一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法及系统，包括：在设置于无缝线路钢轨上的光纤上设置传感组件，其包括：第一谐振腔和第二谐振腔，第一谐振腔的对称轴与第二谐振腔的腔长方向平行；获取光纤在不同时刻输出的两组反射光信号；从两组反射光信号中分别提取每个传感组件对应的自由光谱区光信号，计算每个传感组件中第一谐振腔和第二谐振腔的腔长变化率；根据该两个谐振腔的腔长变化率，计算该传感组件所在位置处的纵向力和附加力，根据纵向力和附加力，计算该位置处的温度力。本发明专利技术可提高无缝线路钢轨纵向力测试的准确性，简化传感组件的制作工艺和布设方式，实现附加力和温度力的分离。

【技术实现步骤摘要】
一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法及系统
本专利技术涉及轨道交通
，尤其涉及一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法及系统。
技术介绍
为了保证无缝线路钢轨及其所在的桥梁安全，往往需要测试钢轨在纵向上承受的纵向力，该纵向力包括在温度作用下所承受的基本温度力和在轨道与桥梁相互作用下承受的附加力，例如：桥梁伸缩引起梁轨相互作用所产生的附加伸缩力。目前，纵向力主要通过测试基本温度力和附加力得到，一种测试基本温度力和附加力的方式为：通过呈交叉分布的多个光纤光栅测试轨道的纵向上的附加应变和与纵向正交的方向上的温度应变，然后，基于温度应变计算基本温度力，基于附加应变计算附加力。然而，由于纵向力的测试误差与温度升高存在正相关性，会导致基于温度应变测试纵向力不准确，另外，在轨道上的一个测试位置需要布设不同功能的光纤光栅，提高了光纤光栅的布设难度，降低了对基本温度力和附加力进行分离测试的成功率，且难以高效地对轨道不同测试位置上的纵向力进行分布式测试。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法及系统。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：依据本专利技术的第一方面，提供了一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法，包括：步骤1、在设置于所述无缝线路钢轨上的光纤上设置依次串联的所述多个传感组件，每个所述传感组件包括：所述第一谐振腔和所述第二谐振腔，所述第一谐振腔的对称轴与所述第二谐振腔的腔长方向平行；步骤2、获取所述光纤在不同时刻输出的两组反射光信号；步骤3、从一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第一自由光谱区光信号，以及从另一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第二自由光谱区光信号；步骤4、根据每个所述传感组件对应的所述第一自由光谱区光信号和所述第二自由光谱区光信号，分别计算该传感组件中所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的腔长变化率，并根据所述腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力；步骤5、根据每个所述传感组件中所述第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的附加力，并根据所述无缝线路钢轨上每个所述传感组件所在位置处的所述纵向力和所述附加力，计算得到该位置处的温度力。上述进一步方案的有益效果是：在光纤上设置串联的多个传感组件，且每一个传感组件中的第一谐振腔的对称轴与第二谐振腔的腔长方向平行，传感组件布设工艺简单。其次，在不同时刻分别向光纤输入一组光载波信号，获取其中两组光载波信号对应的反射光信号，反射光信号携带有多个传感组件中第一谐振腔和第二谐振腔的腔长变化信息，基于该腔长变化信息计算纵向力，这相比于传统的基于温度应变计算纵向力的方式，降低了纵向力的测试误差，且该方法适用于无缝线路钢轨的固定区和伸缩区，应用范围广，同时提升了整个无缝线路钢轨的纵向力测试效率。另外，基于第二谐振腔对应的腔长变化率计算附加力，进而利用附加力和纵向力，计算第二谐振腔对应位置处的温度力，实现了无缝线路钢轨上附加力和温度力的分离测试。进一步地，所述第一谐振腔呈圆弧状，所述第二谐振腔呈准直状。上述进一步方案的有益效果是：通过在直线形光纤上蚀刻三个光纤光栅，形成了两个光纤段，每个光纤段构成一个谐振腔，其中一个呈圆弧状，另一个呈现准直状，简化谐振腔的结构和制作工艺，可提高无缝线路钢轨上附加力和温度力的分离效率和精度。