[发明专利]一种双光栅铁轨表面形貌监测传感器

说明书

本发明公开了一种双光栅铁轨表面形貌监测传感器，涉及传感器技术领域。本发明包括固定件，固定件包括横板，横板上设置有拆卸式的板块，横板的两侧均连接有竖板，竖板上安装有夹具，用于对待测物体进行装夹；横板上表面和下表面均安装有位置对应的光纤光栅。本发明通过在轨道两侧设置不同的传感器，形成双FBG结构，构成了形貌传感器，实现对曲率的测量，表面形貌监测传感器上的光纤光栅弯曲后，产生曲率变化，这种局部曲率测量能够推断出传感结构弯曲的形状，进而得出结构体表面位移变化，消除了温度对光纤光栅曲率测量的影响，也消除了传感器与光纤光栅之间的应变传递问题，该结构通过多个监测点串联的方式，实现对长距离铁轨长期应变变化情况的监测。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种双光栅铁轨表面形貌监测传感器。

背景技术

近年来，伴随光纤通信技术的发展，光纤光栅传感技术因其监测精度和灵敏度高、无源、光纤耐久性好、可实现分布式远程测量等优点已广泛用于军事、国防、航天航空、隧道、铁轨等领域监测当中，有着非常广阔的市场。

目前常用的测量技术为FBG(光纤布拉格光栅)技术，FBG测量技术主要有两个缺点：除了对轴向应变敏感外，它对温度也很敏感。虽然温度灵敏度可以进行校正，但在应变测量时还是应尽量直接消除掉温度的影响；另外，光纤光栅直接测量的是轴向应变，不能测量结构体形貌变化情况，在铁轨表面形貌测量时，就需要将光纤光栅测量的应变转化为表面形貌位移的变化，即设计一种位移传感结构。传统的FBG位移传感器测量原理是当结构发生位移变化时，使与结构接触的梁结构发生弯曲，通过光纤光栅测量梁表面应变来计算悬臂梁末端的位移，进一步来反应出结构表面发生的位移，而实际运用中，由于光纤光栅包层、粘接层都具有一定的厚度，所以光纤光栅所测量的应变会略大于传感结构的真实应变，进而导致测得的位移值也存在一定的差异。

传统的位移传感器采用单根芯光纤光栅，但单根芯光纤光栅的中心波长直接对应的是应变和温度的变化，所以在铁轨工程上它主要被用来对铁轨内温度与结构的应变进行远程监测，而无法获得铁轨结构表面的形貌位移变化。

申请号为CN201810820816.7的发明提供了一种隧道顶板沉降监测装置和隧道沉降监测方法。其中，隧道顶板沉降监测装置，包括多个光纤光栅高差计，多个光纤光栅高差计沿隧道的顶板顺次排列，且至少一个光纤光栅高差计的高度高于其他的光纤光栅高差计的高度；连接管，光纤光栅高差计之间通过连接管连通；解调仪，光纤光栅高差计与解调仪连接，解调仪能够接收并处理光纤光栅高差计的监测数据。所述光纤光栅传感器为通信光纤中刻蚀光栅形成的商用器件，容易受到温度等外界扰动影响。

申请号为CN111257993A的发明提供了一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用。其中，应变光纤光栅沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；应变光纤光栅、玻璃纤维单向布与热塑性高分子无纺毡整个区域内分布有树脂体系，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂形成微区域双连续相，组成完整的光纤光栅传感器。该光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器成对内植于叶片模具内使用。所述光纤光栅传感器使用光纤光栅温度传感器，容易受到温度等外界扰动影响，而且不能通过该传感器获取受力后表面形貌及位移变化情况。

本申请人在先前申请的公开号为CN104454007A的授权发明提供一种用于隧道表面形貌测量的四纤芯光纤光栅传感器，采用熔融石英制成的四芯光纤并在光纤中写入光栅结构；用于将四芯光纤每一芯的光信号分配到独立的光纤光栅解调通道中的扇出系统；以及用于将光栅应变信息读出的光纤光栅解调仪，通过多纤芯分束器实现各物理量的分布式实时测量，采用一根光纤即可用多传感器融合的方式综合评价结构物的健康状况，但该传感器只应用于隧道中，并不能通过该传感器获取轨道上的受力和受力作用后表面形貌及位移变化情况。

发明内容