基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统

1.本发明涉及列车轨道检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统。


背景技术：

2.近年来，我国有大量高速铁路完成建设并投入运营使用。随着运营时间的增长，轨道服役寿命的增加，越来越多的车辆及轨道系统出现病害。铁路轨道扣件是铁路基础设施中的重要零部件，是轨道与道床之间的必要连接部件。扣件的作用是连接钢轨与轨枕使之构成轨排，承受列车荷载，阻止钢轨的纵向和横向位移，防止钢轨倾翻。在无砟轨道中，扣件基本上是轨道弹性和轨距、水平调整能力的唯一提供者，其性能直接影响轨道的稳定及弹性。随着服役时间的增长，扣件松脱、断裂甚至丢失的现象时有发生，因此有必要对铁路轨道扣件状态进行实时监测。
3.现有技术中轨道扣件的自动检测技术主要有计算机视觉检测技术和布设传感器实时监测技术等。计算机视觉检测技术使用图像传感器获取被测对象的图像信息，由计算机对图像进行处理，完成检测功能，具有速度快，精度高的优点；但这种方法成本很高，处理过程复杂，不易发现轻微损坏的扣件。布设传感器实时监测技术通常会在扣件上安装应变、加速度、位移传感器等，这种方法可以发现轻微损坏的扣件；但需要在每个扣件上安装多种传感器，布设传感器的过程复杂，难以实现长距离分布式监测；由于传感器多为电子类传感器，需要定期为传感器更换电池，这无疑加大了巡检的工作量。
4.因此，现有的轨道扣件检测存在检测成本高、检测效率低、无法对轨道扣件进行长距离分布式的精确监测的问题，不能满足现代铁路的使用需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于弱光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统，用以解决现有技术中轨道扣件检测存在的检测成本高、检测效率低，无法进行长距离分布式精确监测的问题。
6.为了解决上述问题，本发明提供一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统，包括检测装置和数据处理模块；
7.所述检测装置包括沿列车行驶方向设置在被测轨道的振动传感光缆；所述检测装置，用于发送调制光信号，并获取所述调制光信号经过所述振动传感光缆反射后的反射光信号；根据所述反射光信号得到待测振动信号，并将所述待测振动信号传输给所述数据处理模块；
8.所述数据处理模块，用于对所述待测振动信号进行处理，得到所述待测振动信号的特征值；根据所述待测振动信号的特征值，判断所述待测轨道扣件的健康状态。
9.进一步地，所述检测装置还包括：脉冲光源、光环形器和解调模块；
10.所述光环形器具有三个端口；所述脉冲光源与所述光环形器的第一端口连接；所
述光环行器的第二端口与所述振动传感光缆连接；所述光环行器的第三端口与所述解调模块连接；
11.所述脉冲光源用于发送调制光信号；所述光环形器用于将所述调制光信号传输给所述振动传感光纤、将所述反射光信号传输给所述解调模块；所述解调模块用于根据所述反射光信号得到待测振动信号，并将所述待测振动信号传输给所述数据处理模块。
12.进一步地，所述振动传感光缆内部设置有同轴的振动传感光纤，所述振动传感光纤上等间距设置有多个弱光纤光栅。
13.进一步地，所述振动传感光缆的截断面为圆形，由内至外依次包括：振动传感光纤、内保护组件、加强组件和外保护组件。
14.进一步地，所述信号处理模块包括数据采集卡，数据处理器和数据库；
15.所述数据采集卡，用于接收所述检测装置发送的待测振动信号；
16.所述数据处理器，用于对所述待测振动信号进行分析，得到待测振动信号特征信息，并根据所述待测振动信号特征信息，判断轨道扣件的健康状态；
17.所述数据库，用于存储振动信号和所述振动信号对应的轨道扣件的健康状态。
18.进一步地，所述数据处理器根据所述待测振动信号特征信息，判断轨道扣件的健康状态，包括：
19.所述数据处理器获取所述数据库中存储的多组预先测量的轨道扣件在无松脱状态下，所述数据采集卡接收到的参考振动信号；
20.所述数据处理器根据所述参考振动信号，得到基准特征信息；将所述待测信号特征信息和所述基准特征信息进行对比，判断所述轨道扣件是否松脱。
