損量增加率達224%。(2)重載無縫線路上由于鋼軌的熱脹冷縮，不能實現(xiàn)的伸縮量全 部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，此應(yīng)力容易導(dǎo)致脹軌跑道和拉斷鋼軌問題，對行車安全構(gòu)成威脅。(3) 橋梁老化、疲勞問題嚴(yán)重。可見研制重載鐵路安全信息實時監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。我國1951年研制第一臺軌檢車，1989年與美國合作，研制了 XGJ-I型軌檢車，1998 年研制了 GJ-4型軌檢車，能對軌道的軌距、扭曲等幾何參數(shù)進行測量。對鋼軌損傷的探測 主要是射線擦傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流擦傷、超聲探傷，但是他們必須要使用軌檢車， 不能實時對軌道的健康情況進行監(jiān)測。自無縫軌道問世以來，軌溫監(jiān)測工作就被放到了一 個非常重要的地位。但是目前我國的鐵路軌溫監(jiān)測主要是靠人工定點定時測量完成。這種 測溫方法所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)密度小，難以捕捉日、月、年內(nèi)的最高軌溫和最低軌溫；占用勞 動力多、測量誤差大、實時性差，因此難以為鐵路作業(yè)提供及時、準(zhǔn)確、科學(xué)的決策依據(jù)。我 國很多橋梁都是按照普通線路設(shè)計制造的，由于重載列車具有高行車密度、高牽引定數(shù)、高 單車載重的三高特點，在運行重載列車后，這些橋梁超過了載荷，從而加速了橋梁的老化和 損害，存在隱患，所以對橋梁的監(jiān)測也十分必要。另外，傳統(tǒng)傳感器需要用不同傳感器分別對橋梁、鋼軌不同部位的應(yīng)變、振動、溫 度等信息進行監(jiān)測，受到位置、時間等因素限制，幾乎無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。而且不同傳感器 換能物理量不盡相同，這給傳感信息融合、智能化處理帶來很多不便。從90年代開始，我國就開始了對光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究，并且已經(jīng)有商業(yè)產(chǎn)品 銷售。但是由于上述方法和系統(tǒng)價格昂貴，成本很高，只有在大型橋梁上才有合適的性價 比。但重載鐵路橋梁大多數(shù)都是小型橋梁，用已有的橋梁監(jiān)測產(chǎn)品對其進行監(jiān)測，設(shè)備價格 過于昂貴，所以很少有采用光纖光柵橋梁疲勞監(jiān)測，多數(shù)只能靠人工監(jiān)測。然而，如果將橋 梁和鋼軌共用一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行監(jiān)測，則可大大降低監(jiān)測成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有重載鐵路運輸線路安全監(jiān)測技術(shù)方法存在精度低、成本高、 不便于實時在線監(jiān)測的問題，提供一種基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)和方法?；诠饫w傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，它包括光源、耦合器、η個 鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器、i個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器、m個橋梁光纖光柵 應(yīng)變和溫度組合傳感器、法布里珀羅解調(diào)儀、計算機，η個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器、i個鋼 軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器和m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器通過傳 輸光纖串連在一起組成監(jiān)測區(qū)域，其中i、m、η為偶數(shù)，每兩個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器組 成一對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器組對，共η/2對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器組對，每兩個鋼 軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器組成一對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器組 對，共i/2對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器組對，每兩個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫 度組合傳感器組成一對橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器組對，共m/2對橋梁光纖光柵 應(yīng)變和溫度組合傳感器組對，每對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器組對采用粘貼的方法對稱的沿 鋼軌方向固定在鋼軌無縫焊接處，每對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器組對對稱的 沿鋼軌方向固定在左右鋼軌位于兩根軌枕之間的 一段鋼軌的軌腰處，每對橋梁光纖光柵應(yīng) 變和溫度組合傳感器組對對稱的沿橋梁方向固定在橋梁主梁有代表性的斷面底部受力點， 光源與耦合器的一端通過傳輸光纖連接在一起，耦合器的另一端與監(jiān)測區(qū)域通過傳輸光纖 連接在一起，耦合器的第三端與法布里珀羅解調(diào)儀的輸入端相連，法布里珀羅解調(diào)儀的輸 出端與計算機的輸入端相連。