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一种轨道交通计轴系统的制作方法

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1.本实用新型属于轨道运输安全监测技术领域,特别涉及一种轨道交通计轴系统。


背景技术:

2.经过多年发展,不论是应用领域还是覆盖面积,铁路运输技术均具有极大影响力。故对轨道运输的安全性提出了更为严格的要求。如今轨道计轴的方式主要有两种,即电类、磁类计轴方案和光纤光栅计轴方案。
3.轨道电路主要由车轴与轨道形成电气回路,是由导体、钢轨绝缘体、送电设备、受电设备及限流电阻构成的设备,用于判断待测区间是否存在列车占用。用电磁计轴器实现计轴时,需要在轨道两侧分别设置发射线圈和感应线圈,使计轴点处于磁场中。当列车通过计轴点时,导致感应线圈上的感应电动势相对于无车轮时的感应电动势发生变化,以此判断有列车经过,实现计轴,进而实现监测轨道占用的功能。
4.综上所述,轨道电路及电磁计轴器的实现均须有设备在室外布置,且高度依赖于其优良的电传输特性。
5.在“雷击对轨道电路的影响分析”(中图分类号:u284.2)文章中,提出特别是在雷雨季节,计轴设备很容易遭到雷电的侵害,致使设备损坏,给交通运输带来极大的影响,致使列车无法安全的运行,严重时可造成重大事故。在“电磁感应式计轴设备的常见干扰源与抗干扰方法研究”(中图分类号: u284.47)文章中,提出国铁大部分计轴设备干扰故障是由雷害、电涌、过电压等电磁干扰造成的。虽然国内引进计轴技术已10余年,并且在多个铁路局大面积应用,但电磁干扰问题仍未有效解决。
6.光纤光栅传感技术自诞生起,因具有电绝缘性、抗电磁干扰、耐腐蚀,化学稳定性强、距离长等特点,被广泛用于强电磁干扰及湿度多变的环境中。且基于光纤光栅开发的计轴产品,无需将电磁敏感设备置于室外环境,可以避免上述电类设备面临的问题,使得产品不再疲于应对应用场景的电磁干扰等影响。
7.实用新型专利cn200920088856.3公布了一种基于两只独立光纤光栅传感器的列车计轴及判向方案。当列车以先后次序碾压在两只光纤光栅传感器上时,两传感器的波长飘移值在相邻时刻各产生一个脉冲,以脉冲来临次序判断列车行驶方向。该方案缺点在于,只能通过排序两只光纤光栅测得的第一个脉冲,以此判断行车方向。若第一个脉冲来临次序判断有误,可能导致系统得出错误的行车方向,严重影响轨道运输安全。专利cn201610956103.4将两只光纤光栅粘贴在应变片的两面,再将应变片整体固定于钢轨底部,当有列车来临时,两只光纤光栅的波长变化等大反向,可以起到增敏的效果。且因两只光纤光栅处于同一温度环境,可以相互补偿消除温度影响。该方法整体采用机械结构,以弹簧作为应变传输主要器件之一,易随轨道振动发生位移,产生噪声。且轨道易出现高频振动,长期用于该场景下的机械结构易出现老化,威胁轨道运输安全。
8.上述既有专利的计轴点的传感器安装方式较为复杂,每个计轴点需要安装多个传感器。
9.因此,亟需一种便于集成度高、施工简便的轨道交通计轴方案。


技术实现要素:

10.针对上述问题,本实用新型提供一种轨道交通计轴系统,包括:
11.传感器部件和紧固件,所述传感器部件与所述紧固件连接;
12.所述传感器部件中固定有n个光纤光栅传感器;
13.n个光纤光栅传感器中至少包括第二光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器;
14.所述第二光纤光栅传感器和所述第四光纤光栅传感器设置在传感器部件内部两端。
15.进一步地,所述第二光纤光栅传感器和所述第四光纤光栅传感器沿传感器部件水平轴向间隔一定距离设置,且每个光纤光栅传感器的固定方向与传感器部件水平轴向一致。
16.进一步地,所述紧固件包括第一紧固件和第二紧固件。
17.进一步地,所述n个光纤光栅传感器中还包括第一光纤光栅传感器和第五光纤光栅传感器,分别固定在第一紧固件和第二紧固件上;
