Рельсовая измерительная система - RU2672772C2
Код документа: RU2672772C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящая заявка относится, в общем, к оптическому измерительному устройству для регистрации измеряемых величин с помощью встроенных в оптические волокна датчиков, и, в частности, относится к применению, по меньшей мере, одного волоконно-оптического чувствительного элемента для измерения механической величины, которая действует на рельс, и к рельсовой измерительной системе. Кроме того, настоящая заявка относится к способу установки волоконно-оптического чувствительного элемента на рельсе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В измерительных системах волоконно-оптические датчики приобретают все большее значение. При этом применяются один или более встроенных в световод датчиков, таких как волоконные брэгговские решетки, чтобы регистрировать вызванное механической величиной удлинение оптического волокна и, таким образом, обнаруживать силы, крутящие моменты, ускорения, нагрузки, состояния давления и т.д.
[0003] Интегрированные в волоконные датчики чувствительные элементы облучаются оптическим излучением в подходящей области длин волн. Под действием силы световод растягивается, и длина волны отражения или пропускания волоконной брэгговской решетки изменяется. Часть излученного света отражается от датчика и подается на блок оценки и анализа. Изменение длины волны, которое основывается на действующей силе, может исследоваться в блоке анализа и применяться для обнаружения механических влияний на чувствительный элемент.
[0004] Интенсивность и/или область длин волн отраженного на чувствительном элементе оптического излучения или прошедшего через чувствительный элемент оптического излучения имеют признаки, которые находятся под влиянием приложенной механической величины. Интегрированные в оптическое волокно датчика волоконно-оптические чувствительные элементы являются, в том числе, чувствительными к удлинениям волокна датчика, в результате чего оказывается влияние на спектр длин волн, отраженный от чувствительного элемента или прошедший через чувствительный элемент.
[0005] Различные измерительные системы применяются для контроля различных аспектов железнодорожной или рельсовой системы. В частности, представляет интерес сила, действующая на рельс от проходящего поезда, которая не в последнюю очередь позволяет делать выводы о проходящем поезде.
[0006] Кроме того, в измерительных системах для железнодорожных или рельсовых систем, на которых движутся поезда, проблемой является надежно распознавать сильно варьирующиеся нагрузки на ось, в частности потому, что требования безопасности требуют очень низкой частоты появления ошибок. Причем, варьируются не только нагрузки на ось, которые вводятся на железнодорожную систему или рельсовую систему. Также установка рельсов на шпалы, структура железнодорожного полотна и тип поездов могут сильно варьироваться. Это вызывает серьезные проблемы для измерительной системы.
[0007] Кроме того, удлинение оптического волокна и, таким образом, оптического чувствительного элемента в волокне и/или изменения в структуре волоконной брэгговской решетки зависят не только от измеряемой механической величины, такой как, например, сила, но также могут находиться под влиянием нежелательных помеховых величин, таких как, например, температурные колебания. Поэтому желательно устранять или по меньшей мере подавлять помеховые величины, которые влияют на точность измерения при регистрации целевых величин.
[0008] Таким образом, желательно обеспечить улучшенную измерительную систему для железнодорожных или рельсовых систем, улучшенный волоконно-оптический блок датчика для железнодорожных или рельсовых систем, а также улучшенное применение волоконно-оптического блока датчика.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Настоящая заявка представляет применение по меньшей мере одного волоконно-оптического чувствительного элемента для измерения механической величины, которая действует на рельс, волоконно-оптический блок датчика для регистрации механической величины, действующей на рельс, рельсовую измерительную систему и способ установки волоконно-оптического чувствительного элемента на рельсе в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
[0010] В соответствии с одной формой выполнения, обеспечено применение по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика для измерения механической величины, которая действует на рельс с продольной протяженностью и проходящим вдоль продольной протяженности нейтральным волокном, причем применение включает в себя предоставление по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика под углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под углом от -30° до -60°, в частности, -45° относительно нейтрального волокна, облучение по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика первичным светом для генерирования светового сигнала в отражении или пропускании, регистрация интенсивности светового сигнала и оценку светового сигнала.
[0011] В соответствии с другой формой выполнения, обеспечен волоконно-оптический блок датчика для регистрации действующей на рельс механической силы, при этом волоконно-оптический блок датчика имеет оптическое волокно, обеспеченную в оптическом волокне волоконную брэгговскую решетку, которая имеет зависимую от механической силы брэгговскую длину волны, преобразовательную структуру, причем преобразовательная структура имеет рычаг усиления сигнала, и фильтр с крутым срезом для фильтрации первой части светового сигнала, причем, в частности, фильтр с крутым срезом имеет характеристику фильтра с номинальным наклоном 8% на нм относительно переданной интенсивности или менее, в частности, между 2%-7% на нм, причем, в частности, обеспечена область измерений действующих на рельс нагрузок на ось от 200 кг до 50000 кг.
[0012] В соответствии с другой формой выполнения, обеспечена рельсовая измерительная система, причем рельсовая измерительная система включает в себя рельс с продольной протяженностью и проходящим вдоль продольной протяженности нейтральным волокном, на который действует механическая сила, вызванная проезжающим по нему поездом, и по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика, как правило, два волоконно-оптических блока датчиков, для регистрации механической силы, действующей на рельс, причем волоконно-оптический блок датчиков имеет волоконную брэгговскую решетку, которая имеет зависимую от механической величины брэгговскую длину волны, и причем по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика установлен на рельсе под углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под углом от -30° до -60°, в частности, -45° относительно нейтрального волокна рельса.