利用基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法為光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器入射到監(jiān)測區(qū)域，鋼軌、橋梁及輪軌之間的運行狀態(tài)將 引起光纖光柵反射波長的變化，將變化的波長信號送入法布里珀羅解調(diào)儀中，法布里珀羅 解調(diào)儀利用波分復(fù)用解調(diào)技術(shù)將監(jiān)測區(qū)域中所有光纖光柵傳感器的反射波長的變化信號 解調(diào)出來傳遞至計算機，計算機依據(jù)反射波長的變化情況，判斷鋼軌無縫焊接處的斷裂情 況、列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況、由溫度導(dǎo)致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變情況和 橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，提供給用戶，并適時發(fā)出警告信息。光纖光柵(fiber Bragg grating FBG)傳感器有免受電磁干擾、體積小(對監(jiān)測 物結(jié)構(gòu)幾乎無任何影響)，重量輕(粘貼在被測物體表面幾乎不會對物體的結(jié)構(gòu)、性能產(chǎn)生 任何影響)，壽命長(> 20年)，靈敏度高，可利用波長編碼，不受光強度波動影響，單根光 纖可實現(xiàn)大量光纖光柵傳感器的復(fù)用，實現(xiàn)對車輛的應(yīng)變、溫度、振動等信息同時監(jiān)測，易 于組網(wǎng)，光纖可延深長度達IOOkm等優(yōu)點。這些優(yōu)點使其成為重載運輸線路安全監(jiān)測的最 理想傳感材料。 本發(fā)明適用于重載運輸線路在線監(jiān)測，用本發(fā)明的裝置和方法監(jiān)測重載運輸線路 可實現(xiàn)高精度、抗電磁干擾、耐腐蝕、在線高速監(jiān)測。本發(fā)明利用在鐵路線路及橋梁上鋪設(shè) 的各種類型光纖光柵傳感器，及綜合分析由各個傳感器得到的測量結(jié)果，可實現(xiàn)以下內(nèi)容 的監(jiān)測鋼軌無縫焊接處的斷裂情況監(jiān)測；列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況監(jiān)測；由溫度 導(dǎo)致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變的監(jiān)測；橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測；通過將橋梁與鋼 軌上鋪設(shè)的傳感器串聯(lián)，形成一體化的傳感器網(wǎng)絡(luò)，使橋梁和鐵路共用一套監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn) 重載鐵路線路安全監(jiān)測的智能化管理，降低了監(jiān)測成本。


圖1為基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載鐵路運輸線路安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為 法布里珀羅解調(diào)儀11的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖1說明本實施方式，基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路 安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，它包括光源1、耦合器2、n個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5、i個鋼軌光纖 光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8、m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器10、法布里珀羅 解調(diào)儀11、計算機12，η個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5、i個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組 合傳感器8和m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器10通過傳輸光纖3串連在一起組 成監(jiān)測區(qū)域7，其中i、m、n為偶數(shù)，每兩個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5組成一對鋼軌光纖光 柵應(yīng)變傳感器組對，共η/2對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5組對，每兩個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和 加速度組合傳感器8組成一對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8組對，共i/2對鋼 軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8組對，每兩個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器 10組成一對橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器10組對，共m/2對橋梁光纖光柵應(yīng)變和 溫度組合傳感器10組對，每對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5組對采用粘貼的方法對稱的沿鋼 軌方向固定在鋼軌無縫焊接處，每對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8組對對稱的 沿鋼軌方向固定在左右鋼軌位于兩根軌枕之間的一段鋼軌的軌腰處，每對橋梁光纖光柵應(yīng) 變和溫度組合傳感器10組對對稱的沿橋梁方向固定在橋梁主梁有代表性的斷面底部受力 點，光源1與耦合器2的一端通過傳輸光纖3連接在一起，耦合器2的另一端與監(jiān)測區(qū)域7 通過傳輸光纖3連接在一起，耦合器2的第三端與法布里_珀羅解調(diào)儀11的輸入端相連， 法布里_珀羅解調(diào)儀11的輸出端與計算機12的輸入端相連。