18.第一光纤光栅传感器和第五光纤光栅传感器,分别用于监测第一紧固件和第二紧固件的松动情况。
19.进一步地,所述第一紧固件和所述第二紧固件均为螺栓。
20.进一步地,系统还包括:第三光纤光栅传感器,所述第三光纤光栅传感器固定在所述传感器部件内,第三光纤光栅传感器与传感器部件的水平轴向垂直。
21.进一步地,传感器部件至少具有一个侧面为条形硬质基板,第二光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器间隔一定距离固定在传感器部件基板的水平轴向线上。
22.进一步地,传感器部件包括壳体,所述壳体的底壁为硬质基板,所述第二光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器装在壳体内,贴合底壁。
23.进一步地,系统还包括:解调仪,所述解调仪与所述n个光纤光栅传感器连接。
24.进一步地,所述解调仪包括:
25.宽带光源模块、互为冗余的第一解调系统和第二解调系统、一个一级耦合器、n个光隔离器、n个光环形器、n个二级耦合器、2n个三级耦合器;
26.二级耦合器和三级耦合器均为一分二耦合器;
27.一级耦合器为一分n路;
28.其中一级耦合器与宽带光源模块相连接;
29.一级耦合器分别与n个光隔离器相连接;
30.每个光隔离器分别与各自相应的一个光环形器相连接;
31.每个光隔离器分别与各自相应的一个二级耦合器相连接;
32.每个二级耦合器分别与各自相应的两个三级耦合器相连接;
33.连接与同一个二级耦合器的两个三级耦合器分别与第一解调系统和第二解调系统相连接。
34.本实用新型的轨道交通计轴系统具有以下优点:
35.计轴系统高度集成,有利于简化安装步骤,降低工程施工的难度和成本,易于维
护、更换,有效提高了列车计轴产品的安全性;
36.系统包含的冗余的解调系统分别能够独立地进行数据处理和输出,并进行对比,提高了可靠性;
37.第一光纤光栅传感器和第五光纤光栅传感器还能够实现计轴系统自检,提高安全性,第三光纤光栅传感器进行温度补偿,提高准确性。
38.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
39.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1示出了根据本实用新型实施例的轨道交通计轴系统结构示意图;
41.图2示出了根据本实用新型实施例的解调仪的光路模块的示意图
42.图3示出了根据本实用新型实施例的解调仪的结构示意图;
43.图4示出了根据本实用新型实施例的边沿滤波调制原理示意图;
44.图5(a)示出了根据本实用新型实施例的不同光栅反射率对电信号比值影响的示意图;
45.图5(b)示出了根据本实用新型实施例的不同光栅3db带宽对电信号比值影响的示意图;
46.图6示出了根据本实用新型实施例两套解调系统的波长变化量结果示意图。
47.附图标记说明:
48.1 传感器部件
49.11 第一光纤光栅传感器
50.12 第二光纤光栅传感器
51.13 第三光纤光栅传感器
52.14 第四光纤光栅传感器
53.15 第五光纤光栅传感器
54.2 解调仪
55.21 宽带光源模块
56.22 一分五耦合器
57.23 光隔离器
58.24 光环形器
59.25 一分二耦合器a
60.26 一分二耦合器b
61.27 一分二耦合器c
62.28 线性滤波器a
63.29 线性滤波器b
64.3 紧固件
65.31 第一紧固件
66.32 第二紧固件
具体实施方式
67.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