进一步，所述步骤3包括：步骤3.1、将每个所述传感组件对应的所述第一自由光谱区光信号和所述第二自由光谱区光信号分别对应转换为第一自由光谱和第二自由光谱；步骤3.2、从该第一自由光谱中分别提取该传感组件中第一谐振腔对应的第一预设分自由光谱和第二谐振腔对应的第二预设分自由光谱，以及分别从该第二自由光谱中分别提取所述第一预设分自由光谱对应的第一分自由光谱和所述第二预设分自由光谱对应的第二分自由光谱；步骤3.3、计算并根据所述第一预设分自由光谱和所述第一分自由光谱的波长范围差值，得到该第一谐振腔对应的腔长变化率，以及计算并根据所述第二预设分自由光谱和所述第二分自由光谱的波长范围差值，得到该第二谐振腔对应的腔长变化率；步骤3.4、根据该第一谐振腔对应的腔长变化率和该第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力。上述进一步方案的有益效果是：将每一传感组件对应的自由光谱区光信号转换为空间域上的自由光谱，从自由光谱中提取该传感组件中第一谐振腔和第二谐振腔对应的分自由光谱，基于分自由光谱的波长范围差值，分别计算两个谐振腔的腔长变化率，在保证计算精度的基础上，简化了腔长变化率的计算方式。进一步，所述步骤3中，所述根据该第一谐振腔对应的腔长变化率和该第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力的计算公式如下：其中，FZ为所述纵向力，E为钢轨弹性模量，A为钢轨截面面积，μ为泊松比，R1为该第一谐振腔对应的腔长变化率，R2为该第二谐振腔对应的腔长变化率。上述进一步方案的有益效果是：通过弹性应变算法，校正双向应变算法中的系数，得到计算公式中的系数2，利用该计算公式计算纵向力，提高纵向力的计算精度。进一步，所述步骤4包括：步骤4.1、根据每个所述传感组件中所述第二谐振腔对应的腔长变化率、钢轨弹性模量和钢轨截面面积，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的附加力，所述附加力的计算公式如下：Ff＝EAR2其中，Ff为所述附加力，E为钢轨弹性模量，A为钢轨截面面积，R2为该第二谐振腔对应的腔长变化率；步骤4.2、根据所述无缝线路钢轨上每个所述传感组件所在位置处的所述纵向力和所述Ff，计算该位置处的温度力，所述温度力的计算公式如下：Ft＝Fz-Ff其中，Ft为所述温度力，FZ为所述纵向力。上述进一步方案的有益效果是：基于第二腔长变化率和无缝线路钢轨的两个系数计算附加力，提高附加力的计算精度。另外，基于纵向力和附加力，计算得到温度力，实现温度力和附加力的精确分离。依据本专利技术的第二方面，提供了一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试系统，包括：光耦合器、光谱仪、处理器和设置于所述无缝线路钢轨上的光纤，其特征在于，所述光纤上设置依次串联的所述多个传感组件，每个所述传感组件包括：所述第一谐振腔和所述第二谐振腔，所述第一谐振腔的对称轴与所述第二谐振腔的腔长方向平行；所述光耦合器，用于获取所述光纤在不同时刻输出的两组反射光信号并传输至所述光谱仪；所述光谱仪，用于从一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第一自由光谱区光信号，以及从另一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第二自由光谱区光信号；所述处理器，用于根据每个所述传感组件对应的所述第一自由光谱区光信号和所述第二自由光谱区光信号，分别计算该传感组件中所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的腔长变化率，并根据所述腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力；根据每个所述传感组件中所述第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的附加力，并根据所述无缝线路钢轨上每个所述传感组件所在位置处的所述纵向力和所述附加力，计算得到该位置处的温度力。本专利技术的有益效果是：在光纤上设置串联的多个传感组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法，其特征在于，包括：步骤1、在设置于所述无缝线路钢轨上的光纤上设置依次串联的所述多个传感组件，每个所述传感组件包括：所述第一谐振腔和所述第二谐振腔，所述第一谐振腔的对称轴与所述第二谐振腔的腔长方向平行；步骤2、获取所述光纤在不同时刻输出的两组反射光信号；步骤3、从一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第一自由光谱区光信号，以及从另一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第二自由光谱区光信号；步骤4、根据每个所述传感组件对应的所述第一自由光谱区光信号和所述第二自由光谱区光信号，分别计算该传感组件中所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的腔长变化率，并根据所述腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力；步骤5、根据每个所述传感组件中所述第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的附加力，并根据所述无缝线路钢轨上每个所述传感组件所在位置处的所述纵向力和所述附加力，计算得到该位置处的温度力。