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一的不同之處在于η個鋼軌光纖光 柵應(yīng)變傳感器5、i個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8、m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫 度組合傳感器10具有不同反射波長，光源1為寬帶光源。寬帶光源1的光信號波段足夠?qū)捒梢愿采wη個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5、i個鋼 軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8、m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器10的反 射波長和每一個光纖光柵傳感器的波長偏移量，每兩個光纖光柵傳感器之間的波長間隔比 反射信號的波長中允許的最大偏載值的偏移量還要大，這樣反射波長不會有重疊的部分。
具體實施方式
三結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一或二 的不同之處在于法布里-珀羅解調(diào)儀11由可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器13、鋸齒波信號 發(fā)生裝置14、光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波調(diào)整電路15、數(shù)據(jù)采集裝置16組成，所述可調(diào)諧光纖法 布里珀羅濾波器13的一個信號輸入端用于接收法布里_珀羅解調(diào)儀11外部的輸入信號， 可調(diào)諧光纖法布里_珀羅濾波器13的另一個信號輸入端與鋸齒波信號發(fā)生裝置14的一個 信號輸出端相連，可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器13的信號輸出端與光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波 調(diào)整電路15的信號輸入端相連，光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波調(diào)整電路15的信號輸出端與數(shù)據(jù)采 集裝置16的一個信號輸入端相連，鋸齒波信號發(fā)生裝置14的另一個信號輸出端與數(shù)據(jù)采 集裝置16的另一個信號輸入端相連，數(shù)據(jù)采集裝置16的信號輸出端用于向法布里-珀羅 解調(diào)儀11外部發(fā)送輸出信號。
外界引起的應(yīng)變、溫度變化和加速度使具有不同反射波長的光纖光柵傳感器的反
射波長發(fā)生漂移，從各個光纖光柵傳感器反射回來的具有不同波長W........An+m+i
的光信號進入可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器13，鋸齒波信號發(fā)生裝置14在法布里-珀羅 腔的壓電體上施加鋸齒波掃描電壓，調(diào)節(jié)法布里-珀羅腔的間隔，不同掃描電壓對應(yīng)法布 里-珀羅腔透射光的波長不同，這樣就使多個光纖光柵傳感器同一時刻反射回來的不同波 長的光信號在同一掃描周期的不同時刻通過法布里-珀羅腔，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波 調(diào)整電路15將光脈沖轉(zhuǎn)換為時序電脈沖信號，與鋸齒波掃描電壓信號一起進入數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)16采集數(shù)據(jù)后送入計算機12，進行信號處理，最終得到被測信息。鋸齒波信號發(fā)生裝 置14發(fā)出的鋸齒波掃描電壓對法布里_珀羅腔的掃描速度可以達到2 KHz，完全能夠?qū)﹁F 路線路的車輪、鋼軌故障產(chǎn)生的振動信號進行監(jiān)測。
具體實施方式
四結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是利用具體實施方式
一 中所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測的方法光源1發(fā) 出的光經(jīng)過耦合器2入射到監(jiān)測區(qū)域7，鋼軌、橋梁及輪軌之間的運行狀態(tài)將引起光纖光柵 反射波長的變化，將變化的波長信號送入法布里_珀羅解調(diào)儀U中，法布里_珀羅解調(diào)儀 11利用波分復(fù)用解調(diào)技術(shù)將監(jiān)測區(qū)域7中所有光纖光柵傳感器的反射波長的變化信號解 調(diào)出來傳遞至計算機12，計算機12依據(jù)反射波長的變化情況，判斷鋼軌無縫焊接處的斷裂 情況、列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況、由溫度導(dǎo)致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變情況 和橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，提供給用戶，并適時發(fā)出警告信息。所述運行狀態(tài)包括應(yīng)力、振動、溫度狀態(tài)。
具體實施方式
五本實施方式是對具體實施方式
