基于光纤光栅传感器的桥上无缝线路钢轨综合测试方法

摘要

本发明公开了一种基于光纤光栅传感器的桥上无缝线路钢轨综合测试方法，可以沿线路方向在钢轨上设置多个测点，通过一根带有若干光纤光栅传感器(每个测点需要对应4个传感器)的光缆实现对这若干测点的钢轨纵向力、伸缩附加力、轨温的测量，从而实现沿线路方向线路参数的连续测量。本发明方法利用一根光缆对无缝线路进行综合测试，直接进行桥上(或路基上)伸缩附加力的测量，并测量结果可以实现相互验证，设备体积小、受恶劣环境干扰小。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道建设技术领域，特别是一种桥(路基)上无缝线路综合测试技术。

背景技术

在现有技术中，光纤光栅传感器应用于无缝线路测量，但是其主要是采用单参数的测试方法进行钢轨纵向力及轨温测试,测试原理也较为模糊，存在以下缺点：

①未实现钢轨伸缩附加力的直接测量；

②测量物理量较多时，现场铺设光缆较多；

③测量数据单一，不能对测量结果进行相互验证；

④用光纤光栅传感器测量无缝线路时，测试原理较为模糊。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种基于光纤光栅传感器的桥上(路基上)无缝线路钢轨综合测试方法，使之能克服现有技术的以上缺点。

本发明目的可通过如下手段实现：

基于光纤光栅传感器的桥上无缝线路钢轨综合测试方法，可以沿线路方向在钢轨上设置多个测点，通过一根带有若干光纤光栅传感器(每个测点需要对应4个传感器)的光缆实现对这若干测点的钢轨纵向力、伸缩附加力、轨温的测量，从而实现沿线路方向线路参数的连续测量：

其中：

1)、四个光纤光栅传感器FBG1、FBG2、FBG3和FBG4顺序串联在光缆上并固定在被测钢轨的轨腰处；光纤光栅传感器FBG1和FBG2基于双向应变法测量钢轨纵向力F_z,FBG3测量钢轨伸缩附加力F_s，FBG4测量轨温T；光纤光栅传感器FBG1、FBG3和FBG4沿轨道长度方向水平设置，FBG2垂直设置；

2)、由1)结果得到的量值通过下式进行测量结果的验证：

F_z＝F_t+F_s＝EFβ(T-T_s)+F_s

式中：E为钢轨的弹性模量，F为钢轨的截面面积，β为钢轨线膨胀系数，轨温为T，锁定轨温T_s；基本温度力F_t。

本发明方法利用一根光缆对无缝线路进行综合测试，直接进行桥上(或路基上)伸缩附加力的测量，测量结果可以实现相互验证，设备体积小、受恶劣环境干扰小。

附图说明：

图1为本发明方法的示意图，

图2为应变计安装图。

图3为测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详述。

下列公式推导中要到的参数意义：

K_T为光纤光栅传感器的相对温度灵敏度系数，K_T＝ζ+α；

K_ε为光纤光栅传感器相对波长应变灵敏度系数；

ζ为热光系数；

α为光纤光栅材料线膨胀系数；

λ为中心波长；

Δλ为波长改变量；

ε_f为钢轨附加伸缩力引起的应变；

β为钢轨线膨胀系数；

μ为钢轨的泊松比；

光纤光栅传感器的基本原理：该式中的ε为光纤传感器由于受到力而产生的应变，不包括自由伸缩产生的应变。

(1)FBG1与FBG2传感器测量钢轨纵向力

FBG1对应的值：$>\frac{\Delta {\lambda }_1}{{\lambda }_1}=K_{ϵ}+K_T\mathrm{\Delta T}=K_{ϵ}({ϵ}_f-\mathrm{\alpha \Delta T})+\mathrm{\zeta \Delta T}$>(不能自由伸缩)

FBG2对应的值：

$>\frac{\Delta {\lambda }_1}{{\lambda }_1}=K_{ϵ}ϵ+K_T\mathrm{\Delta T}=K_{ϵ}[-\mu {ϵ}_f+\mathrm{\mu \beta \Delta T}+(\beta -\alpha )\mathrm{\Delta T}]+(\zeta +\alpha )\mathrm{\Delta T}$>(被测物体线膨胀系数大于传感器的)

则：$>\frac{\Delta {\lambda }_1}{{\lambda }_1}-\frac{\Delta {\lambda }_2}{{\lambda }_2}=K_{ϵ}(1+\mu )({ϵ}_f-\mathrm{\beta \Delta T})-\mathrm{\alpha \Delta T}$>

