專利名稱：一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及鐵路無砟道床上的鋼軌位移，或鐵路橋梁簡支梁或連續(xù)梁伸縮位移監(jiān)測技術(shù)領域和光纖光柵傳感技術(shù)領域。具體為一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測
>J-U ρ α裝直。
背景技術(shù)：
鐵路交通運輸在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用，鋼軌和橋梁是鐵路運輸?shù)幕A設施。近年來隨著重載及提速列車的大量開行，以及多條高速鐵路客專線路的在建和開通， 對其基礎設施的監(jiān)控要求也就越來越高，研發(fā)關鍵的技術(shù)手段對其運行狀態(tài)參量進行監(jiān)測，確保其安全運行就顯得極為重要。由于溫差產(chǎn)生的膨脹位移、地質(zhì)的變化、以及行駛的列車等因素都對鋼軌有不同方向的作用力，使得軌道線路上的鋼軌產(chǎn)生不同程度的位移。目前高鐵線路的隧道和橋梁占線路的比例接近過半，橋梁本身和安裝在橋梁上的鋼軌所產(chǎn)生的變形和位移的程度會更大。鋼軌和橋梁梁體的位移直接影響到列車行駛的安全，因此對于這些位移量的監(jiān)測是當今鐵路鋼軌狀態(tài)監(jiān)測不可或缺的一部分。國內(nèi)外專家對這一技術(shù)相當重視，也都采用不同的技術(shù)手段來對其進行測量。例如，通過激光位移計、電容式位移傳感器及視頻成像等手段監(jiān)測位移量，但這些監(jiān)測手段都有不同程度的缺陷，尤其在適應現(xiàn)場惡劣環(huán)境和測量精度等方面。激光位移監(jiān)測需人工操作、測量精度有限、且不能實現(xiàn)自動測量等；電容式位移傳感器因為構(gòu)成傳感器材料的不同存在受溫度影響引起測量誤差，邊緣效應也會使傳感器靈敏度下降和非線性的增加，而且軌旁異物或人的干擾產(chǎn)生寄生電容而導致傳感器特性不穩(wěn)定；視頻成像技術(shù)受環(huán)境污染需擦拭攝像頭及標尺，而且惡劣天氣易損壞設備。光纖光柵傳感技術(shù)最顯著特點是長期穩(wěn)定性好，不會產(chǎn)生電信號傳感器的零點漂移，它為工程的長期監(jiān)測提供了可能。本發(fā)明將光纖傳感技術(shù)應用于位移量監(jiān)測中，通過拉桿裝置改變光纖光柵的柵距，使其反射的中心波長變化來實現(xiàn)對鋼軌位移或鐵路橋梁簡支梁或連續(xù)梁伸縮位移的監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的旨在提供一種長期穩(wěn)定性好、測量準確、安全可靠、耐腐蝕、不受環(huán)境溫度變化影響的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置，即一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測
>J-U ρ α裝直。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置，該裝置由固定夾組件、連接組件、光纖光柵環(huán)形位移傳感組件、拉桿組件和傳感器殼體裝置組成；其中固定夾組件包括鋼軌固定夾和固定夾緊固螺栓，固定夾組件通過鋼軌固定夾夾持于被測鋼軌底部兩側(cè)，通過固定夾緊固螺栓將其緊固；其連接組件包括鋼板、鋼板固定螺栓、固定架固定螺栓、連接鋼索固定架、連接鋼索緊固螺栓、連接鋼索固定螺栓和連接鋼索，其鋼板固定螺栓將鋼板固定于鋼軌固定夾外側(cè)，連接鋼索固定架由固定架固定螺栓定于鋼板外側(cè)，連接鋼索一端由連接鋼索緊固螺栓固定于連接鋼索固定架上，另一端通過連接鋼索固定螺栓固定于拉桿上；所述的光纖光柵環(huán)形位移傳感組件包括第I光纖、第2光纖和剛性圓環(huán)，其第I光纖寫有第I光柵，第2光纖寫有第2光柵，第I光柵和第2光柵為不同波長的兩個光纖光柵構(gòu)成的光纖光柵對，光纖光柵固定鋼管激光焊接于剛性圓環(huán)上，并且呈垂直分布;第I光纖)和第2光纖分別穿過光纖光柵固定鋼管并呈垂直狀態(tài)，使得所述的光纖光柵對處于剛性圓環(huán)圓心處，光纖光柵對粘貼固化在光纖光柵固定鋼管里；剛性圓環(huán)沿第I光纖焊有相對方向的兩個受力臂，其一端固定在傳感器保護盒殼體上，另一端與傳遞位移量的拉桿相連；其光纖光柵環(huán)形位移傳感組件置于傳感器殼體裝置內(nèi)，傳感器殼體裝置由兩對固定腳和四個固定腳固定螺栓固定在無砟軌道的道床上；傳感器殼體裝置由傳感器保護盒和拉桿保護管組成；拉桿組件包括拉桿、連接鋼索固定螺栓和彈簧，彈簧的一端連接在剛性圓環(huán)上，另一端通過拉桿的安裝孔與連接鋼索相連；對于監(jiān)測橋梁簡支梁或連續(xù)梁梁體間伸縮位移，則將連接鋼索固定架和傳感器殼體裝置的固定腳分別固定在橋梁的被測梁體上和基準梁體上。