四中判斷鋼軌無縫焊接處的斷裂 情況方法的進一步說明計算機12通過監(jiān)測每個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5反射波長的變 化信息，判斷每個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5所在的鋼軌的無縫焊接處是否出現(xiàn)裂縫如 果鋼軌的無縫焊接處有裂縫，則重載列車經(jīng)過此處時，裂縫處會使鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感 器5產(chǎn)生的軸向應(yīng)變比正常情況增大，導(dǎo)致光纖光柵反射波長產(chǎn)生非正常漂移，通過比較 每個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5對每個車輪的監(jiān)測結(jié)果來判斷鋼軌的無縫焊接處是否出 現(xiàn)斷裂，在車輪通過任意鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器5時，如果所有車輪在此處都產(chǎn)生了非 正常波長漂移，則可判斷此處鋼軌的無縫焊接處產(chǎn)生了斷裂；如果僅部分車輪在此處產(chǎn)生 了非正常波長漂移，則可判斷可能是車輪踏面產(chǎn)生了損傷，如果所有車輪在此處都沒有產(chǎn) 生非正常波長漂移，則可判斷此處鋼軌的無縫焊接處沒有斷裂。
具體實施方式
六本實施方式是對具體實施方式
四中判斷列車車輪及鋼軌、路基 的傷病情況方法的進一步說明計算機12監(jiān)測每個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感 器8反射波長的變化信息，所述反射波長變化信息包括車輪接觸鋼軌時對鋼軌產(chǎn)生的沖擊 力和車輪和鋼軌接觸發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的振動信號，所述車輪接觸鋼軌時對鋼軌產(chǎn)生的沖 擊力是由鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8中的光纖光柵應(yīng)變傳感器記錄的，所述 車輪和鋼軌接觸發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的振動信號是由鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感 器8中的光纖光柵加速度傳感器記錄的，對檢測到的振動信號進行頻譜及功率譜分析，如 果鋼軌、列車車輪或路基出現(xiàn)損傷，則重載列車經(jīng)過此處時，鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組 合傳感器8的測量結(jié)果與無損傷情況會有不同，光纖光柵應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的軸向應(yīng)變會增 大，光纖光柵加速度傳感器產(chǎn)生的頻譜及功率譜會出現(xiàn)異常，通過鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8出現(xiàn)的這種非正常差異判斷列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況如果重 載列車的每個輪子在此處通過時都產(chǎn)生了異常，則可判斷此處鋼軌出現(xiàn)了損傷；如果列車 的某個輪子通過每個傳感器時都出現(xiàn)這種異常，則可判斷此車輪出現(xiàn)了損傷；如果列車的 每組輪對通過鋼軌左右兩側(cè)鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8時，兩側(cè)的鋼軌光纖 光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8都出現(xiàn)了異常，預(yù)示著此處路基出現(xiàn)了損傷。通過上述分析就可以根據(jù)具體情況區(qū)分是鋼軌、列車車輪還是路基出現(xiàn)了問題。 從以上三方面監(jiān)測鋼軌、車輪、路基的損傷情況，從而預(yù)測脫軌的可能性，防止事故發(fā)生。同 時，利用鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器8還可以判斷路基病害，如軌道扣件松動、 軌枕偏移、路基下沉、松軟、翻漿等情況。
具體實施方式
七本實施方式是對具體實施方式
四中判斷由溫度導(dǎo)致的鋼軌熱脹 冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變情況方法的進一步說明在無列車通過時，利用鋼軌光纖光柵應(yīng)變和 加速度組合傳感器8中的光纖光柵應(yīng)變傳感器對由溫度導(dǎo)致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部 應(yīng)變進行實時準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測，依據(jù)無縫鋼軌熱脹冷縮轉(zhuǎn)換成溫度應(yīng)力的力學(xué)模型，通過確定 鋼軌的內(nèi)應(yīng)變情況，判斷因溫度膨脹導(dǎo)致列車脫軌的可能性。
具體實施方式
八結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
四中 判斷橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)方法的進一步說明利用橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器 10對重載鐵路沿線橋梁的主要受力構(gòu)件9進行監(jiān)測。
權(quán)利要求
基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它包括光源(1)、耦合器(2)、n個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)、i個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)、m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)、法布里珀羅解調(diào)儀(11)、計算機(12)，n個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)、i個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)和m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)通過傳輸光纖(3