68.本实用新型实施例提供一种轨道交通计轴系统,如图1所示系统包括:传感器部件1和紧固件3,传感器部件1与紧固件3连接;传感器部件3中固定有n个光纤光栅传感器,n个光纤光栅传感器组成光纤光栅传感器组;n个光纤光栅传感器中至少包括第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器14;第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器14设置在传感器部件内部两端。进一步地,第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器14沿传感器部件1 水平轴向间隔一定距离设置,且第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器 14的固定方向也与传感器部件1轴向平行,即每个光纤光栅传感器的固定方向与水平轴向一致。其中,传感器部件1水平轴向为图1所示的水平轴向,即矩形长边方向,也是传感器部件1布置在轨道上时与轨道平行的方向。
69.具体地,第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器14被封装在传感器内,沿传感器部件1水平轴向间隔一定距离设置即传感器部件布置在轨道底部时,第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器14的分布方向与轨道方向平行且光纤光栅传感器自身的布置方向与轨道方向平行,用于采集列车经过轨道的应变信号。不失一般性地,传感器部件至少具有一个侧面为条形硬质基板,如矩形钢板,第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器14分布在传感器部件基板的水平轴向线上,例如水平中轴线上,间隔一定距离固定两个光纤光栅传感器,以使得这两个传感器采集的列车经过时的应变信号能够被解析后用来判断列车行驶方向。这两个传感器分别对c波段内的连续光的波长中与光栅对应的光强进行调制,当列车驶过时,应变经由钢轨传输至光纤光栅传感器组上时,光栅反射光的中心波长发生偏移,c波段内的连续光的反射光强随之发生规律变化,根据这一变化规律实现列车的计轴判向。
70.紧固件3包括第一紧固件31和第二紧固件32,n个光纤光栅传感器中还包括第一光纤光栅传感器11和第五光纤光栅传感器15,分别固定在第一紧固件 31和第二紧固件32上,分别用于监测第一紧固件31和第二紧固件32的松动情况。本实用新型实施例中,第一紧固件31和所述第二紧固件32均为螺栓。在另外的实施例中,紧固件也可以采用焊钉或铆钉。本实用新型实施例优选地,采用可调节、易更换的螺栓,即第一紧固件31为固定螺栓a,第二紧固件为固定螺栓b。
71.第一光纤光栅传感器11和第五光纤光栅传感器15分别被封装在固定传感器的固定螺栓a和固定螺栓b内,具体地,在固定螺栓a和固定螺栓b的一端分别设置有孔洞,光纤光
栅传感器固定设置在孔洞中。孔洞可以通过在固定螺栓的远离螺纹的一侧端面打孔而形成,不失一般性地,孔洞与固定螺栓具有相同的中心轴线。安装完成后系统记录此时第一光纤光栅传感器11和第五光纤光栅传感器15各自的光栅对应的波长,当螺栓松动,光栅的波长会发生变化,系统发出警报。具体地,当光栅的波长变化超过一定阈值或者波长的变化状态维持超过一定的时间阈值时,系统发出警报,维修人员可以根据警报信息对螺栓进行紧固或者更换维修。
72.n个光纤光栅传感器中还包括第三光纤光栅传感器13,第三光纤光栅传感器13固定在所述传感器部件1内,第三光纤光栅传感器13与第二光纤光栅传感器12垂直,即与传感器部件1的水平轴向垂直。第三光纤光栅传感器13被封装在传感器部件,当传感器部件安装时,第三光纤光栅传感器13的方向与轨道方向垂直,不受列车驶过时产生应变的影响,用来进行温度补偿。
73.本实用新型实施例中,五个光纤光栅传感器被封装在一个传感器部件内,使用时将传感器安装在轨底,由于将五个光纤光栅传感器封装在一个传感器部件内,可以将传感器部件安装在一个轨枕内,一个计轴点只需要一个传感器即可实现计轴的全部功能,节约了成本,简化了工程安装的步骤,采用集成的传感器部件能够更有利于保证传感器的安装方向精确性和稳固性,并对传感器部件安装的稳定性进行实时监测(第一光纤光栅传感器11和第五光纤光栅传感器 15实现),提高了采集应变信号的可靠性,通过不受应力影响的第三光纤光栅传感器13进行温度补偿,进一步提高了解调的准确性。