本發(fā)明的監(jiān)測裝置中，所述的第I光纖和第2光纖為有預拉應變狀態(tài)。本發(fā)明的監(jiān)測裝置中，所述的第I光柵的波長大于第2光柵的波長。本發(fā)明的監(jiān)測裝置中，所述的光纖光柵對粘貼固化在光纖光柵固定鋼管里，懸空放置，避免光纖的光柵部分被粘貼而產(chǎn)生光信號的畸變。本發(fā)明的監(jiān)測裝置的監(jiān)測范圍通過改變拉桿、拉桿保護管和彈簧的長度進行調(diào)節(jié),并經(jīng)過精確的位移標定。拉桿是固定在地面上的傳感器殼體的活動零件，安裝時將拉桿固定在位移測量范圍的中點位置上，將連接鋼索的一端固定在拉桿上的安裝孔中，另一端固定在鋼軌上的鋼索固定架的孔中。傳感器殼體裝置是與大地緊固的靜止部件，它提供了位移測量的基準。如果監(jiān)測橋梁的簡支梁或連續(xù)梁的梁體間伸縮位移，則將上述連接鋼軌固定夾和殼體裝置直接固定在橋梁的被測梁體上即可。傳感器殼體裝置由傳感器保護盒和拉桿保護管組成，傳感器保護盒內(nèi)部有光纖光柵環(huán)形位移傳感組件；拉桿保護管內(nèi)有拉桿和彈簧。將彈簧的一端與拉桿相連，另外一端與光纖光柵的剛性圓環(huán)相連接，保證鋼索所受位移的拉力通過拉桿和彈簧傳遞給剛性圓環(huán)， 使剛性圓環(huán)軸向方向受拉力，垂直方向受壓力，從而使得圓環(huán)上的兩根光纖光柵軸向的一根受拉，垂向的一根受壓。本發(fā)明的傳感器采用光纖光柵懸空的方法。將兩根光纖的光柵部分居中，呈垂直分布地粘貼固化于剛性圓環(huán)上，使每根光纖上的光柵位于剛性圓環(huán)圓心位置，避免了光纖的光柵部分被粘貼而產(chǎn)生光信號的啁啾化畸變。并且要求粘貼于剛性圓環(huán)上的兩根光纖受到一定程度的預拉。本發(fā)明的兩支光纖光柵為不同波長的兩個光柵。當鋼軌或橋梁發(fā)生位移時，其位移所產(chǎn)生的力通過鋼索和拉桿傳遞給彈簧，導致彈簧受到拉伸或壓縮，這時和彈簧相連的剛性圓環(huán)也受到拉伸或壓縮，兩根光纖上的光柵一根受拉一根受壓。這樣，兩個光柵的中心波長發(fā)生了相反方向偏移，其波長位移值的疊加便是剛性圓環(huán)的形變量，從而得到被測物體的位移量，波長位移的疊加還抵消了因環(huán)境溫度變化造成的干擾。本發(fā)明涉及的監(jiān)測裝置的測量范圍可通過拉桿、保護管和彈簧的長度進行改變， 并經(jīng)過精確的位移標定。本發(fā)明的特點及優(yōu)點I、本發(fā)明光纖光柵應變傳感器采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，更好地解決了因光纖光柵被粘貼且長期使用而造成的光纖光柵發(fā)生啁啾化而產(chǎn)生光信號畸變，使得傳感器失準的問題，也很好地解決了傳感器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度問題，使得其測量精度長期保持穩(wěn)定、準確，兩個傳感光柵分別受到不同方向的力，它們的波長偏移值疊加后，不但增大了靈敏度，而且抵消了環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的波長偏移；2、因為光纖光柵傳感技術(shù)利用光柵的波長進行監(jiān)測，具有長期可靠的特點，所以其原始位置的零點信號是長期穩(wěn)定的，不會產(chǎn)生零點漂移，這是電信號傳感器所不具備的；3、本發(fā)明采用光纖光柵傳感技術(shù)，可以實現(xiàn)監(jiān)測現(xiàn)場無電信號，并且具有不受電磁干擾的特點，避免了因為現(xiàn)場電信號易被電力機車強電磁場干擾而導致監(jiān)測失準等問題。使得本發(fā)明的監(jiān)測準確性得到保證；4、本發(fā)明的監(jiān)測裝置用鋼軌固定夾和地面固定裝置使得整個裝置分別安裝于鋼軌外側(cè)和無砟道床上，這樣的安裝形式避免了在軌道上進行影響軌道結(jié)構(gòu)的鉆孔或焊接等鐵路部門禁止使用的作業(yè)方式，而且裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡單，不會對高速列車行駛造成影響；5、本發(fā)明的監(jiān)測裝置安裝方便、功能可靠、可擴展性強、適用于橋梁、公路等基礎設施的位移監(jiān)測、使用壽命長、便于維護和保養(yǎng)等。