[0013] В соответствии с другой формой выполнения, обеспечен способ установки волоконно-оптического блока датчика, в частности, волоконно-оптического блока датчика с волоконной брэгговской решеткой, на рельсе, причем способ включает установку волоконно-оптического блока датчика под дополнительным углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под дополнительным углом от -30° до -60°, в частности, -45° относительно нейтрального волокна рельса, в частности, при этом волоконно-оптический блок датчика установлен приблизительно на нейтральном волокне.
[0014] В соответствии с другой формой выполнения, обеспечено применение по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика для измерения механической величины, действующей на рельс с продольной протяженностью и проходящим вдоль продольной протяженности нейтральным волокном, причем применение включает в себя предоставление по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика на нейтральном волокне, в частности, таким образом, что волоконно-оптический блок датчика пересекает нейтральное волокно, облучение по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика первичным светом для генерирования светового сигнала в отражении или пропускании, регистрация интенсивности светового сигнала и оценку светового сигнала.
[0015] В соответствии с другой формой выполнения, обеспечена рельсовая измерительная система, причем рельсовая измерительная система включает в себя рельс с продольной протяженностью и проходящим вдоль продольной протяженности нейтральным волокном, на который действует механическая сила, сгенерированная проезжающим по нему поездом, и по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика, как правило, два волоконно-оптических блока датчиков, для регистрации механической силы, действующей на рельс, причем волоконно-оптический блок датчика имеет волоконную брэгговскую решетку, которая имеет зависимую от механической величины брэгговскую длину волны, и причем по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика установлен на нейтральном волокне, в частности, установлен с пересечением нейтрального волокна.
[0016] В соответствии с другой формой выполнения, обеспечен способ установки волоконно-оптического блока датчика, в частности, волоконно-оптического блока датчика с волоконной брэгговской решеткой, на рельсе, причем способ включает в себя установку волоконно-оптического блока датчика на нейтральном волокне рельса, в частности, таким образом, что волоконно-оптический блок датчика пересекает нейтральное волокно.
[0017] В соответствии с другой формой выполнения, обеспечен способ измерения для измерения механической величины, действующей на рельс с продольной протяженностью и проходящим вдоль продольной протяженности нейтральным волокном, причем способ включает в себя облучение по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика первичным светом для генерирования светового сигнала в отражении или пропускании, регистрация интенсивности светового сигнала и оценку светового сигнала, при этом, в частности, в световом сигнале происходит ограничение, которое применяется для оценки светового сигнала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0018] Примеры выполнения представлены на чертежах и объяснены более подробно в нижеследующем описании. На чертежах представлено следующее:
Фиг. 1 -волокно датчика, которое содержит интегрированный чувствительный элемент, выполненный как волоконная брэгговская решетка, для измерения удлинения волокна;
Фиг. 2 - отражательный отклик датчика, который вызван представленным на фиг. 1 интегрированным чувствительным элементом в волокне;
Фиг. 3 - блок-схема волоконно-оптического измерительного устройства с источником света, волоконным ответвителем и детекторным устройством или волоконно-оптический блок датчика, или рельсовая измерительная система в соответствии с примерами выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4 - схематичное изображение рельсовой измерительной системы в соответствии с другими примерами выполнения; и
Фиг. 5А и 5В - схематичное изображение преобразовательной структуры, применяемой в чувствительном элементе, которая может применяться в блоке датчика или рельсовой измерительной системе в соответствии с примерами выполнения настоящего изобретения.
[0019] На чертежах одинаковые ссылочные позиции обозначают идентичные или функционально подобные компоненты или операции.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0020] В последующем описании будут делаться подробные ссылки на различные формы выполнения изобретения, причем один или более примеров иллюстрируются на чертежах.
[0021] Формы выполнения настоящего изобретения, описанные в настоящем документе, в том числе, относятся к применению по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика для измерения механической величины, к волоконно-оптическому блоку датчика для регистрации механической силы, действующей на рельс, рельсовой измерительной системе и способу установки волоконно-оптического блока датчика, в частности, волоконно-оптического блока датчика с волоконной брэгговской решеткой на рельсе.
[0022] На фиг. 1 показан интегрированный в световод датчик или чувствительный элемент 303, который имеет волоконную брэгговскую решетку 306. Хотя на фиг. 1 показана только одна волоконная брэгговская решетка 306, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается сбором данных от одной волоконной брэгговской решетки 306, но что вдоль передающего волокна или волокна 304 датчика может быть размещено множество волоконных брэгговских решеток 306.
[0023] Фиг. 1, таким образом, показывает только участок оптического волновода, который выполнен как волокно 304 датчика, причем это волокно 304 датчика является чувствительным к удлинению 308 волокна. Следует отметить, что термин ʺоптическийʺ или ʺсветʺ должен указывать на область длин волн в электромагнитном спектре, который может продолжаться от ультрафиолетовой спектральной области через видимую спектральную область и до инфракрасной спектральной области. Центральная длина волны волоконной брэгговской решетки 306, то есть, так называемая брэгговская длина волны λβ получается посредством следующего уравнения:
λB=2⋅ηk⋅Λ.