74.本实用新型实施例中,传感器部件1包括传递应力信号的基板,第三光纤光栅传感器13、第二光纤光栅传感器12、第四光纤光栅传感器14固定(如粘结、焊接)在基板上,并用盖板覆盖封装光纤光栅传感器,起到保护和固定作用。传感器部件也可以是包括一个壳体,壳体底壁为硬质基板,如钢板,用来传递应力信号,第三光纤光栅传感器13、第二光纤光栅传感器12、第四光纤光栅传感器14封装在壳体内,贴合底壁。不失一般性地,壳体为长方形。紧固件 (固定螺栓a、固定螺栓b)可以通过传感器部件1上的固定穿孔将基板固定在轨道底部。对于壳体结构的传感器部件1,紧固件穿过壳体,将传感器部件1 固定在轨道底部。
75.系统还包括解调仪2,解调仪2与n个光纤光栅传感器连接,采集n个光纤光栅传感器的波长信号。本实用新型实施例中,解调仪采用二取二冗余架构,如图2所示,为解调仪的光路模块,解调仪包括电源板、第一解调系统(解调系统a)、第二解调系统(解调系统b)、宽带光源模块,具体为ase光源(放大自发辐射光源)、一个一级耦合器、n个光隔离器、n个光环形器、n个二级耦合器、2n个三级耦合器,其中二级耦合器和三级耦合器均为一分二耦合器,即设置3n个一分二耦合器。
76.其中,第一解调系统和第二解调系统互为冗余,二级耦合器和三级耦合器均为一分二耦合器;一级耦合器为一分n路耦合器;其中一级耦合器与宽带光源模块相连接;一级耦合器分别与n个光隔离器相连接;每个光隔离器分别与各自相应的一个光环形器相连接;每个光隔离器分别与各自相应的一个二级耦合器相连接;每个二级耦合器分别与各自相应的两个三级耦合器相连接;连接于同一个二级耦合器的两个三级耦合器分别与第一解调系统和第二解调系统相连接。
77.一级耦合器用于将光源分为n路,以使得每一路光源分别到达n个光纤光栅传感器中的一个;分为n路的光源分别经过各自对应的光隔离器和光环形器传输到各自对应的光
纤光栅传感器;n个光纤光栅传感器的反射光经过各自对应的光环形器输出;n个二级耦合器分别将对应的反射光分为两路光信号(即光纤光栅传感器的应变信号以光信号的形式反馈),分别输入到第一解调系统和第二解调系统;在第一解调系统中,n个三级耦合器将接收到的n路光信号分为两路,其中的一路光信号进行边沿滤波调制;相同地,在第二解调系统中, n个三级耦合器将接收到的n路光信号分为两路,其中的一路光信号进行边沿滤波调制。两个解调系统各自独立的对信号进行解调,再进行信息交互,实现二取二冗余结构。
78.本实用新型实施例以n=5,即传感器部件中设置上述五个光纤光栅传感器为例进行说明,如图2所示,解调仪2包括一个一级耦合器,即一分五耦合器 22、五个光隔离器23、五个光环形器24、十五个一分二耦合器、十(2n)个线性滤波器、二十(4n)个光电转换器;其中,十五个一分二耦合器中包含:5 个二级耦合器,即一分二耦合器a 25,用于将反射光分为两路,分别用于输入两个解调系统;5个三级耦合器,即一分二耦合器b 26,用于反射光分为两路后传输给解调系统a;5个三级耦合器,即一分二耦合器c 27,用于反射光分为两路后传输给解调系统b。
79.在其他的实施例中,也可以是n=2,即仅使用第二光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器的数据进行计轴判向的数据处理,也可以是n=4,即使用第二光纤光栅传感器、第四光纤光栅传感器的数据、第一光纤光栅传感器和第五光纤光栅传感器的数据进行计轴判向的数据处理,也可以是n=3,即使用第二光纤光栅传感器、第四光纤光栅传感器的数据和第三光纤光栅传感器的数据进行计轴判向的数据处理,或者还采用更多光纤光栅传感器进行数据采集和处理。
80.电源板用于给宽带光源模块21供电,使其输出c波段内的连续光,该c 波段的连续光经过一分五耦合器22分为五路,分别依次经过光隔离器23、光环形器24传输给第一光纤光栅传感器11、第二光纤光栅传感器12、第三光纤光栅传感器13、第四光纤光栅传感器14和第五光纤光栅传感器15。