圖I為本發(fā)明的監(jiān)測裝置安裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的監(jiān)測裝置側(cè)剖面圖。圖中1鋼軌；2鋼軌固定夾；3固定夾緊固螺栓；4鋼板；5鋼板固定螺栓；6固定架固定螺栓；7連接鋼索固定架；8連接鋼索緊固螺栓；9連接鋼索；10連接鋼索固定螺栓；11 拉桿保護管；12固定腳固定螺栓；13固定腳；14傳感器保護盒；15光纖保護孔；16光纜；17 傳感器保護盒緊固螺栓；18_1第I光纖、18-2第2光纖；19剛性圓環(huán)；20_1第I光柵；20_2 第2光柵；21彈簧；22拉桿；23路基道床；24軌枕。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的光纖光柵變形環(huán)的鋼軌位移監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)和安裝方式做進一步說明。如圖1、2所示，該監(jiān)測裝置由固定夾組件、連接組件、光纖光柵環(huán)形位移傳感組件、拉桿組件和傳感器殼體裝置組成。監(jiān)測鋼軌位移時，整個裝置安裝在兩個軌枕24之間。固定夾組件由鋼軌固定夾2和固定夾緊固螺栓3固定于鋼軌I底部兩側(cè)，要求其緊固無松動，以保證位移量測量的準確性。再將鋼板4用鋼板緊固螺栓5固定在鋼軌固定夾2外側(cè)(即鋼軌外側(cè))，并且將連接鋼索固定架7用固定架緊固螺栓6固定于鋼板4外側(cè)。傳感器殼體裝置則使用兩對固定腳13和四個固定腳固定螺栓12固定在被測鋼軌I外側(cè)穩(wěn)固的無砟道床23上，保證了位移測量基準的穩(wěn)定。再將連接鋼索9 一端穿過連接鋼索固定架7上的孔洞，并且使用連接鋼索緊固螺栓8將其緊固；另一端穿入拉桿22內(nèi)，并用連接鋼索固定螺栓10使其緊固。這樣的安裝使得監(jiān)測裝置連接在被測鋼軌I和靜止的道床 23之間，監(jiān)測鋼軌I對靜止大地的位移情況。尤其要注意地是位移傳感器的量程一定要大于實際位移的2倍，并使傳感器裝置內(nèi)的彈簧21受到其量程一半的預拉伸，使得被測物體無論向前后怎樣移動，都能保證在位移監(jiān)測裝置監(jiān)測范圍內(nèi)。而橋梁的位移監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)和安裝更加簡單，單獨將連接鋼索固定架7旋轉(zhuǎn)至安裝面朝下，固定在被測梁上，將傳感器殼體裝置的兩個固定腳13固定在基體梁上即可。位移傳感器的光纖光柵傳感組件的安裝如圖2所示，在傳感器保護盒14內(nèi)，將剛性圓環(huán)19的一個受力臂固定在傳感器保護盒14內(nèi)，將另一個受力臂與拉桿保護管11內(nèi)的彈簧21相連，彈簧21的另一端與拉桿22相連，拉桿22再與連接鋼索9相連，傳遞位移量。 彈簧21受到拉伸或擠壓時作用力能夠有效地傳遞到剛性圓環(huán)19的第I光纖光柵20-1和第2光纖光柵20-2上。當拉桿22拉動彈簧21伸長時，剛性圓環(huán)19的第I光纖光柵20_1 受拉力，第2光纖光柵20-2受壓力；反之，當拉桿22使彈簧21縮短時，剛性圓環(huán)19的第I 光纖光柵20-1受壓力，第2光纖光柵20-2受拉力。第I光纖18-1和第2光纖18_2串聯(lián)后一端懸空或串連到下一個位移傳感器，另一端接入光纜16引出到控制室。