21.进一步地，所述数据处理模块根据所述参考振动信号，得到基准特征信息，包括：
22.对所述多组参考振动信号取平均值，得到多组平均振动信号；
23.计算各组所述平均振动信号的平均特征值；
24.判断各组平均特征值的差异值是否大于预设的差异范围；若所述差异值大于所述差异范围，则重新选取参考振动信号；若所述差异值不大于所述差异范围，则将所述平均振动特征值作为轨道扣件状态正常时的基准特征信息。
25.进一步地，所述待测信号特征信息包括待测信号的最大峰峰值与希尔伯特边际谱；所述基准特征信息包括轨道扣件状态正常时的基准信号的最大峰峰值和希尔伯特边际谱。
26.进一步地，根据所述待测信号特征信息，判断所述待测轨道的扣件健康状态，包括：
27.计算所述待测信号最大峰峰值与基准信号最大峰峰值的比值，得到最大峰值比；
28.判断所述最大峰值比是否大于第一预设比值；当所述最大峰值比大于第一预设比值时，计算所述待测信号希尔伯特边际谱中的峰值频率与基准信号的希尔伯特边际谱中峰值频率的比值，得到最大频率比；
29.判断所述最大频率比是否大于第二预设比值；当所述最大频率比大于第二预设比值时，确定所述轨道扣件发生松脱。
30.进一步地，所述数据处理器还用于根据待测振动信号的时程曲线，对状态异常的轨道扣件进行定位。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明包括检测装置和数据处理模块；检测装置包括沿列车行驶方向设置的振动传感光缆，具有结构简单，安装方便的优点，既能实现振动信号的探测，又能完成数据的传输，并且属于无源传感器，极大地降低了检测和维护的成本；此外，振动传感光缆的灵敏度高，抗电磁干扰能力强，具有较高的检测精度，能够实现大规模、长距离的监测。本发明通过检测装置发送调制光信号，获取调制光信号经过振动传感光缆反射后的反射光信号，根据所述反射光信号得到待测振动信号，再根据所述待测振动信号判断待测轨道扣件的健康状态；能够探测振动信号的不同特征，快速区分轨道扣件的健康状态，具有较高的监测准确性。
附图说明
32.图1为本发明提供的一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统一实施例的结构示意图；
33.图2为本发明提供的一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统另一实施例的结构示意图；
34.图3为本发明提供的振动传感光缆一实施例的铺设界面示意图；
35.图4为本发明提供的弱光栅阵列振动传感光缆一实施例的截面结构图；
36.图5为本发明提供的数据处理模块一实施例的结构示意图；
37.图6为本发明提供的中扣件状态判断算法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
39.本发明提供了一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统，将振动传感光纤作为传感器，用以解决长距离分布式监测；当列车经过振动传感光纤时，可根据反射光的信号变化获取待测振动信号，对待测振动信号进行分析，即可对轨道扣件的健康状态进行监测。以下对本发明进行详细说明。
40.本发明实施例提供了一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统，如图1所示，所述系统包括检测装置100和数据处理模块200；
41.所述检测装置100包括沿列车行驶方向设置在被测轨道的振动传感光缆104；所述检测装置100，用于发送调制光信号，并获取所述调制光信号经过所述振动传感光缆反射后的反射光信号；根据所述反射光信号得到待测振动信号，并将所述待测振动信号传输给所述数据处理模块；
42.所述数据处理模块200，用于对所述待测振动信号进行处理，得到所述待测振动信号的特征值；根据所述待测振动信号的特征值，判断所述待测轨道扣件的健康状态。
43.与现有技术相比，本实施例提供的一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统，包括检测装置和数据处理模块；检测装置包括沿列车行驶方向设置的振动传感光缆，具有结构简单，安装方便的优点，不仅能探测振动信号，还能完成数据的传输，同时，振动传感光缆为无源传感器，不需要另外提供电源或定期更换电池，降低了检测成本；此外，振动传感光缆的灵敏度高，抗电磁干扰能力强，因此有较高的检测精度，能够实现大规模、长距离