[0024] Здесь, ηk является эффективным показателем преломления основного состояния сердцевины волокна 304 датчика, и Λ является пространственным периодом решетки (периодом модуляции) волоконной брэгговской решетки 306.
[0025] Спектральная ширина, которая задается шириной половинного значения отражательного отклика, зависит от протяженности волоконной брэгговской решетки 306 вдоль волокна 304 датчика. Распространение света в пределах волокна 304 датчика, таким образом, из-за действия волоконной брэгговской решетки 306, например, зависит от сил, моментов и механических напряжений и температур, которыми нагружается волокно 304 датчика и, в частности, волоконная брэгговская решетка 306 внутри волокна 304 датчика.
[0026] Как показано на фиг. 1, измерительный свет 204 входит слева в волокно 304 датчика, причем часть измерительного света 204 выходит, в качестве переданного света 206, с профилем длин волн, измененных по сравнению с измерительным светом 204. Кроме того, можно принимать отраженный свет 205 на входном конце волокна (т.е., на конце, на котором также излучается измерительный свет 204), причем отраженный свет 204 также имеет модифицированное распределение длин волн, как показано, например, на фиг. 2 (отражательный отклик датчика).
[0027] В случае, когда измерительный свет 204 излучается в широкой спектральной области, в переданном свете 206 в месте брэгговской длины волны получается минимум пропускания (по сравнению с профилем, показанным на фиг. 2, инвертированный профиль, т.е. максимум поглощения на брэгговской длине волны). В отраженном свете на этом месте получается максимум отражения, который поясняется ниже со ссылкой на фиг. 2.
[0028] Фиг. 2 схематично иллюстрирует отражательный отклик 400 датчика, который принимается, когда излучается широкополосный измерительный свет 204, и когда центральная длина волны волоконной брэгговской решетки 306 (фиг. 1), то есть, брэгговская длина волны λВ, соответствует пунктирной линии 403. Отражательный отклик 400 датчика может иметь симметричный профиль относительно центральной длины 403 волны, причем профиль имеет ширину 404 половинного значения (FWHM, полная ширина при половинном максимуме), то есть спектральную ширину при половине максимальной интенсивности.
[0029] При этом на фиг. 2 схематично обозначены пространственные точки выборок (кружки). Путем оценки принятого детекторным блоком 104 модифицированного вторичного света 203 теперь можно получить показанный на фиг. 2 профиль, т.е. отражательный отклик 400 датчика как функцию длины волны λ. На фиг. 2, таким образом, представлено распределение интенсивности Ι(λ), то есть, интенсивность света, отраженного от чувствительного элемента 303, как функция длины волны λ. Регистрируемое измерительным устройством распределение длин волн получается в области 405 срабатывания длин волн, который показан двойной стрелкой на фиг. 2. Модифицированный вторичный свет 203 имеет в этой области компоненты длин волн, когда производится измерение с волоконной брэгговской решеткой 306. Модифицированный вторичный свет 203 соответствует тогда отражательному отклику 400 датчика, показанному на фиг. 2, то есть интенсивность отражения 402 принимается как функция длины 401 волны.
[0030] Фиг. 3 показывает блок-схему волоконно-оптического измерительного устройства с источником света, волоконным ответвителем и детекторным устройством или волоконно-оптический блок датчика или рельсовую измерительную систему в соответствии с примерами выполнения настоящего изобретения. На фиг. 3 показан рельс 320, установленный на рельсе волоконно-оптический блок 330 датчика и оптическое измерительное устройство 340. При этом волоконно-оптический блок 330 датчика может быть блоком 303 датчика, показанным на фиг. 1, или подобным ему.
[0031] Рельс 320 может приближенно рассматриваться как балка. Балка, как правило, является несущим звеном стержнеобразной формы, которое может нагружаться нагрузками поперек своей оси. Реакцией балки на нагрузки являются деформации изгиба и сдвига. Если, например, сила действует на рабочую поверхность балки, то она деформируется в рамках деформации изгиба таким образом, что обращенная к рабочей поверхности первая область испытывает сжатие (отрицательное удлинение), а обращенная в сторону от рабочей поверхности вторая область испытывает растяжение (положительное удлинение). Между этими областями находится область, которая не испытывает удлинения при изгибе. Она обозначается как нейтральное волокно. В дополнение к изгибу, существует вышеупомянутая деформация сдвига.
[0032] Показанный на фиг. 3 рельс 320 имеет на нижнем участке подошву 322 рельса, на верхней участке - головку 324. Между ними выполнена приблизительно прямоугольная область 326. Если механическая величина действует на рельс 320, то рельс 320 деформируется с образованием нейтрального волокна 328, как описано выше. Рельс 320 предпочтительно выполнен таким образом, что нейтральное волокно 328 образуется в прямоугольной области 326.
[0033] В соответствии с некоторыми примерами выполнения, волоконно-оптический блок датчика образует с нейтральным волокном угол больше или меньше, чем 0°. Предпочтительно, волоконно-оптический блок датчика может располагаться под углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под углом от -30° до -60°, в частности, -45° относительно нейтрального волокна.
[0034] Установка волоконно-оптического блока 330 датчика под углом от±30° до±60°, в частности, ±45° относительно нейтрального волокна дает преимущество, состоящее в том, что волоконно-оптическим блоком датчика регистрируются деформации сдвига, которые приводят к положительным или отрицательным удлинениям, которые не параллельны нейтральному волокну.