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置，其特征在于該裝置由固定夾組件、連接組件、光纖光柵環(huán)形位移傳感組件、拉桿組件和傳感器殼體裝置組成；其中固定夾組件包括鋼軌固定夾(2)和固定夾緊固螺栓(3)，固定夾組件通過鋼軌固定夾(2)夾持于被測鋼軌⑴底部兩側(cè)，通過固定夾緊固螺栓⑶將其緊固；連接組件包括鋼板(4)、鋼板固定螺栓(5)、固定架固定螺栓(6)、連接鋼索固定架(7)、連接鋼索緊固螺栓(8)、連接鋼索固定螺栓(10)和連接鋼索(9)，鋼板固定螺栓(5)將鋼板(4)固定于鋼軌固定夾(2)外側(cè)，連接鋼索固定架(7)由固定架固定螺栓(6)固定于鋼板(4)外側(cè)，連接鋼索(9) 一端由連接鋼索緊固螺栓(8)固定于連接鋼索固定架(7)上，另一端通過連接鋼索固定螺栓(10)固定于拉桿(22)上；光纖光柵環(huán)形位移傳感組件包括第I光纖(18-1)、第2光纖(18-2)和剛性圓環(huán)(19)， 其第I光纖寫有第I光柵(20-1)，第2光纖寫有第2光柵(20-2)，第I光柵(20_1)和第2 光柵(20-2)為不同波長的兩個光纖光柵構(gòu)成的光纖光柵對，光纖光柵固定鋼管激光焊接于剛性圓環(huán)(19)上，并且呈垂直分布；第1光纖(18-1)和第2光纖(18-2)分別穿過光纖光柵固定鋼管并呈垂直狀態(tài)，使得所述的光纖光柵對處于剛性圓環(huán)(19)圓心處，光纖光柵對粘貼固化在光纖光柵固定鋼管里；剛性圓環(huán)(19)沿第I光纖(18-1)焊有相對方向的兩個受力臂，其一端固定在傳感器保護盒(14)殼體上，另一端與傳遞位移量的拉桿(22)相連；光纖光柵環(huán)形位移傳感組件置于傳感器殼體裝置內(nèi)，傳感器殼體裝置由兩對固定腳(13)和四個固定腳固定螺栓(12)固定在無砟軌道的道床(23)上；傳感器殼體裝置由傳感器保護盒(14)和拉桿保護管(11)組成；拉桿組件包括拉桿(22)、連接鋼索固定螺栓(10) 和彈簧(21)，彈簧的一端連接在剛性圓環(huán)(19)上，另一端通過拉桿(22)的安裝孔與連接鋼索(9)相連；對于監(jiān)測橋梁簡支梁或連續(xù)梁梁體間伸縮位移，則將連接鋼索固定架(7)和傳感器殼體裝置的固定腳(13)分別固定在橋梁的被測梁體上和基準梁體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置，其特征在于所述的第I光纖(18-1)和第2光纖(18-2)為有預拉應變狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置，其特征在于所述的第I光柵(20-1)的波長大于第2光柵(20-2)的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置，其特征在于所述的光纖光柵對粘貼固化在光纖光柵固定鋼管里，懸空放置，避免光纖的光柵部分被粘貼而產(chǎn)生光信號的畸變。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置，其特征在于該監(jiān)測裝置的監(jiān)測范圍通過改變拉桿(22)、拉桿保護管(11)和彈簧(21)的長度進行調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種光纖光柵變形環(huán)的鋼軌或橋梁位移監(jiān)測裝置。該裝置由固定夾組件、連接組件、光纖光柵環(huán)形位移傳感組件、拉桿組件和傳感器殼體裝置組成。該裝置部分由固定夾組件固定于鋼軌上或橋梁被測梁體上，另一部分由傳感器殼體固定于無砟道床上或橋梁基準梁體上，兩部分通過連接組件連接。本發(fā)明將兩支不同波長的光纖光柵呈垂直狀態(tài)固化在剛性圓環(huán)上。被測對象產(chǎn)生位移產(chǎn)生的力通過拉桿和彈簧傳遞給剛性圓環(huán)，導致兩支光纖光柵受力相反，中心波長向相反方向偏移，疊加其波長偏移值便得出被測對象的位移量，避免了光柵直接粘貼產(chǎn)生的光信號畸變，抵消了環(huán)境溫度造成的干擾。該裝置適應長期在線監(jiān)測、靈敏、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、便于維修保養(yǎng)。
文檔編號G01B11/02GK102607425SQ20121007241
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者代鑫, 劉芳, 李維來, 潘建軍, 王俊杰, 程健 申請人:武漢理工大學