81.这五路结构一致,每路的光纤光栅传感器中的光栅对c波段内连续光的波长中与光栅对应的光强进行调制,当光栅的波长发生变化时,光栅反射光的中心波长发生偏移。反射光通过各自对应的光环形器24反射输出的那一路输出,经过一分二耦合器a分别分成相同的两路光信号,即光纤光栅传感器反射的信号被分为两路相同的信号,分别输出给解调系统a和解调系统b,两个解调系统各自独立的对信号进行解调,再进行信息交互,实现二取二冗余结构。
82.系统采用边缘滤波的方式进行解调,对于解调系统a 25,用一分二耦合器 b 26分别将五路反射光再各自分为两路,以形成10路反射光调制信号:a_1_a、 a_1_b、a_2_a、a_2_b、a_3_a、a_3_b、a_4_a、a_4_b、a_5_a、a_5_b。示例性地,一路由线性滤波器a 28进行边沿滤波调制,得到反射光调制信号a_1_a,该反射光调制信号的光强与光栅波长成正比,光电转换器将反射光调制信号转换为相应的反射光调制电信号;另一路a_1_b不经过线性滤波器,直接进入光电转换器,将光纤光栅传感器发出的反射光转换为反射光参考电信号,以反射光调制电信号与反射光参考电信号的比值作为波长解调的依据,同时消除共模因素引起的误差。
83.对于解调系统b,用一分二耦合器c 27将解调系统b接收的五路反射光在各自分为两路,以形成10路反射光调制信号:b_1_a、b_1_b、b_2_a、b_2_b、 b_3_a、b_3_b、b_4_a、b_4_
b、b_5_a、b_5_b。示例性地,一路由线性滤波器 b 29进行边沿滤波调制,得到反射光调制信号b_1_a,该反射光调制信号的光强与光栅波长成正比,光电转换器将反射光调制信号转换为相应的反射光调制电信号;另一路b_1_b不经过线性滤波器,直接进入光电转换器,将光纤光栅传感器发出的反射光转换为反射光参考电信号,以反射光调制电信号与反射光参考电信号的比值作为波长解调的依据,同时消除共模因素引起的误差。
84.如图3所示,系统的光路模块将第一光纤光栅传感器反射回的应变信号,转化为四路a_1_a、a_1_b、b_1_a、b_1_b,其中a_1_a、a_1_b这两路和b_1_a、 b_1_b对应等价,a_1_a、a_1_b输出给解调系统a进行解调,b_1_a、b_1_b输出给解调系统b进行解调,a_1_a、b_1_a是经过线性滤波器调制的反射光调制光信号,a_1_b、b_1_b是没经过线性滤波器调制的反射光参考光信号。其他四路同理。解调系统a和解调系统b通信连接。电源模块为解调系统a、解调系统b和光路模块供电。
85.第一光纤光栅传感器11、第二光纤光栅传感器12、第三光纤光栅传感器 13、第四光纤光栅传感器14和第五光纤光栅传感器15中的光栅分别对c波段内的连续光的波长中与光栅对应的光强进行调制,当光栅反射光的中心波长发生偏移,c波段内的连续光的反射光强随之发生规律变化,光栅波长飘移越大,对应的滤波器反射率越大,则经过滤波器滤波之后的光强越强,线性滤波器的透射率在选用波段内单调上升,根据这一特性,对反射光进行边沿滤波(属于线性滤波)调制。如图4所示,虚线折线为滤波器透射谱型,两个山峰状曲线为光栅反射光谱,其中,实线曲线(左)为光栅初始反射光谱,虚线曲线(右) 为光栅受外界变化(如应变或温度)后的反射光谱。
86.解调系统a将五个反射光调制光信号a_1_a、a_2_a、a_3_a、a_4_a、a_5_a (每个光纤光栅传感器对应一个反射光调制光信号和反射光参考光信号)与对应的五个反射光参考光信号a_1_b、a_2_b、a_3_b、a_4_b、a_5_b用光电转换器转换为五个反射光调制电信号和与其对应的五个反射光参考电信号后分别做比值,得到五个电信号比值(电信号比值可以消除光源抖动和其他光器件的附加损耗对信号的影响,提高信噪比),通过五个电信号比值解调出此时五个光纤光栅传感器对应的波长值,进而解析出此时五个光纤光栅传感器的状态。根据第一光纤光栅传感器11和第五光纤光栅传感器15的波长变化量判断传感器安装螺栓是否松动;根据列车来临时第二光纤光栅传感器12和第四光纤光栅传感器14的应变信号及应变信号的先后顺序进行列车计轴;根据第三光纤光栅传感器13波长变化量计算出外界环境的温度变化并进行温度补偿。