[0035] В соответствии с некоторыми примерами выполнения, волоконно-оптический блок датчика может быть установлен на нейтральном волокне, в частности, покрывать его таким образом, что оптический блок датчика закреплен в двух положениях на рельсе, так что блок датчика пересекается с нейтральным волокном, т.е. одна точка крепления расположена на одной стороне нейтрального волокна, а другая точка крепления расположена на противоположной стороне нейтрального волокна. Далее, в частности, точки крепления могут находиться на одинаковом расстоянии от нейтрального волокна, то есть относительно нейтрального волокна расположены симметрично, в частности, точечно-симметрично.
[0036] На фиг. 3 волоконно-оптический блок 330 датчика установлен на шине 320 с помощью двух точек 332, 334 крепления, которые имеют, например, одно и то же расстояние от нейтрального волокна. Таким образом, деформации изгиба, вызванные в точках 332, 334 крепления действующей на шину механической величиной, компенсируют друг друга, в результате чего деформация сдвига, по существу, измеряется непосредственно или по существу без помех.
[0037] В соответствии с некоторыми примерами выполнения, которые могут быть объединены с другими примерами выполнения, волоконно-оптический блок датчика может быть расположен по существу на уровне или на нейтральном волокне или покрывать его, то есть пересекать. В соответствии с некоторыми примерами выполнения, которые могут быть объединены с другими примерами выполнения, волоконно-оптический блок датчика может быть установлен под углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под углом от -30° до -60°, в частности, -45° относительно нейтрального волокна. В частности, волоконно-оптический блок датчика может быть расположен по существу на уровне или на нейтральном волокне или покрывать его, то есть, пересекать под углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под углом от -30° до -60°. За счет таких типов расположения, только деформации сдвига вводятся в датчик. Они не зависят от изгиба рельса и, следовательно, не зависят от точной опоры рельса на железнодорожное полотно и шпалы.
[0038] Оптическое измерительное устройство, показанное на фиг. 3, имеет источник 341 первичного света, волоконный ответвитель 343 и фотодетектор 345. Оптическое передающее волокно 342 предоставлено между источником 341 первичного света и волоконным ответвителем 343. Волоконный ответвитель 343 направляет первичный свет 201 источника 341 первичного света на волоконно-оптический блок 330 датчика. Отражательный отклик 400 датчика, возвращенный от волоконно-оптического блока 330 датчика в зависимости от действующей на шину 150 механической величины, то есть световой сигнал, в свою очередь, направляется в волоконный ответвитель 343. В волоконном ответвителе 343 возвращенный свет и часть возвращенного света в качестве вторичного света 347 или световой сигнал 347 подается на фотодетектор 345. Детектор регистрирует распределение интенсивности, предпочтительно интенсивность светового сигнала. Например, детектор разрешает изменение центральной длины волны 403 вторичного света 347, отраженного назад от волоконно-оптического блока датчика.
[0039] Кроме того, может быть предусмотрен делитель 344 луча между волоконным ответвителем 343 и фотодетектором 345, который разделяет падающий на него свет и направляет первую часть 347а на фотодетектор 345, а вторую часть 347b через фильтр 346 направляет на второй фотодетектор 348. Фильтр 346 предпочтительно выполнен в виде фильтра с крутым срезом.
[0040] Оценка сигналов в первом фотодетекторе 345 и/или во втором фотодетекторе 348 осуществляется в блоке оценки (не показан), в котором, в частности, может оцениваться световой сигнал. Например, сигналы могут совместно обрабатываться или пересчитываться друг с другом. Предпочтительно, первый и/или второй фотодетектор выполнены как фотодиод, фотоумножитель, лавинный фотодиод или тому подобное. Такие фотодетекторы преобразуют поступающий световой сигнал в фототок, что обеспечивает возможность быстрой и простой оценки. Например, может образовываться разность сигналов, полученных на выполненных как фотодиоды фотодетекторах 345, 348.
[0041] В соответствии с типичными примерами выполнения, детектор может спектрально интегрировать световой сигнал, то есть, детектировать интенсивность без спектрального разрешения, например, после фильтра с крутым срезом. Оптические сигналы фотодиодов могут после фильтра с крутым срезом считываться с высокой частотой, в частности, выше 5 кГц, предпочтительно выше 8 кГц, типично выше 10 кГц, так как осуществляется простая дискретизация фототоков. В качестве альтернативы, детектирование может осуществляться с помощью спектрометра или тому подобного, чтобы разрешать отраженное обратно от волоконно-оптического блока 330 датчика распределение длин волн в соответствии с его спектром. Применение фотодетекторов, в частности фотодиодов, предоставляет преимущество высокой частоты дискретизации при простой схеме измерения. Кроме того, путем выбора наклона характеристики фильтра для фильтра с крутым срезом может быть осуществлено изменение динамической области. При этом номинальный наклон характеристики фильтра, предпочтительно составляет менее 8% на нм, в частности, лежит в области 2%-7%, относительно прошедшей интенсивности. Номинальный наклон обозначает, например, средний наклон характеристики фильтра с крутым срезом, наклон в соответствующей/преобладающей области фильтра с крутым срезом или наклон, который является характеристическим для фильтра с крутым срезом, так называемое репрезентативное значение, применяемое для сравнения различных фильтров с крутым срезом друг с другом в отношении их наклона. Кроме того, типичная центральная длина волны 403 света, отраженного назад от волоконной брэгговской решетки, составляет примерно 1550 нм. Дальнейшие аспекты изменения динамической области будут описаны со ссылкой на фиг. 5А и 5В.