)串連在一起組成監(jiān)測區(qū)域(7)，其中i、m、n為偶數(shù)，每兩個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)組成一對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器組對，共n/2對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)組對，每兩個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)組成一對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)組對，共i/2對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)組對，每兩個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)組成一對橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)組對，共m/2對橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)組對，每對鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)組對采用粘貼的方法對稱的沿鋼軌方向固定在鋼軌無縫焊接處，每對鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)組對對稱的沿鋼軌方向固定在左右鋼軌位于兩根軌枕之間的一段鋼軌的軌腰處，每對橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)組對對稱的沿橋梁方向固定在橋梁主梁有代表性的斷面底部受力點，光源(1)與耦合器(2)的一端通過傳輸光纖(3)連接在一起，耦合器(2)的另一端與監(jiān)測區(qū)域(7)通過傳輸光纖(3)連接在一起，耦合器(2)的第三端與法布里珀羅解調(diào)儀(11)的輸入端相連，法布里-珀羅解調(diào)儀(11)的輸出端與計算機(12)的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特 征在于n個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)、i個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)、 m個橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)具有不同反射波長，光源(1)為寬帶光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特 征在于法布里珀羅解調(diào)儀(11)由可調(diào)諧光纖法布里珀羅濾波器(13)、鋸齒波信號發(fā)生裝 置(14)、光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波調(diào)整電路(15)、數(shù)據(jù)采集裝置(16)組成，所述可調(diào)諧光纖法 布里珀羅濾波器(13)的一個信號輸入端用于接收法布里珀羅解調(diào)儀(11)外部的輸入信 號，可調(diào)諧光纖法布里珀羅濾波器(13)的另一個信號輸入端與鋸齒波信號發(fā)生裝置(14) 的一個信號輸出端相連，可調(diào)諧光纖法布里珀羅濾波器(13)的信號輸出端與光電轉(zhuǎn)換、放 大、濾波調(diào)整電路(15)的信號輸入端相連，光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波調(diào)整電路(15)的信號輸出 端與數(shù)據(jù)采集裝置(16)的一個信號輸入端相連，鋸齒波信號發(fā)生裝置14的另一個信號輸 出端與數(shù)據(jù)采集裝置(16)的另一個信號輸入端相連，數(shù)據(jù)采集裝置(16)的信號輸出端用 于向法布里珀羅解調(diào)儀(11)外部發(fā)送輸出信號。
4.利用權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān) 測方法，其特征在于光源(1)發(fā)出的光經(jīng)過耦合器(2)入射到監(jiān)測區(qū)域(7)，鋼軌、橋梁及輪 軌之間的運行狀態(tài)將引起光纖光柵反射波長的變化，法布里珀羅解調(diào)儀(11)接收從監(jiān)測 區(qū)域(7)傳遞的反射波長的變化信號，利用波分復(fù)用解調(diào)技術(shù)將監(jiān)測區(qū)域(7)中所有光纖 光柵傳感器傳感的反射波長的變化信號解調(diào)出來傳遞至計算機(12)，計算機(12)依據(jù)反 射波長的變化情況，判斷鋼軌無縫焊接處的斷裂情況、列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況、 由溫度導(dǎo)致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變情況和橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，提供給用戶，并 適時發(fā)出警告信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測方法，其特 征在于判斷鋼軌無縫焊接處的斷裂情況方法具體為計算機(12)通過監(jiān)測每個鋼軌光纖 光柵應(yīng)變傳感器(5)反射波長的變化信息，判斷每個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)所在的 鋼軌的無縫焊接處是否出現(xiàn)裂縫如果鋼軌的無縫焊接處有裂縫，則重載列車經(jīng)過此處時， 裂縫處會使鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)產(chǎn)生的軸向應(yīng)變比正常情況增大，導(dǎo)致光纖光柵 反射波長產(chǎn)生非正常漂移，通過比較每個鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)對每個車輪的監(jiān)測 結(jié)果來判斷鋼軌的無縫焊接處是否出現(xiàn)斷裂，在車輪通過任意鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器 (5)時，如果所有車輪在此處都產(chǎn)生了非正常波長漂移，則可判斷此處鋼軌的無縫焊接處產(chǎn) 生了斷裂；如果僅部分車輪在此處產(chǎn)生了非正常波長漂移，則可判斷可能是車輪踏面產(chǎn)生 了損傷，如果所有車輪在此處都沒有產(chǎn)生非正常波長漂移，則可判斷此處鋼軌的無縫焊接 處沒有斷裂。