的监测。本实施例的系统通过检测装置发送调制光信号，获取调制光信号经过振动传感光缆反射后的反射光信号，根据所述反射光信号得到待测振动信号，根据所述待测振动信号判断待测轨道扣件的健康状态；能够探测振动信号的不同特征，快速区分轨道扣件的健康状态，具有较高的监测准确性。
44.作为优选的实施例，所述检测装置还包括：脉冲光源、光环形器和解调模块；
45.所述光环形器具有三个端口；所述脉冲光源与所述光环形器的第一端口连接；所述光环行器的第二端口与所述振动传感光缆连接；所述光环行器的第三端口与所述解调模块连接；
46.所述脉冲光源用于发送调制光信号；所述光环形器用于将所述调制光信号传输给所述振动传感光纤、将所述反射光信号传输给所述解调模块；所述解调模块用于根据所述反射光信号得到待测振动信号，并将所述待测振动信号传输给所述数据处理模块。
47.作为一个具体的实施例，结合图2和图3对所述基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统进行说明。如图2所示，所述系统包括检测装置100和数据处理模块200；所述检测装置100包括脉冲光源101，光放大器102，光环形器103，弱光栅阵列振动传感光缆104，端面反射消除装置105和解调模块106。所述光环形器103包括3个端口：103-1、103-2和103-3。脉冲光源101与光放大器102连接，光放大器102与光环形器103的第一端口103-1连接，光环形器103的第二端口103-2与弱光栅阵列振动传感光缆104的起始端连接，弱光栅阵列振动传感光缆104的末端与端面反射消除装置105连接。如图3所示，所述弱光栅阵列振动传感光缆104沿列车行驶方向粘贴在被测轨道的腰部。
48.所述检测装置的检测原理为：脉冲光源101发出的调制光信号经过光放大器102与光环形器103到达弱光栅阵列振动传感光缆104；所述调制光信号被弱光栅阵列振动传感光缆104上的光栅阵列反射后得到反射光信号，所述反射光信号到达解调模块106，由解调模块106以波分/时分混合复用方式解调出待测振动信号。所述端面反射消除装置105用于消除光纤末端的反射光噪声，提高解调的准确率。利用弱光栅阵列振动传感光缆作为传感器，具有抗电磁干扰能力强的优势，此外，弱光栅阵列振动传感光缆为无源传感器，不需要额外提供供电电源，减少了检测成本和后期维护成本，能够对轨道扣件实现大规模、长距离的状态监测，有较高的灵敏度，检测精度高。
49.作为一个具体的实施例，所述解调模块解调的方法为干涉信号解调；解调原理为，调制光信号在振动传感光缆上传输，所述振动传感光缆上第n个光栅的反射光与第n 1个光栅的反射光发生干涉，当第n个光栅与第n 1个光栅之间的光路发生扰动时，反射光的波长、相位会产生相应的变化，进而引起干涉信号强度的变化。当列车经过被测轨道路段时，列车产生的激励信号经作用于钢轨，铺设于钢轨腰部的弱光栅阵列振动传感光缆受到列车振动的影响产生应变，从而引起反射光信号波长、相位的变化，导致相邻两个弱光栅的干涉信号强度、频率发生改变。所述解调模块通过对干涉信号变化的分析解调出振动信号。
50.作为优选的实施例，所述振动传感光缆内部设置有同轴的振动传感光纤，所述振动传感光纤上等间距设置有多个弱光纤光栅。选用弱光纤光栅作为传感点，提高了对列车振动的监测灵敏度，检测精度高。
51.作为优选的实施例，所述振动传感光缆的截断面为圆形，由内至外依次包括：振动传感光纤、内保护组件、加强组件和外保护组件。通过内保护组件有效防止潮气的侵入并对
振动传感光纤起到机械缓冲的作用；通过加强组件增加了光缆的机械强度；外保护组件能够加强光缆的绝缘性能和柔韧性，同时能够保护光纤，避免光纤受到机械损伤。
52.作为一个具体的实施例，如图4所示，所述振动传感光缆由内至外依次为振动传感光纤401、纤膏402、pbt松套管403、阻水带404、第一双面涂覆钢带405、hdpe内护套406、钢丝加强件407、阻水缆膏408、第二双面涂覆钢带409、hdpe外护套410。通过以上设置，能够使振动传感光纤具有良好的机械柔韧性、强度和抗环境干扰、电磁干扰的性能。所述hdpe外护套410壁厚平均值为1.8mm，外径13.5