[0042] Считывание сигнала волоконной брэгговской решетки, то есть вызванного действующей на рельс механической величиной изменения сигнала волоконно-оптического блока датчика, может быть осуществлено с помощью представленной выше структуры фильтра с крутым срезом, посредством чего может быть выполнено высокочастотное измерение.
[0043] Кроме того, на фиг. 3 также показаны два волоконно-оптических чувствительных элемента. В соответствии с некоторыми примерами выполнения, второй или дополнительный волоконно-оптический блок датчика предоставляется под дополнительным углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под дополнительным углом от -30° до -60°, в частности, -45° относительно нейтрального волокна, чтобы увеличить область применения. Это показано в связи с фиг. 4. В частности, знак дополнительного угла дополнительного волоконно-оптического блока датчика отличается от знака угла волоконно-оптического блока датчика. При этом, путем суммирования этих двух сигналов может быть предоставлен сигнал, пропорциональный нагрузке на рельс.
[0044] Следует отметить, что хотя на фиг. 3 показано применение двух волоконно-оптических блоков датчиков, могут быть применены три или более волоконно-оптических блоков датчиков, например, для повышения точности измерений. В соответствии с некоторыми примерами выполнения, дополнительные волоконно-оптические блоки датчиков, то есть третий или четвертый волоконно-оптические блоки датчиков могут быть расположены также под углами, описанными в настоящем документе. Но они могут быть расположены под другими углами, например, 0° или 90° относительно нейтрального волокна.
[0045] Первичный свет может быть модулирован по интенсивности перед облучением волоконно-оптических блоков датчиков посредством источника 341 первичного света, чтобы исключить или по меньшей мере снизить нежелательные помехи с применением методов синхронизации. При модуляции интенсивности первичного света 201 с помощью источника 341 первичного света частота модуляции может предоставляться фотодетекторам, чтобы обеспечивать возможность синхронного детектирования в фотодетекторах.
[0046] Кроме того, следует отметить, что хотя на фиг. 3 иллюстрируется измерение в отраженном свете, выполненные в виде волоконной брэгговской решетки волоконно-оптические блоки датчиков также могут эксплуатироваться в проходящем свете таким образом, что прошедший первичный свет 201 в качестве вторичного света (прошедшего вторичного света) 202 подается на оптическое измерительное устройство.
[0047] Фиг. 4 показывает схематичное изображение рельсовой измерительной системы в соответствии с другим примером выполнения. Следует отметить, что здесь компоненты, которые уже описаны со ссылкой на фиг. 3, вновь не упоминаются, во избежание излишнего повторения. Как показано на фиг. 4, рельсовая измерительная система включает в себя рельс 320 и по меньшей мере один волокно-оптический блок 330 датчика. Рельс 320 расположен на множестве шпал. На фиг. 4 показаны две шпалы 410a, 410b, между которыми расположен по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика, как правило, два волоконно-оптических блока 330а, 330b датчиков. В соответствии с формами выполнения, описанными в данном документе, по меньшей мере один блок 330 датчика, в частности, по меньшей мере два блока датчиков установлены на рельсе так, что они образуют с нейтральным волокном угол от ±30° до ±60°, как правило, ±45°. В соответствии с другой формой выполнения предпочтительно, что по меньшей мере один волоконно-оптический блок 330 датчика покрывает нейтральное волокно симметрично, в частности, точечно-симметрично. Он установлен, таким образом, с помощью двух точек 332, 334 крепления на рельсе 320, которые разнесены на одинаковое расстояние от нейтрального волокна. Кроме того, ссылочной позицией 420 для примера показаны колеса поезда, движущегося по рельсу 320.
[0048] Проезжающий поезд через свои колеса 420 воздействует силой на рельс 320, за счет чего, как описано выше, рельс 320 деформируется. За счет этого по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика испытывает положительное или отрицательное удлинение. Это приводит к изменению распределения длин волн, отраженного или прошедшего через по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика. Это регистрируется в виде измеренного сигнала и оценивается, чтобы сделать выводы относительно проходящего поезда. Например, может определяться деформация сдвига, вызванная движением поезда по рельсу.
[0049] В соответствии с некоторыми формами выполнения может предоставляться по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика в измерительной позиции. Оценка измеренного сигнала в этом случае может быть применена для подсчета осей. Измеренный сигнал здесь соответствует свету, отраженному от волоконно-оптического блока датчика и/или прошедшему свету, то есть световому сигналу.
[0050] В соответствии с другими формами выполнения, как показано на фиг. 4, по меньшей мере два волоконно-оптических блока датчика предусмотрены на двух измерительных позициях. В качестве альтернативы или дополнительно волоконно-оптический блок датчика также может иметь два или более оптических волокон с волоконными брэгговскими решетками, которые могут быть установлены на той же самой или различных измерительных позициях. Таким образом, каждый волоконно-оптический блок датчика может иметь по меньшей мере одну предоставленную в оптическом волокне волоконную брэгговскую решетку, которая имеет брэгговскую длину волны, зависящую от действующей механической величины. Оценка измеренных сигналов по меньшей мере двух волоконно-оптических блоков датчиков или по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика с по меньшей мере двумя волоконными брэгговскими решетками может включать в себя определение нагрузки на рельс, измерение скорости, распознавание направления проходящих поездов, повреждений колес поездов на рельсе и/или классификацию проходящих поездов.