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測方法，其 特征在于判斷列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況方法具體為計算機(12)監(jiān)測每個鋼軌光 纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)反射波長的變化信息，所述反射波長變化信息包括車 輪接觸鋼軌時對鋼軌產(chǎn)生的沖擊力和車輪和鋼軌接觸發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的振動信號，所述 車輪接觸鋼軌時對鋼軌產(chǎn)生的沖擊力是由鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)中 的光纖光柵應(yīng)變傳感器記錄的，所述車輪和鋼軌接觸發(fā)生碰撞時所產(chǎn)生的振動信號是由鋼 軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)中光纖光柵加速度傳感器記錄的，對監(jiān)測到的振 動信號進行頻譜及功率譜分析，如果鋼軌、列車車輪或路基出現(xiàn)損傷，則重載列車經(jīng)過此處 時，鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)的測量結(jié)果與無損傷情況會有不同，光纖 光柵應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的軸向應(yīng)變會增大，光纖光柵加速度傳感器產(chǎn)生的頻譜及功率譜會出 現(xiàn)異常，通過鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)出現(xiàn)的這種非正常差異判斷列車 車輪及鋼軌、路基的傷病情況如果重載列車的每個輪子在此處通過時都產(chǎn)生了異常，則可 判斷此處鋼軌出現(xiàn)了損傷；如果列車的某個輪子通過每個傳感器時都出現(xiàn)這種異常，則可 判斷此車輪出現(xiàn)了損傷；如果列車的每組輪對通過鋼軌左右兩側(cè)鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速 度組合傳感器(8)時，兩側(cè)的鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)組合都出現(xiàn)了異 常，預(yù)示著此處路基出現(xiàn)了損傷。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測方法，其 特征在于判斷由溫度導(dǎo)致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變情況方法具體為在無列車通過 時，利用鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器(8)中的光纖光柵應(yīng)變傳感器對由溫度導(dǎo) 致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變進行實時準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測，依據(jù)無縫鋼軌熱脹冷縮轉(zhuǎn)換成溫 度應(yīng)力的力學(xué)模型，通過確定鋼軌的內(nèi)應(yīng)變情況，判斷因溫度膨脹導(dǎo)致列車脫軌的可能性。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測方法，其特 征在于利用橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器(10)對重載鐵路沿線橋梁的主要受力構(gòu) 件(9)進行監(jiān)測。
全文摘要
基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)和方法，它涉及光纖傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。克服了現(xiàn)有重載鐵路運輸線路安全監(jiān)測技術(shù)方法存在精度低、成本高、不便于實時在線監(jiān)測的問題。鋼軌光纖光柵應(yīng)變傳感器、鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器和橋梁光纖光柵應(yīng)變和溫度組合傳感器通過傳輸光纖串連在一起組成監(jiān)測區(qū)域，光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器入射到監(jiān)測區(qū)域，當(dāng)重載列車通過監(jiān)測區(qū)域的鋼軌時，輪軌之間的運行狀態(tài)將引起光纖光柵反射波長的變化，計算機依據(jù)反射波長的變化情況，判斷鋼軌無縫焊接處的斷裂情況、列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況、由溫度導(dǎo)致的鋼軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變情況和橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。本發(fā)明適用于重載運輸線路在線監(jiān)測。
文檔編號B61K9/10GK101830237SQ20101030046
公開日2010年9月15日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者劉盛春, 張麗瑩 申請人:黑龍江大學(xué)