光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测方法及装置

摘要

一种光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测装置，它包括：M个光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、N个光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、P个光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、Q个光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、R个光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器，多通道光纤光栅波长解调仪、数据处理终端及报警装置。上述各组合传感器，分别装在高速铁路无碴轨道结构的状态监测点，直接接触钢轨、道床及底座或支撑层固定，各传感器的波长输出信号分别通过传输光纤接至上述解调仪，再送往实时数据处理终端及报警装置，监测到异常状态启动报警装置预警。

说明书

技术领域：

本发明属于光纤光栅传感技术应用于高速铁路的无砟轨道结构的施工、运营、维护及保养领域，涉及光纤光栅传感无砟轨道结构中的钢轨和板式道床的温度、应变、横向位移、纵向位移、垂向位移、横向加速度、纵向加速度、垂向加速度状态的监测方法及装置。

背景技术：

据国家《中长期铁路网规划(2008年调整)》目标，未来我国将全面建设形成覆盖主要人口及产业聚集区的四纵四横高速铁路网，到2020年，总里程将会超过1.6万公里，同时我国企业已经承揽了50多个国家和地区的铁路建设项目，已遍及亚洲、非洲、大洋洲和美洲等50多个国家和地区，几十个国家都希望加强与我国在高速铁路的交流与合作。随着高速铁路技术的发展，铁路列车运行速度的提高，加剧了轨道和道床的结构状态的恶化。在高速铁路的建设、运营及维护过程中，为提高列车的安全、舒适性，针对高速铁路无砟轨道结构中的钢轨和板式道床的温度、应变、横向位移、纵向位移、垂向位移、横向加速度、纵向加速度、垂向加速度状态的实时准确监测，对确保高速铁路运输安全具有重要意义，已成为铁路工作中的一项重要基础工作。

轨道检测最原始的方法用轨距水平测量仪对铁路钢轨间的距离和水平度进行测量，用激光水平测量仪对轨道的水平度进行测量；应用高精度电子水准仪和全站仪由专业测量队伍进行测量分析。目前轨道检测的设备主要是轨道检查车，发达国家大多数拥有自己研制生产的中高速或高速轨道检查车。奥地利Plasser公司的EM-250型轨道检查车、日本的East-i综合检测列车、美国Ensco和ImageMap公司的轨道检查车、德国OMWE和RAILAB轨道检查车、法国MGV综合检测列车、意大利“阿基米德号”综合检测列车。国内轨道检测技术经过二十余年的集成创新研究，已初步形成了国内轨道检测技术体系，从检测系统类型划分为GJ-3、GJ-4、GJ-5三种类型。2009年3月27日，由中国南车集团南京浦镇车辆厂自主研制的我国首辆200km/h轨道检测车顺利下线。它们大多以计算机为数据处理主体，应用激光陀螺、惯性传感器技术、卫星定位技术、激光摄像、高速图像处理技术、光电转换、伺服、数字滤波、局域网技术等对轨检信号进行模拟与数字混合处理，对轨道状态作出综合评价。与发达国家相比，我国轨道检查车的性能和应用标准还存在一定差距，部分关键传感器未能国产化，对轨道检查车的检测数据还不能充分利用。已有的GPS定位测试位移技术应用在无砟轨道及板式道床结构的状态监测，只能测试监测点与基准点之间的位移，多点测试时系统复杂，不能监测轨道的温度且精度有限。图像拍摄法和激光定位扫描法应用在无砟轨道及板式道床结构的状态监测，安装复杂，信号处理难度大，不能监测温度，也只能测试监测点与基准点之间的位移，且易受到高速列车通过时的振动及气流的影响以及外界信号的干扰等，稳定性差。便携式地面雷达变形监测仪在测量精度，安装布置实施操作方面有待改进。高速铁路无砟轨道的轨道温度检测工作对高速列车的运行安全保障有着重要的意义，当前我国的轨道温度监测操作主要依靠人工定点定时完成，工作强度大，安全性差，且占据了列车的运行时间，数据量有限，不能实时在线监测，难以为高速铁路的健康运行提供科学的决策依据。

发明内容：

本发明针对上述现有技术的不足：提供一种光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测方法及装置。本发明的监测方法及装置实用，可以常年不间断式综合监测高速铁路桥梁、涵洞、道岔、车站乃至整个铁路网多点及多区的无砟轨道结构中的钢轨和板式道床的温度、应变、横向位移、纵向位移、垂向位移、横向加速度、纵向加速度、垂向加速度，且传感器没有破坏无砟轨道结构，而且是直接实时测量，重复性好，本质绝缘，系统稳定性好，抗干扰能力强。