[0051] На фиг. 4 два волоконно-оптических блока 330a, 330b датчиков установлены в двух измерительных позициях на рельсе 320. Рельс 320 может при этом разделяться на три участка. Первый участок расположен вблизи первой шпалы 410а и между первой и второй шпалой 410а, второй участок расположен между первой и второй шпалой 410а, 410b, и третий участок расположен вблизи второй шпалы 410b и между первой и второй шпалой 410а, при этом второй участок лежит между первым и третьим участком. Например, первый, второй и третий участки делят область между двумя шпалами на три равновеликие трети. Предпочтительно первый волоконно-оптический блок 330a датчика установлен на первом участке, а второй волоконно-оптический блок 330b датчика предпочтительно установлен на третьем участке. В соответствии с некоторыми формами выполнения, которые могут быть объединены с другими формами выполнения, волоконно-оптические блоки датчиков также могут находиться в области шпалы, то есть ближе, чем в области 30% расстояния между шпалами. Например, первый и/или третий участки могут составлять 15% области между двумя шпалами, а второй участок составляет 70% области между двумя шпалами. Как показано на фиг. 4, первый волоконно-оптический блок 330а датчика составляет положительный угол с нейтральным волокном 326, а второй волоконно-оптический блок 330b датчика составляет отрицательный угол с нейтральным волокном 326. В частности, первый и второй волоконно-оптические блоки 330a, 330b датчиков имеют равный по величине угол с разными знаками. Как правило, первый и второй волоконно-оптические блоки 330а, 330b датчиков расположены зеркально-симметрично.
[0052] В соответствии с некоторыми формами выполнения, предоставлен по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика с переменным углом относительно нейтрального волокна, который изменяется в зависимости от расстояния между волоконно-оптическим блоком датчика и шпалой. В частности, переменный угол более отвесный, когда волоконно-оптический блок датчика размещен вблизи шпалы, и становится более плоским, чем дальше волоконно-оптический блок датчика устанавливается посередине между двумя соседними шпалами. Это дает преимущество, состоящее в том, что волоконно-оптический блок датчика может быть ориентирован на действующие в различных направлениях вдоль рельса напряжения сдвига.
[0053] В соответствии с некоторыми примерами выполнения, может выполняться оценка высокочастотного измеренного сигнала для регистрации прохождения высокоскоростных поездов. Здесь являются предпочтительными частоты измерений более 5 кГц, как правило, более 8 кГц, особенно предпочтительно более 10 кГц. Как правило, оптические сигналы после фильтра с крутым срезом могут считываться с высокой частотой, так как осуществляется простая электрическая развертка фототоков.
[0054] Путем установки оптического волокна или волоконно-оптического блока датчика под углом относительно нейтрального волокна, как правило, равным 30°-60°, в частности, 45°, так что оптическое волокно или волоконно-оптический блок датчика покрывает нейтральное волокно рельса посредине, только деформации сдвига вводятся в датчик. Они не зависят от изгиба рельса и, следовательно, не зависят от точной опоры рельса на железнодорожное полотно и шпалы. Путем применения двух параллельных измерительных систем этого типа и размещения датчиков под углами с разными знаками близко друг к другу, а также суммирования этих обоих сигналов, может быть сгенерирован сигнал, пропорциональный нагрузке на рельсы.
[0055] Кроме того, из-за прохождения поездов возникают нагрузки на ось на одном и том же рельсе от 200 кг до 50000 кг, что обуславливает высокую динамическую область (большую область измерений). Высокая динамическая область требует значительного подъема измеренного сигнала относительно уровня неопределенности измерений (высокого отношения сигнал-шум), чтобы иметь возможность надежно детектировать также слабые сигналы (требования надежности для частоты ошибок лучше, чем 1 ppm). При слабых сигналах, при измерении с помощью датчиков на волоконной брэгговской решетке существует проблема поляризационной ошибки. Эта ошибка является внутренне присущей ошибкой измерения системы и для этих измерительных систем имеет фиксированную величину, которая определяется применяемым датчиком на волоконной брэгговской решетке. Так как уровень сигнала из-за удлинений на рельсе жестко задан, то отношение этого сигнала к неопределенности измерения не может быть легко преодолено. Тем самым, очень малые нагрузки на ось не могут быть надежно детектированы. Следовательно, некоторые формы выполнения настоящего изобретения предлагают усиление существующего удлинения на рельсе с помощью соответствующего рычажного узла или преобразовательной структуры.
[0056] Фиг. 5А и 5В показывают схематичные изображения преобразовательной структуры 510, применяемой в волоконно-оптическом блоке датчика в соответствии с еще одним примером выполнения.
[0057] Как показано на фиг. 5А, преобразовательная структура 510 имеет Н-образную форму, но не ограничивается этим. В принципе, преобразовательная структура может иметь любую подходящую форму, пока она обеспечивает усиление удлинения рельса на оптическом волокне с волоконной брэгговской решеткой, для повышения чувствительности. Преобразовательная структура, показанная на фиг. 5А, состоит из двух разнесенных стержней 512а, 512b и перемычки 514, соединяющей стержни 512a, 512b. Перемычка 514 также представляет собой неподвижную точку или точку поворота преобразовательной структуры, относительно которой преобразовательная структура поворачивается при действии силы.