87.上述技术方案中,解调系统b将五个反射光调制光信号b_1_a、b_2_a、b_3_a、 b_4_a、b_5_a(每个光纤光栅传感器对应一个反射光调制光信号和反射光参考光信号)与对应的五个反射光参考光信号b_1_b、b_2_b、b_3_b、b_4_b、b_5_b 用光电转换器转换为五个反射光调制电信号和与其对应的五个反射光参考电信号后分别做比值,得到五个电信号比值(电信号比值可以消除光源抖动和其他光器件的附加损耗对信号的影响,提高信噪比),通过五个电信号比值解调出此时五个光纤光栅传感器对应的波长值,进而解析出此时五个光纤光栅传感器的状态。根据第一光纤光栅传感器和第五光纤光栅传感器的波长变化量判断传感器安装螺栓是否松动;根据列车来临时第二光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器的应变信号及应变信号的先后顺序进行列车计轴;根据第三光纤光栅传感器波长变化量计算出外界环境的温度变化并进行温度补偿。
88.上述技术方案中,所述第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器、第四光纤光栅传感器和第五光纤光栅传感器的中心波长均为 1550nm、3db,带宽均为0.3nm,反射率均为80%;所述线性滤波器的透射率在 1550~1556nm波长范围内单调上升,且具备良好的一致性,线性滤波器采用高精度滤波器,线性度不得大于0.0165%。
89.基于上述轨道交通计轴系统,本实用新型实施例还提供一种轨道交通计轴方法,通过采集n个光纤光栅传感器的应变信号,根据应变信号进行计轴。本实用新型实施例中,采用冗余的两套解调系统判断列车经过情况;当两套解调系统在指定条件下均确定有轴经过时,输出计轴和方向信息。计轴和方向信息包括计轴信息和方向信息,计轴信息表示有列车经过,方向信息表示列车经过的方向。本实用新型实施例对计轴和方向信息的表现形式不做限定,示例性地,可以用一个数值表示计轴和方向信息,当列车按照指定方向(如正向)经过时,数值加1,当列车按照与指定方向相反的方向(反向)经过时,数值减1。其中,采用冗余的两套解调系统判断列车经过情况包括:采用动态应变参量阈值和/ 或者动态时间阈值作为两套解调系统判断有轴经过的指定条件。
90.进一步地,采用动态应变参量阈值作为两套解调系统判断有轴经过的指定条件包括:两套解调系统中的第一解调系统计算出有轴经过时,通知两套解调系统中的第二解调系统;第二解调系统动态设定判断自身判断有轴经过时的应变参量的上限值和/或下限值;所述第二解调系统根据动态设定的应变参量的上限值和/或下限值判断是否有轴经过。
91.采用动态时间阈值作为两套解调系统判断有轴经过的指定条件包括:两套解调系统中的第一解调系统计算出有轴经过时,通知两套解调系统中的第二解调系统;第二解调系统根据应变信号的波长变化量的变化速度动态设定时间阈值;第二解调系统在动态设定的时间阈值内计算出有轴经过时,则输出计轴和方向信息,否则,进行报错。动态设定的时间阈值是从收到第一解调系统有轴经过的通知开始的一段指定时间。
92.本实用新型实施例中,采用边缘滤波的方式对应变信号进行解调。具体地,将应变信号分为两路,其中一路应变信号进行边沿滤波调制,得到反射光调制信号;将反射光调制信号转换为相应的反射光调制电信号;两路应变信号中的另一路直接转换为反射光参考电信号;以反射光调制电信号与反射光参考电信号的比值作为波长解调的依据。
93.本实用新型实施例的轨道交通计轴方法包括如下步骤:
94.对光栅中心波长与电信号比值进行标定,所述电信号比值为反射光调制电信号与反射光参考电信号的比值;
95.对应变信号进行边沿滤波解调,并基于轨道交通计轴系统的光传输损耗,对所述反射光调制电信号与反射光参考电信号进行放大;