本发明的技术方案：一种光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测装置，它包括：M个光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、N个光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、P个光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、Q个光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、R个光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器，传感器外壳、固定装置、辅助装置、传输光纤、多通道光纤光栅波长解调仪、数据处理终端及报警装置；所述的光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器，分别借助传感器外壳、固定装置、辅助装置安装在无砟轨道结构的状态监测点，上述的各组合传感器的波长输出信号分别通过传输光纤接至多通道光纤光栅解调仪，多通道光纤光栅波长解调仪、数据处理终端及报警装置电路顺序相连，多通道光纤光栅波长解调仪将解调出的波长变化信号，送往实时数据处理终端及报警装置。

本发明的一种光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测方法，总计形成M+N+P+Q+R个无砟轨道结构状态监测点。

本发明所采用的光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高，波长绝对编码，抗电磁干扰及防雷击，且可大规模复用组网，使其成为高速铁路无砟轨道结构状态实时监测的理想传感材料。

本发明通过工艺将光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、传感器外壳、固定装置、辅助装置安装在高速铁路监测区域的无砟轨道结构的钢轨和板式道床上，形成实时获取轨温、钢轨内应力、横向位移、纵向位移、垂向位移、横向加速度、纵向加速度、垂向加速度的监测点；多通道光纤光栅解调仪中的光源发出的光信号送往监测区域的所有光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器；当钢轨的温度、钢轨的应变、钢轨的横向位移和纵向位移及垂向位移、钢轨的横向加速度和纵向加速度及垂向加速度、板式道床的横向位移和纵向位移及垂向位移、板式道床的横向加速度和纵向加速度及垂向加速度变化时，引起监测点的光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器的光纤光栅的中心波长变化；波长变化信号经传输光纤送往多通道光纤光栅波长解调仪；多通道光纤光栅波长解调仪输出的波长变化信号再送往数据处理终端，利用数据处理终端得到的无砟轨道结构中的钢轨和板式道床的温度、应变、横向位移、纵向位移、垂向位移、横向加速度、纵向加速度、垂向加速度状态变化数据，可以实时监测高速铁路无砟轨道结构的钢轨和道床状态，可以实时三维重建钢轨、板式道床的变化，遇到异常状况送往实时报警装置，进而实时预警。

本发明的光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测装置，当需要测量多点多区时，只需在无砟轨道结构的钢轨和板式道床测量点处安装光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器即可，通过传输光纤传输到多通道光纤光栅波长解调仪解调出波长变化信号，进而获得无砟轨道结构中的钢轨及板式道床的温度、应变、横向位移、纵向位移、垂向位移、横向加速度、纵向加速度、垂向加速度数据。

本发明适用于高速铁路的建设、运营及维护，利用安装在高速铁路桥梁、涵洞、道岔、车站乃至整个铁路网无砟轨道结构中的钢轨及板式道床监测点的光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器，可以实现对高速铁路桥梁、涵洞、道岔、车站乃至整个铁路网的无砟轨道结构中钢轨温度和应变变化、钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移变化、钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度变化、板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移变化、板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度的监测，通过上述监测数据进而构建高速铁路无砟轨道结构的实时安全监测网络，为实现高速铁路安全的设计、施工、运营、养护的智能化管理，健康有序运营提供可靠保障。

本发明的优点：与已有的无砟轨道结构检测技术相比，可以长时间多点多区乃至整个高铁网络的无砟轨道结构中的钢轨和板式道床的结构的温度、应变、位移及加速度进行监测，具有波长编码、本质绝缘，抗电磁雷击干扰，稳定性好，抗干扰能力强，且不影响高速列车的在线运营。

附图说明：

图1为光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测装置整体结构示意图

图中图例说明：A-轨道；B-道床；1-光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器(注：图中另含传感器外壳、固定装置、辅助装置)；

2-光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器(注：图中另含传感器外壳、固定装置、辅助装置)；

3-光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器(注：图中另含传感器外壳、固定装置、辅助装置)；

4-光纤光栅板式道床温度和横向位移及纵向位移组合传感器(注：图中另含传感器外壳、固定装置、辅助装置)；

5-光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器(注：图中另含传感器外壳、固定装置、辅助装置)；