[0058] Оптическое волокно 304 с предоставленной волоконной брэгговской решеткой 306 натянуто на двух точках 516a, 516b подвески на первом участке между двумя стержнями 512а, 512b. Преобразовательная структура 510 посредством двух предусмотренных на втором участке точек 518a, 518b крепления закреплена на рельсе 320. Соответственно, первое плечо рычага с длиной lArm1 определено посредством расстояния от точек 516а, 516b подвески до перемычки 514 и второе плечо рычага с длиной lArm2 посредством расстояния от точек 518a, 518b крепления до перемычки 514. Отношение плеч рычага, k, вычисляется, таким образом, как k=lArm1/lArm2. Даже если отношение плеч рычага определяется двумя расстояниями, отношение плеч рычага может также быть отрицательным, если, например, как показано на фиг. 5А и 5В, неподвижная точка или точка поворота преобразовательной структуры расположена между точками крепления преобразовательной структуры для крепления к рельсу и точками подвески волокна на преобразовательной структуре. Если точки крепления преобразовательной структуры для крепления к рельсу и точки подвески волокна к преобразовательной структуре расположены на одной и той же стороне от неподвижной точки или точки поворота рычага, то отношение плеч рычага положительно. Расположение неподвижной точки или точки поворота преобразовательной структуры относительно точек крепления на рельсе и точкам подвески для оптического волокна, таким образом, определяет знак отношения плеч рычага. Предпочтительно, отношение плеч рычага, k, больше по величине, чем 1, в частности больше, чем 2, предпочтительно от 2 до 3.
[0059] На фиг. 5В показана преобразовательная структура, когда рельс удлиняется, например, под действием механической силы или из-за изменения температуры. Как показано на фиг. 5В, расстояние между точками 518a, 518b крепления изменяется, что приводит к изменению расстояния между точками 516a, 516b подвески. Предпочтительно отношение плеч рычага по величине больше, чем 1, в частности, больше, чем 2, предпочтительно между 2 и 3. При этом оптическое волокно 304 растягивается сильнее (положительно или отрицательно), чем рельс 320, что приводит к усилению измеренного сигнала. Таким образом, отношение сигнала к неопределенности измерения повышается, в результате чего даже слабые сигналы могут быть надежно зарегистрированы.
[0060] В соответствии с типичными формами выполнения, которые могут быть объединены с другими формами выполнения, усиление или отношение плеч рычага, k, по величине больше, чем 1. Передаточное отношение может быть отрицательным, например, как представлено на фиг. 5А и 5В, или может быть положительным, в частности, если точки крепления преобразовательной структуры для крепления на рельсе и точки подвески волокна в преобразовательной структуре расположены на одной и той же стороне от неподвижной точки или точки поворота рычага. Фиг. 5А и 5В иллюстрируют примерную конфигурацию. Другие формы выполнения рычагов в соответствии с примерами выполнения, описанными здесь, также возможны, причем k по величине больше, чем 1 и, в частности, возможна описанная ниже температурная компенсация. В зависимости от формы рычага, например, в зависимости от того, является ли передаточное отношение положительным или отрицательным, волокно может с меньшим или большим предварительным натяжением закрепляться между точками 516а, 516b подвески.
[0061] Это также приводит к увеличению чувствительности. в соответствии с некоторыми формами выполнения, наклон фильтра с крутым срезом может выбираться соответственно плоским, он может, в частности, иметь номинальный наклон менее 8% на нм, в частности, между 2% и 7% на нм, относительно прошедшей интенсивности, чтобы перекрыть всю область измерений или динамическую область. Таким образом, в контексте описанных здесь форм выполнения, чувствительность повышается за счет преобразовательной структуры, и область измерения увеличивается также за счет описанного здесь плоского наклона фильтра с крутым срезом. Это позволяет выполнять надежное измерение сильно изменяющихся нагрузок на ось.
[0062] За счет того, что в показанной на фиг.3 и фиг. 4 оптической и электрической компоновке обеспечивается, таким образом, измерительная система на основе датчиков на волоконной брэгговской решетке, которая может преобразовывать механическую величину с помощью оптических элементов в электрический сигнал. Кроме того, механически действующая величина может увеличиваться с помощью показанной на фиг. 5 преобразовательной структуры, что обуславливает изменение оптического сигнала, которое может быть зарегистрировано при повышенной чувствительности, что должно оцениваться с помощью электроники. Таким образом, требования к блоку оценки в отношении области измерений повышаются, во всяком случае, предоставляется сигнал, имеющий лучшее отношение сигнал-шум, что приводит к более низкой частоте появления ошибок. Как правило, область измерения измерительного устройства регулируется путем регулировки фильтра с крутым срезом таким образом, чтобы он соответствовал новой динамической области сигнала удлинения. В некоторых формах выполнения характеристика фильтра в измерительном устройстве выбирается более плоской, например, 8% на нм или менее, и в частности устанавливается на значение между 2% и 7% на нм, относительно интенсивности прошедшего света. Тем самым ошибки измерения измерительного устройства дополнительно уменьшаются.