则：$>\left(\begin{array}{c}{F}_z=F_t+F_s=-\mathrm{EF\beta \Delta T}+\mathrm{EF}{ϵ}_f\\ =\mathrm{EF}({ϵ}_f-\mathrm{\beta \Delta T})\\ =\frac{\mathrm{EF}}{K_{ϵ}(1+\mu )}(\frac{\Delta {\lambda }_1}{{\lambda }_1}-\frac{\Delta {\lambda }_2}{{\lambda }_2}+\mathrm{\alpha \Delta T}(1-K_{ϵ}))\\ =\frac{\mathrm{EF}}{K_{ϵ}(1+\mu )}(\frac{\Delta {\lambda }_1}{{\lambda }_1}-\frac{\Delta {\lambda }_2}{{\lambda }_2})-\frac{\mathrm{EF\alpha \Delta T}}{K_{ϵ}}\end{array}\right)$>

上式中在测量结果中仅能考虑而不能考虑但是当光纤光栅传感器一定时，其对应的K_ε是定值，因此可以利用测试原理对测试结果进行修正，以达到精确测量钢轨纵向力。

(2)FBG3传感器测量钢轨伸缩附加力

FBG3传感器是一个特殊的传感器，其局部如图3所示。

该光纤光栅传感器是由两个光栅组成的，但是其外包层的截面面积不同，因此在A、B两点粘贴在钢轨上时，由于钢轨应变使传感器受到一定的力，从而对两个光栅产生应变，测量出相应中心波长改变。

对于钢轨两组扣件之间钢轨受到的轴向力是一定的，因此由附加伸缩力产生的应变为ε_f，但是由于一个传感器的两个光纤光栅的截面积不同，因此其对应的应变也是不同的，推导如下：

对整个传感器：$>{ϵ}_f=\frac{\Delta l_2+\Delta l_2}{l_1+l_2}$>>

对单个传感器：$>{ϵ}_{3-1}=\frac{\Delta l_1}{l_1},{ϵ}_{3-2}=\frac{\Delta l_2}{l_2}$>>

由于两个传感器在一个轴上，因此存在下列关系：

E_3-1A_3-1ε_3-1＝E_3-2A_3-2ε_3-2>

考虑到外包层的材料相同，因此其弹性模量是相同的，则式4可以简化为：

A_3-1ε_3-1＝A_3-2ε_3-2(式5)

将式5带入2、3可以得到：

$>{ϵ}_{3-1}=\frac{l_1+l_2}{l_1(1+\frac{A_{3-2}{l}_1}{A_{3-1}{l}_2})}{ϵ}_f$>

(式6)

$>{ϵ}_{3-2}=\frac{l_1+l_2}{l_2(1+\frac{A_{3-2}{l}_1}{A_{3-1}{l}_2})}{ϵ}_f$>

将式6带入(需要考虑约束传感器的约束状态)，同时考虑由于两个光栅所在位置近，其温度变化应该是相同的，均取为ΔT，则得到：

$>\left(\begin{array}{c}\frac{\Delta {\lambda }_{3-1}}{{\lambda }_{3-1}}=K_{ϵ3-1}\frac{l_1+l_2}{l_1(1+\frac{A_{3-2}{l}_1}{A_{3-2}{l}_2})}{ϵ}_f+{\zeta }_{T3-1}\mathrm{\Delta T}\\ \frac{\Delta {\lambda }_{3-2}}{{\lambda }_{3-2}}=K_{ϵ3-2}\frac{l_1+l_2}{l_2(1+\frac{A_{3-2}{l}_1}{A_{3-1}{l}_2})}{ϵ}_f+{\zeta }_{T3-2}\mathrm{\Delta T}\end{array}\right)$>(式7)

当两种光纤传感器的材料一致时，其对应的光纤光栅传感器的相对温度灵敏度系数及光纤光栅传感器相对波长应变灵敏度系数是一致的，分别为K_T3、K_ε3，因此式7中的两式相减就可以直接将温度引起的影响消除：

$>\frac{\Delta {\lambda }_{3-1}}{{\lambda }_{3-1}}-\frac{\Delta {\lambda }_{3-2}}{{\lambda }_{3-2}}=K{ϵ}_f$>>

式中$>K=K_{ϵ3}(\frac{l_1+l_2}{l_1(1+\frac{A_{3-2}{l}_1}{A_{3-1}{l}_2})}-\frac{l_1+l_2}{l_2(1+\frac{A_{3-2}{l}_1}{A_{3-1}{l}_2})}).$>

则：$>F_s=\mathrm{EF}{ϵ}_f=\frac{\mathrm{EF}}{K}(\frac{\Delta {\lambda }_{3-1}}{{\lambda }_{3-1}}-\frac{\Delta {\lambda }_{3-2}}{{\lambda }_{3-2}}).$>

(3)FBG4传感器测量轨温(只能是某点的温度)

该处的光纤光栅传感器为普通的传感器，只是传感器贴靠钢轨使其温度与钢轨对应位置处温度保持一致，但是传感器处于松弛状态不受钢轨应变的影响，因此测量的结果即为光纤传感器温度变化引起的波长变化，从而可以得到轨温变化ΔT。

对于FBG4：则可以得到：

$>\mathrm{\Delta T}=\frac{\Delta {\lambda }_4}{K_T{\lambda }_4}$>(式9)

上述针对较佳实施例的具体描述，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。