6-传输光纤；7-多通道光纤光栅波长解调仪；8-数据处理终端；9-报警装置。

具体实施方式：

本发明提出的一种光纤光栅传感无砟轨道结构状态监测方法及装置，如图1所示，在高速铁路桥梁、涵洞、道岔、车站乃至整个铁路网无砟轨道结构的钢轨和板式道床的测量点安装M个光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、N个光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、P个光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、Q个光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、R个光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5，可以监测高速铁路桥梁、涵洞、道岔、车站乃至整个铁路网的无砟轨道结构的钢轨温度变化、钢轨应变、钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移、钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度、板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移、板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度变化，下面通过以下实施例，来进一步描述本发明的具体实施方式：

1：系统装置包括M个光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、N个光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、P个光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、Q个光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、R个光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5，传感器外壳、固定装置、辅助装置、传输光纤6、多通道光纤光栅波长解调仪7、数据处理终端8、报警装置9。

2：光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5是基于光纤光栅传感材料、固化剂及与金属材料结构封装设计而成；传感器外壳、固定装置、辅助装置采用与钢轨及板式道床材料特性和结构的匹配设计；传输光纤6采用单模光纤；光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器 4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5设计成适合钢轨和板式道床测量要求和实际测试所需形状及尺寸的结构；多通道光纤光栅波长解调仪7设计具有能够解调多个钢轨和板式道床监测点传感器波长的能力，数据处理终端8能够分析测量数据，产生数据报表，长期保存数据，具有异常情况启动报警装置9的功能；报警装置9可以产生声光报警信号，发出基于GPRS短信的报警信号，启动电话自动拨号。

3：首先完成光纤光栅无砟轨道结构中光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5、传感器外壳、固定装置、辅助装置与钢轨和板式道床相容的匹配结构设计，传输光纤6选取单模光纤，多通道光纤光栅波长解调仪7、数据处理终端8、报警装置9的软硬件设计。

4：借助工艺在无砟轨道结构的钢轨和板式道床测量点处，借助传感器外壳、固定装置、辅助装置安装好光纤光栅无砟轨道结构中光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5。再将光纤光栅无砟轨道结构中光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5的波长信号输出端利用传输光纤6连接到多通道光纤光栅波长解调仪7，再连接到数据处理终端8及报警装置9。

5：多通道光纤光栅解调仪7中的光源发出的光信号送往监测区域的光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5；当钢轨的温度、应变、横向位移和纵向位移及垂向位移、横向加速度和纵向加速度及垂向加速度发生变化时，板式道床的横向位移和纵向位移及垂向位移变化、横向加速度和纵向加速度及垂向加速度变化时引起监测点的光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5的光纤光栅的中心波长变化时，利用传输光纤6将波长变化信号经传感器外壳、固定装置、辅助装置送往多通道光纤光栅波长解调仪7；

6：波长变化数据经多通道光纤光栅波长解调仪7识别，再送往数据处理终端8，数据处理终端8实时监测无砟轨道结构的钢轨温度变化和应变变化、钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移、钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度、板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移、板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度变化，保存监测点的钢轨温度变化和应变变化、钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移、钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度、板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移、板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度变化变化数据，分析数据，产生有关结构状态监测报表，实时重建钢轨和板式道床的结构状态变化并保存数据，异常状态启动报警装置9预警。通过上述监测技术及装置进而组建高速铁路桥梁、涵洞、道岔、车站乃至整个铁路网无砟轨道结构的实时安全监测网络，实现高速铁路安全建设、运营、维护的智能化管理，进而提高高速铁路的安全管理和健康有序运营。

7：在光纤光栅无砟轨道结构中光纤光栅钢轨温度和应变组合传感器1、光纤光栅钢轨横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器2、光纤光栅钢轨横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器3、光纤光栅板式道床横向位移和纵向位移及垂向位移组合传感器4、光纤光栅板式道床横向加速度和纵向加速度及垂向加速度组合传感器5安装在高速铁路监测区域的无砟轨道结构中监测点时，需要安装牢固可靠，避免高速列车气流等引起震动；传输光纤6在敷设连接到多通道光纤光栅波长解调仪7的过程中，需要注意光纤的保护和固定，确保牢固结实，否则影响结构状态信号的采集乃至系统装置的安全。