本发明专利技术公布了一种基于光栅反射谱展宽的高速铁路计轴装置。其工作原理为宽带光源发出的光束经光环行器进入粘贴在铁轨底部的光纤光栅传感器，光纤光栅的反射光经过光环行器进入光电探测器后转换为电信号，进行放大、滤波后由ＡＤＣ进行数模转换，计轴检测器对数字信号整形得到计轴脉冲。本发明专利技术解决了目前铁路计轴装置电磁兼容性差，模拟信号传输距离短等问题，同时相比采用光栅中心波长解调的同类装置，不受环境温度变化的干扰，无需温度补偿措施。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及在轨道交通领域利用铁轨应变不均勻分布导致的光纤光栅反射谱展 宽效应实现列车计轴的技术。
技术介绍
计轴装置又称计轴器，用以检测列车通过铁路上某一点(计轴点)的车轴数，以检 查两个计轴点之间或轨道区段内的空间情况，或判定列车通过计轴点的时间，自动校正列 车行驶里程等的设备。19世纪60年代，德国开始探索用计轴方式检测列车占用轨道区段的 技术，但直到20世纪50年代中期，轨道计轴器才在联邦德国正式使用。此后，欧洲，越南， 中国台湾使用计轴器，中国内地铁路传统上使用轨道电路和应答器，目前在部分既有线路 上也在使用计轴器来代替轨道电路。计轴器由传感器、计数比较器等部分组成。当车辆轴 数的信息需要远距离传输时，计轴器还需采用传输设备(王更生，“一种新型智能型计轴传 感器的研制”，传感器与仪器仪表，2009年第25卷第1期)。早期使用的传感器一般是机械式，目前一般采用电磁式。电磁式传感器由磁头、发 送器、接收器三部分组成。磁头有一个发送线圈和一个接收线圈分别装在钢轨的两侧。发送 器向磁头的发送线圈馈送较高频率的电流，使其周围产生交变磁场，并通过空气、钢轨、扣 件等不同介质环链到磁头的接收线圈，感应出交流电压。车轴通过磁头时，车轮的屏蔽作用 和轮缘的扩散作用，使环链到磁头的接收线圈的磁通量发生变化，并使感应电压显著降低。 接收器将这个变化的感应电压转换成车轴电脉冲信号。计数比较器主要由计数器、鉴别器、 比较器组成。现有计轴装置普遍采用的电磁轨道传感器(车轮传感器)，导致传感器部分对电 磁兼容要求较高，易受导体干扰(单轴小车，轨道上行人)而产生“+_1轴”现象。传感器的 轨道部分与高频信号收发端受信号传输距离限制，一般在10米以内，导致轴检测盒(高频 EAK)必须安置在室外靠近计轴点的轨道处，从而在供电，防雷，检修等方面造成诸多不便， 需要单独的APS电源，高标准的防雷保护。从传感器得到的信息经初步处理后，以FSK的方 式通过四芯传输电缆发送回室内的计轴主机，在线路上有需要进行防雷保护。总之，使用电 磁轨道传感器导致需要对系统的前端处理及信号传输中进行严格的防雷保护，电磁电容设 计，单独的供电，检修也不方便。电磁制动用在高速列车上(最大速度大于160km/h)。有一些体积很大的金属片安 装在车辆的转向架上，距钢轨几个厘米之上。它们有时被计轴装置错误地检测到，并认为是 其它的车轴。这可能仅发生轨道的一边，因为磁域的弯曲，轨道几何尺寸的缺陷等等，导致 信号系统混乱甚至需要复位检测的记忆。为了克服电磁传感器(车轮传感器)的缺点，采用电子应变传感器捕捉列车驶过 时在铁轨上产生的应变扰动进而得到计轴脉冲的计轴装置被证明可以克服采用电磁轨道 传感器的计轴装置易受干扰的缺点，而且可以对列车轮重的测量。光纤光栅传感器在传感领域得到了广泛的重视，光纤光栅具有几个突出主要优点1)光的频率数量级为THz，其频带范围很宽，动态范围很大，不受电磁场干扰；2)信号采 用波长编码，不受光源强度的起伏、光纤微弯损耗引起的随机起伏和耦合损耗等因素的影 响，对环境干扰不敏感；3)光纤光栅的材料是二氧化硅，具有较强的耐腐蚀能力；4)自定标 和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用；芯径细且柔韧，易于布设；5)易于实现大面 积分布式测量。使用光纤光栅传感器代替电子应变传感器可以大大提高对应变的灵敏度， 对恶劣环境的适应能力也大大提高，在冰、雨、雪和潮湿气候时都能正常工作。传统的光纤 光栅传感器是通过探测光纤光栅中心反射波长的变化来测量外部应变的。光纤光栅存在的 温度一应变交叉敏感现象中心反射波长受温度、应变的双重影响。在应变测量中温度变化 引起的中心反射波长漂移被视为一种干扰，必须通过温度补偿措施来消除温度干扰。