【技术特征摘要】
1.一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法，其特征在于，包括：步骤1、在设置于所述无缝线路钢轨上的光纤上设置依次串联的所述多个传感组件，每个所述传感组件包括：所述第一谐振腔和所述第二谐振腔，所述第一谐振腔的对称轴与所述第二谐振腔的腔长方向平行；步骤2、获取所述光纤在不同时刻输出的两组反射光信号；步骤3、从一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第一自由光谱区光信号，以及从另一组所述反射光信号中提取每个所述传感组件对应的第二自由光谱区光信号；步骤4、根据每个所述传感组件对应的所述第一自由光谱区光信号和所述第二自由光谱区光信号，分别计算该传感组件中所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的腔长变化率，并根据所述腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力；步骤5、根据每个所述传感组件中所述第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的附加力，并根据所述无缝线路钢轨上每个所述传感组件所在位置处的所述纵向力和所述附加力，计算得到该位置处的温度力。2.根据权利要求1所述的一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法，其特征在于，所述第一谐振腔呈圆弧状，所述第二谐振腔呈准直状。3.根据权利要求1所述的一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1、将每个所述传感组件对应的所述第一自由光谱区光信号和所述第二自由光谱区光信号分别对应转换为第一自由光谱和第二自由光谱；步骤3.2、从该第一自由光谱中分别提取该传感组件中第一谐振腔对应的第一预设分自由光谱和第二谐振腔对应的第二预设分自由光谱，以及分别从该第二自由光谱中分别提取所述第一预设分自由光谱对应的第一分自由光谱和所述第二预设分自由光谱对应的第二分自由光谱；步骤3.3、计算并根据所述第一预设分自由光谱和所述第一分自由光谱的波长范围差值，得到该第一谐振腔对应的腔长变化率，以及计算并根据所述第二预设分自由光谱和所述第二分自由光谱的波长范围差值，得到该第二谐振腔对应的腔长变化率；步骤3.4、根据该第一谐振腔对应的腔长变化率和该第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力。4.根据权利要求3所述的一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法，其特征在于，所述步骤3中，所述根据该第一谐振腔对应的腔长变化率和该第二谐振腔对应的腔长变化率，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的纵向力的计算公式如下：其中，FZ为所述纵向力，E为钢轨弹性模量，A为钢轨截面面积，μ为泊松比，R1为该第一谐振腔对应的腔长变化率，R2为该第二谐振腔对应的腔长变化率。5.根据权利要求1-4任一所述的一种无缝线路钢轨温度力和附加力的测试方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤4.1、根据每个所述传感组件中所述第二谐振腔对应的腔长变化率、钢轨弹性模量和钢轨截面面积，计算所述无缝线路钢轨上该传感组件所在位置处的附加力，所述附加力的计算公式如下：Ff＝EAR2其中，Ff为所述附加力，E为钢轨弹性模量，A为钢轨截面面积，R2为该第二谐振腔对应的腔长变化率；步骤4.2、根据所述无缝线路钢轨上每个所述传感组件所在位置处的所述纵向力和所述Ff，计算该位置处的温度力，所述温度力的计算公式如下：Ft＝Fz-Ff其中，Ft为所述温度力，FZ为所述纵向...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢铠泽，李峰，赵维刚，王建西，张广远，张骞，张浩，徐飞，许红彬，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北,13