[0063] В соответствии с некоторыми формами выполнения измеренный сигнал за счет преобразовательной структуры может настолько усиливаться, что измеренный сигнал выходит из области измерения при высоких нагрузках. Здесь происходит тогда ограничение измеренного сигнала. Хотя в этом случае уже не может количественно регистрироваться корректное измеренное значение для нагрузки на ось, однако, качественные выводы могут быть сделаны. Например, блок оценки может генерировать выходной сигнал, соответствующий прохождению поезда с массой большей, чем заданное значение. Кроме того, такой сигнал может быть применен для подсчета осей.
[0064] Например, ограничение осуществляют, если измеренный сигнал выходит из области фильтрации фильтра с крутым срезом, таким образом, он больше не будет фильтроваться или изменяться фильтром с крутым срезом, так что дифференциальная оценка с неотфильтрованным сигналом больше не показывает количественной разницы. Это, например, имеет место в том случае, когда поезд с такой высокой нагрузкой на ось проходит мимо волоконно-оптического блока датчика или останавливается в области волоконно-оптического блока датчика, что сгенерированный измеренный сигнал лежит в области фильтра с крутым срезом, в котором последний более не имеет релевантного наклона.
[0065] Кроме того, одна форма ограничения также может возникать в оптическом волокне 304. Оно подвешено, в соответствии с некоторыми формами выполнения, с предварительным натяжением между точками подвески преобразовательной структуры или на рельсе, так что также сжатия (отрицательные удлинения) приводят к измеренному сигналу. Предварительное натяжение может при этом выбираться так, что оптическое волокно 304, начиная с возникновения определенного механического силового действия, испытывает такие высокие сжатия, что предварительное натяжение потребляется, и оптическое волокно 304, в частности, провисает. В этом случае, едва ли может быть получен какой-либо количественный вывод. Тем не менее, все еще генерируется соответствующий проходящему поезду измеренный сигнал. С его помощью можно, например, выполнять счет осей или определение скорости. Как правило, предварительное натяжение оптического волокна выбирается таким образом, что вызванные механической величиной изменения длины оптического волокна 304, в частности, волоконной брэгговской решетки 306, приводят к изменениям длины волны, которые находятся в области от 5 нм до 10 нм, в частности, менее 12 нм. Если ожидаемые изменения длины лежат, например, на границе или за пределами области, то вышеописанный способ подвески оптического волокна дает преимущество, состоящее в том, что механическое напряжение на оптическом волокне может быть уменьшено, так как оно при высоких нагрузках более не должно следовать высоким изменениям длины.
[0066] В соответствии с одной формой выполнения, может быть предоставлен способ измерения с блоком датчика в соответствии с описанными здесь формами выполнения или с рельсовой измерительной системой в соответствии с описанными здесь формами выполнения, причем в первой области измерения генерируется сигнал, пропорциональный нагрузке на ось, а во второй области измерений, в частности, для нагрузок на ось, которые выше, чем в первой области измерений, генерируется сигнал, не пропорциональный нагрузке на ось, например, сигнал, который указывает только существование оси. Вторая область может осуществляться за счет ограничения, например, в соответствии с одним из вышеуказанных аспектов.
[0067] Вышеописанные изменения длины не должны охватывать всю область регулирования оптического волокна 304 или волоконной брэгговской решетки 306. Как правило, оптическое волокно 304 нагружается таким предварительным натяжением, что центральная длина волны 403 без действия механической величины извне, например, действия механической величины из-за проезжающего поезда, лежит приблизительно в центре доступной области регулирования, например, чтобы иметь возможность компенсировать изменения температуры.
[0068] Кроме того, преобразовательная структура за счет соответствующего выбора материалов и размеров, в частности, наряду с выбором подходящего предварительного натяжения для оптического волокна, может применяться для температурной компенсации. При изменениях температуры происходит удлинение рельса. Это удлинение может вызывать смещение или сдвиг сигнала и приводить к ошибкам измерения. Поэтому для применений абсолютных измерений, таких как измерение нагрузки и взвешивание поезда, предпочтительна температурная компенсация.
[0069] В соответствии с некоторыми формами выполнения, описанными здесь, путем регулировки коэффициента удлинения рычага может быть достигнута температурная компенсация. При этом геометрия и материал рычага выбираются таким образом, чтобы удлинение волокна и рельса компенсировалось к нулю. В соответствии с некоторыми формам выполнения, для температурной компенсации, коэффициент удлинения преобразовательной структуры в случае преобразовательной структуры с отрицательным передаточным отношением меньше, чем коэффициент удлинения рельса. В соответствии с другими формами выполнения для температурной компенсации коэффициент удлинения преобразовательной структуры в случае преобразовательной структуры с положительным передаточным отношением больше, чем коэффициент удлинения рельса.
[0070] Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на типичные примеры выполнения, оно не ограничено ими, но может быть модифицировано различными способами. Настоящее изобретение не ограничено вышеназванными возможностями применения.
Реферат
Описано применение по меньшей мере одного волоконно-оптического блока датчика для измерения механической величины, которая действует на рельс с продольной протяженностью и проходящим вдоль продольной протяженности нейтральным волокном. Предоставлен по меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика под углом от 30° до 60°, в частности, 45° относительно нейтрального волокна или под углом от -30° до -60°, в частности, -45° относительно нейтрального волокна. По меньшей мере один волоконно-оптический блок датчика облучается первичным светом для генерирования светового сигнала в отражении или пропускании. Регистрируется интенсивность светового сигнала. Световой сигнал оценивается. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.