96.采用冗余的解调系统判断是否有轴经过,当有轴经过时,输出计轴和方向信息。
97.第一解调系统和第二解调系统分别独立进行信号处理以及输出。输出的计轴和方向信息由上一级的列车控制系统根据整个区段收集到的计轴和方向信息来判断某一区段的占用和空闲状态。
98.本实用新型中的第一、第二等序号仅用于区分不同的系统或部件。
99.下面对各个步骤进行详细的示例性说明。
100.步骤1:采用边缘滤波的方式进行波长解调,利用线性滤波器对光栅反射光的边沿滤波调制作用,在光栅中心波长和电信号比值(反射光调制电信号与反射光参考电信号比
值)之间构成一一对应的线性关系。波长变化量的解调结果主要受到线性滤波器的影响,但本实用新型实施例中,由于采用了电信号比值这一除法运算,光纤光栅传感器的3db带宽、反射率以及ase光源的平坦度对其的影响会在除法运算的过程中消除,从而提高了解调系统的泛用性。如图 5(a)所示,不同光栅反射率对电信号比值影响较小,以3db带宽600pm、中心波长1552nm为例,反射率从20%变化到80%(共分6000个采样点,如横轴所示,为变化率20%-80%的采样点)的过程中,纵坐标的电信号比值从0.401变化到0.4014,变化很小,因此,采用电信号比值作为波长变化量的参考,能够降低线性滤波器反射率的影响。相应地,图5(b)示出了根据本实用新型实施例的不同光栅3db带宽对电信号比值影响的示意图,以中心波长1552nm、反射率80%为例,3db带宽从100pm变化到2nm(如图横坐标所示,拆分为300个采样点),电信号比值的波动范围在0.4014-0.4017之间,变化很小。
101.根据这一特性,解调系统在使用前会进行光栅中心波长与比值的标定,解调系统a和解调系统b同时对同一信号进行标定以减小两套系统之间的解调误差。系统采用一致性良好的线性滤波器,标定的过程只需进行一次即可在多台解调仪中复用,且传感器部件1与解调仪2相互独立,便于工程应用中后期维护;
102.步骤2:解调仪采用边沿滤波的方式进行解调,因此系统对于光强敏感,针对工程应用中传感器与解调仪之间铺设距离不等以及各种复杂安装环境做出损耗分析。为满足系统需求,解调系统a和解调系统b会通过程控放大电路对各路反射光参考电信号进行自适应放大,基于轨道交通计轴系统的光传输损耗,对反射光调制电信号与反射光参考电信号进行放大,放大到接近系统adc采集的最大电压值,同时要控制每一组反射光参考电信号和与其对应的反射光调制电信号具有相同的放大倍数,以保证波长解调的精度和分辨率。这样可以提高解调系统在工程领域的泛用性和稳定性,避免现场安装因为光纤传输距离的不同,导致光强的损耗不同,引起的解调误差。
103.步骤3:第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器、第四光纤光栅传感器和第五光纤光栅传感器输出的五束反射光包含着用于获取计轴和方向信息的波长信号,这五束反射光通过五个一分二耦合器分成五组相同的信号,分别输出给解调系统a和解调系统b同时进行解调,对于系统规定的报警错误,只需要一个解调系统检测出有报警错误则整个系统进行报警输出;对于计轴和方向信息,当一个解调系统计算出有轴经过时,通知另一个解调系统,在一段时间t内,必须收到另一个解调系统计算出有轴经过的回馈信息才向上一级系统输出计轴和方向信息,否则报错;同理,当一个解调系统收到另一个解调系统已经计算出有轴经过时,必须在一段时间t(时间阈值) 内,计算出有轴经过并告知另一个解调系统,然后向上一级系统输出计轴和方向信息,否则报错。其中,上一级系统为解调系统a和解调系统b共同的上级系统,如主控系统。
104.由于两个解调系统对同一信号处理时,存在波长绝对值的误差,所以当车速很慢或者正好停止行驶的时,可能导致两个解调系统系统响应时间差大于设定的时间阈值t,造成系统误判,因此系统采用动态应变参量阈值的方式或者采用动态时间阈值的方式来进行计轴逻辑判断,也可以同时采用采用动态应变参量阈值和动态时间阈值方式进行计轴逻辑判断。
