[发明专利]无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置和方法

权利要求书

1.无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，其特征在于无基坑光纤铁路货车超载与偏载检测装置，它由光源(5)、耦合器(4)、十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)、分光器件(7)、波长解调装置(8)、数据采集器(9)和分析处理装置(10)组成，第一光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、第二光纤布拉格光栅应变传感器(3-2)、......、第九光纤布拉格光栅应变传感器(3-9)和第十光纤布拉格光栅应变传感器(3-10)依次首尾相接并通过传输光纤(6)串联在一起，十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)焊接在两根轨枕之间的一段铁轨上，每两个光纤布拉格光栅应变传感器对称地焊接在左右轨道的上轨底部组成一对传感器组对，由第一光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)与第十光纤布拉格光栅应变传感器(3-10)组成的传感器组对作为启动装置设置在检测区域的开端，由第二光纤布拉格光栅应变传感器(3-2)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(3-3)、......、第八光纤布拉格光栅应变传感器(3-8)和第九光纤布拉格光栅应变传感器(3-9)组成的四对传感器组对组成检测区域，用于在同一时间同时测得八个轮重，在该检测区域内每个轮子底部的铁轨上都对应有一个光纤布拉格光栅应变传感器，光源(5)与耦合器(4)的一端通过传输光纤(6)连接在一起，耦合器(4)的另一端与光纤布拉格光栅应变传感器通过传输光纤(6)连接在一起，耦合器(4)的第三端与分光器件(7)的输入端相连，分光器件(7)的十个输出通道(7-1)、(7-2)、......、(7-9)和(7-10)分别连接在十个波长解调装置(8-1)、(8-2)、......、(8-9)和(8-10)的输入端上，十个波长解调装置(8-1)、(8-2)、......、(8-9)和(8-10)的输出端与数据采集器(9)的数据输入端相连，数据采集器(9)的数据输出端连接在分析处理装置(10)的输入端上。

2.根据权利要求1所述的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，其特征在于十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)具有不同反射波长，光源(5)为宽带光源。

3.根据权利要求1所述的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，其特征在于每个波长解调装置由压电陶瓷(15)，非平衡干涉仪(11)、锯齿波信号发生装置(14)、光电探测器(12)、相位检测仪(13)和A/D转换装置(16)组成，分光器件(7)的信号输出端连接非平衡干涉仪(11)的光信号输入端，非平衡干涉仪(11)的信号输出端与光电探测器(12)的信号输入端相连，光电探测器(12)的信号输出端与相位检测仪(13)的信号输入端相连，相位检测仪(13)的信号输出端与A/D转换装置(16)的信号输入端相连，压电陶瓷(15)粘贴在非平衡干涉仪的一个臂上，锯齿波信号发生装置(14)的信号输出端与压电陶瓷(15)相连。

4.基于权利要求1所述装置的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的测试方法，其特征在于光源(5)发出的光经过耦合器(4)入射到十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)，当车辆通过焊有光纤布拉格光栅应变传感器的铁轨时，车的重量引起铁轨的应变，进而转化为光纤布拉格光栅反射波长的变化，十束经光纤布拉格光栅反射的光波由传输光纤(6)再次经过耦合器(4)入射到分光器件(7)，分光器件(7)将来自不同光纤布拉格光栅应变传感器的波长的光信号λ1、λ2、......、λ9和λ10分开至十个输出通道(7-1)、(7-2)、......、(7-9)和(7-10)，十束光信号在经过十个波长解调装置(8-1)、(8-2)、......(8-9)和(8-10)将波长变化转化为能被数据采集器(9)读取的应变信息，最后进入分析处理装置(10)，分析处理装置(10)依据铁轨的力学模型，由光纤布拉格光栅反射波长的变化计算铁轨的轴向应力，再利用轮计量法将铁轨的轴向应力转化为车辆荷载，从而判断出货车超载与偏载情况。

5.根据权利要求4所述的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的测试方法，其特征在于由应变信息转化为车辆荷载，判断货车偏载的方法为：当货车通过时，铁轨受到车轮(17)荷载的作用，在铁轨的下方产生拉应力、上方产生压应力，不考虑扭转的情况下，轴向应力与应变的关系为：σ＝Eε，当被测应力作用于光纤布拉格光栅应变传感器时，光纤布拉格光栅反射波长的偏移量为：其中，σ为铁轨的轴向应力，ε为光纤轴向应变，E为铁轨的弹性模量，P_e为光纤有效弹光系数，λ为光纤布拉格光栅传感器的反射波长，通过检测光纤布拉格光栅反射波长的偏移量进而计算出铁轨的轴向应力，再利用轮计量法，由第二光纤布拉格光栅应变传感器(3-2)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(3-3)、......、第八光纤布拉格光栅应变传感器(3-8)和第九光纤布拉格光栅应变传感器(3-9)组成的四对传感器组对同时检测八个轮重，通过比较每个轮对左右两个车轮(17)重量的偏差，并将之与允许偏载值对比，从而判断货车是否发生偏载。