这就 增加了光纤光栅计轴装置的结构复杂性，系统的成本也大大增加。采用波长扫描的解调方 式扫描速度有限，无法满足捕捉高速铁路(> 160km/h)中列车轮产生的高速应变扫描信号 (> 80hz)的要求。总的来讲，基于铁轨应变检测技术的铁路计轴装置，可以消除电磁计轴装置的 “+_1轴”现象，抗干扰。使用光纤光栅的计轴装置在可靠性、灵敏度、电磁兼容性上都有所提 高，但是波长解调的方式易受温度波动的干扰，解调速度慢，成本高。因此本专利技术的目的就 是将基于光纤光栅反射谱展宽的技术引入到计轴装置的设计中，得到一种不受温度干扰， 成本低廉，适合高速铁路需要的计轴装置。
技术实现思路
本专利技术的内容是提供一种基于光纤光栅反射谱展宽技术的高速铁路计轴装置，以 克服现有计轴装置易受外界电磁、温度干扰的问题。本专利技术的目的是通过以下手段实现 的基于光栅反射谱展宽的高速铁路计轴装置，由宽带光源、光纤接线盒、粘贴在铁轨 特定位置的光纤光栅、计轴检测器和链接在光纤光栅与计轴检测器之间的光环形器组成； 所述计轴检测器包含光电探测器、跨阻放大器、放大电路、低通滤波电路、A/D转换模块、运 算器及通信接口。工作方式对列车进行计轴由宽带光源(ASE或者SLED)发出的宽带光束由光环行 器(端口 1_>端口 2)进入粘贴在铁轨特定位置底部的光纤光栅，光线光栅反射光由光环行 器(端口 2->端口 3)进入光电探测器，转换为电信号后进行放大、滤波、A/D转换后，由MCU 或DSP构成的计轴检测器对数字信号进行整形得到计轴脉冲。列车车轮驶过粘贴光线光栅传感器的铁轨时，会在铁轨底部产生扫描应变，其中 引起光纤光栅反射谱改变的铁轨长度方向的轴向应变在轮轨接触点处最大，向两边逐渐减 小。由光纤光栅啁啾化传感理论可知，当外界温度或轴向应变在光纤光栅栅区尺寸内呈不 均勻分布时，光线光栅反射谱的中心波长变化的同时，反射谱的带宽也随之增加。光纤光栅 反射谱带宽变化量可近似为与光栅栅区最大温度梯度或应变梯度呈线性关系。在光纤光栅 反射谱展宽时，最大反射率有所下降，反射光光强随带宽增大而增加。在实际使用中，环境 温度在光栅栅区尺寸内呈均勻分布，铁轨轴向应变在没有列车车轮驶过时分布均勻，当列 车车轮驶过时引起铁轨轴向应变呈梯形分布，反射光光强也随之增大。从光纤光栅反射光 强度信号中可以得到列车驶过车轮的数目、轮重等信息。4本专利技术采用基于光纤光栅反射谱展宽的强度解调方式，光线光栅反射谱须为宽带 光源光功率谱平坦区内。光强变化最大值与栅区内轴向应变梯度差呈正比，光纤光栅布设 在恰当位置以保证系统的灵敏度。附图说明如下图1为本专利技术结构示意图。图2为本专利技术现场实施方式框图。图3为本专利技术计轴检测器的组成结构框图。图4为本专利技术光纤光栅布设处铁轨应变分布曲线图。图5为本专利技术光纤光栅反射谱光谱图。图6为本专利技术实施轮重测量的光强一轮重关系曲线图。图7为本专利技术计轴检测器计轴运算程序流程图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。图1是本专利技术实施的一个典型装置图，宽带光源101发出的光束经光环行器(端 口 1->端口 2) 102进入粘贴在铁轨特定位置的光纤光栅传感器103，光纤光栅的反射光经过 光环形器(端口 2->端口 3)进入计轴检测器104，对反射光光强信号处理得到计轴信息。本专利技术在铁路现场的实施方式如图2所示。由宽带光源201发出的宽谱光束经光 纤接线盒202进入本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于光栅反射谱展宽的高速铁路计轴装置，其特征是：由宽带光源、光纤接线盒、粘贴在铁轨特定位置的光纤光栅、计轴检测器和链接在光纤光栅与计轴检测器之间的光环形器组成；所述计轴检测器包含光电探测器、跨阻放大器、放大电路、低通滤波电路、Ａ／Ｄ转换模块、运算器及通信接口。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：闫连山，潘炜，罗斌，邹喜华，张志勇，张兆亭，王圣根，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]
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