105.动态应变参量阈值:由于解调仪2采用相对值来判断计轴逻辑,器件误差以及标定误差都会导致两个解调系统对统一应变信号的解调结果不同,如图6 所示,虚线曲线为解
调系统a的解调结果,实现曲线为解调系统b的解调结果。解调系统a的解调结果中,波长变化量达到用于判断有轴经过的阈值时刻为虚线曲线的a点,对应时间t1,此时,实现曲线的波长变化量在b点,还未达到阈值;解调系统b的解调结果中,波长变化量达到用于判断有轴经过的阈值时刻为虚线曲线的c点,对应时间t2。t1和t2之间具有一定偏差,即两个解调系统解调的波长变化量有一定的误差值,可能导致两个解调系统计算出有轴经过的时间超过系统默认的时间阈值。针对这一点,采用动态应变参量阈值的方式,当一个解调系统用设定的应变参量阈值率先计算出有轴经过时,通知另一个解调系统,另一个解调系统调整自身的应变参量的上、下限阈值,适当放宽判定条件,如上限阈值减小npm,下限阈值增加npm的方式,来保证另一个解调系统能够在系统规定时间内做出判定并回馈给率先计轴的解调系统。示例性地,解调系统a先按照系统设定的默认应变参量阈值spm计算出有轴经过的结果,并通知解调系统b,解调系统b收到通知时还未计算有轴经过的结果,则调整自身的应变参量阈值为默认应变参量阈值与指定容限的差值,如spm
±
lpm。其中,默认应变参量阈值加上或减去指定容限可以根据波长变化的阶段是出于上升阶段还是下降阶段而决定,也可以不考虑变化阶段,直接将应变参量阈值设置为默认参量阈值加减指定容限后的一个区间范围。当应变参量进入到该区间范围时,则认为有轴经过。之后,回复解调系统b的应变参量阈值为默认应变参量阈值。相似地,如果解调系统b先采用默认系统阈值计算出有轴经过,则解调系统a可以在收到通知后设置自身的应变参量阈值为默认应变参量阈值加减指定容限。
106.其中,应变参量是指系统采集列车经过时反应轨道应变信号的参数,如光线光栅传感器的反射光波长、波长变化量等。本实用新型实施例中,应变参量为波长变化量。
107.动态时间阈值:在车速很慢的情况下,波长变化量在允许的系统时间阈值范围内的波长变化量可能达不到有轴经过的应变参量阈值,就会导致对一个正常的计轴报错。对此,解调系统a和解调系统b对于时间阈值t的设定根据波长变化量变化的速度来动态解调,解调系统在进行计轴判定时会记录波长变化量对于变化时间的导数,以此作为时间阈值t的设置条件。当车速很慢时,波长变化量的变化速度也较慢,则相应地设置时间阈值为较长,以避免错误的报错。当车辆静止时,t可以设置为无限大,即仅采用动态应变参量阈值的方式进行计轴判断,而不采用动态时间阈值的方式。
108.步骤4:所述解调系统a和解调系统b分别独立进行信号处理以及输出,由上一级的列车控制系统根据整个区段收集到的计轴和方向信息来判断某一区段的占用和空闲状态。
109.所述解调系统a与解调系统b,如果输出结果相同,则主控系统认为该计轴结果可靠并进行下一步区段空闲占用判断,如果输出结果不同,则主控制板报警。
110.上述技术方案的步骤3中,解调系统将第二光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器感应到的应变信号(具体为应变值)转换为第二光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器的光栅中心波长变化量。光栅中心波长与电信号比值具有对应关系,通过电信号比值能够得到波长,根据实时解调出的波长和初始静态下波长的差值,可以得到光栅中心波长变化量,简称波长变化量。
111.解调系统获取第二光纤光栅传感器的光栅中心波长变化量与第四光纤光栅传感器的光栅中心波长变化量的到达设定阈值的先后顺序,从而确定列车行驶的方向。
112.本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
113.尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

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