±
0.3mm；所述第一双面涂覆钢带405和第二双面涂覆钢带409的厚度均为0.21mm
±
0.02mm；所述钢丝加强件407外径为1.2mm
±
0.05mm，材料为磷化钢丝；所述hdpe内护套406最小壁厚(钢丝外沿距内护套外沿)为0.6mm；所述pbt松套管403外径为2.5mm
±
0.05mm，内径为1.9mm
±
0.05mm。所述弱光栅阵列振动传感光缆用环氧结构胶粘贴在钢轨的腰部，使之具有一定的张力，光损耗低，灵敏度高，能精确的监测振动信号，同时不会损坏被测钢轨，安装方便。
53.所述弱光栅阵列振动传感光缆104包括在拉丝塔上在线连续刻写的反射率相同的弱光栅阵列，弱阵列光栅的3db反射带宽为2～3nm，反射率为-30～-50db。所述弱光栅阵列振动传感光缆104上，等间距地刻写了弱光纤光栅阵列，其间距为3倍相邻两个轨道扣件的间距。通过以上设置，能够针对轨道扣件的实际特点进行探测，提高了检测的准确性。
54.作为一个具体的实施例，弱光栅阵列振动传感光缆的铺设安装对于振动信号的检测有着较大影响。在布放时，所述弱光栅阵列振动传感光缆104必须由绕盘上方放出，保持松弛弧型。布放过程中应无扭转，严禁打小圈、浪涌、背扣等现象发生；布放光缆不应牵拉过紧，其布放拉力不应超过500n，布放过程中必须有良好的联系手段，一旦出现扭转、打圈等现象，立刻停止布放；光缆布放完毕后，光缆两端应各盘留30m便于熔接，端头应做密封防潮处理；光缆的弯曲半径应大于200mm，施工过程中不应小于250mm。通过上述方式，减少了弱光栅阵列振动传感光缆传输光信号的过程中产生的噪声，能够提高检测的准确性；同时，通过密封防潮和严禁扭转、打圈等铺设方式，降低使用过程中的故障率、延长使用寿命，增强使用的可靠性。
55.作为优选的实施例，如图5所示，所述数据处理模块200包括数据采集卡201，数据处理器202和数据库203；
56.所述数据采集卡201，用于接收所述检测装置发送的待测振动信号；
57.所述数据处理器202，用于对所述待测振动信号进行分析，得到待测振动信号特征信息，并根据所述待测振动信号特征信息，判断轨道扣件的健康状态；
58.所述数据库203，用于存储振动信号和所述振动信号对应的轨道扣件的健康状态。
59.作为优选的实施例，所述数据处理器根据所述待测振动信号特征信息，判断轨道扣件的健康状态，包括：
60.所述数据处理器获取所述数据库中存储的多组预先测量的轨道扣件在无松脱状态下，所述数据采集卡接收到的参考振动信号；
61.所述数据处理器根据所述参考振动信号，得到基准特征信息；将所述待测信号特征信息和所述基准特征信息进行对比，判断所述轨道扣件是否松脱。
62.作为一个具体的实施例，数据采集卡201接收解调模块106解调出的待测振动信号，所述数据处理器202首先对待测振动信号进行预处理，预处理包括对振动信号进行降噪
处理，目的是提高信噪比；预处理之后开始对待测振动信号进行分析，提取出待测振动信号的特征信息，如幅值、最大峰峰值、频谱信息、希尔伯特边际谱信息等，将提取出的特征信息与数据库203中存储的轨道扣件无松脱状态下的特征信息进行对比，最终判断扣件松脱状态。
63.作为优选的实施例，所述待测信号特征信息包括待测信号的最大峰峰值与希尔伯特边际谱；所述基准特征信息包括轨道扣件状态正常时的基准信号的最大峰峰值和希尔伯特边际谱。
64.当列车经过扣件失效的轨道时，轮轨间相互作用增大，各动力学指标值成倍增长，且随着扣件失效数量增加，动力响应增幅明显，故可通过待测振动信号的幅值变化判断轨道扣件松脱状态。
65.根据相关研究表明，扣件弹条的振动频率与钢轨近似，扣件弹条响应具有较强的随机性，即其振动响应的相位，幅值都具有随机性，但是由于轨道结构的确定性，所以振动响应中必然包含了一些不变的特征，因此，应分析响应的频域特性。相关研究表明，不同行车条件下，扣件弹条振动的优势频率是固定不变的。
66.与频域分析常用的傅里叶谱比较，对于频率成分并不在信号的整个持续时间内都存在的信号，傅里叶谱虽然能分析出信号的各阶频率成分，但是能量泄露严重，谱线变得较宽；而希尔伯特边际谱仍保持较窄的谱线宽度，且能量泄露相对有所减轻。故希尔伯特边际谱能够得到原始信号更加真实的谱线，尤其对于频率时变信号，其优势更加明显。
67.边际谱是幅值(或能量)沿频率轴分布的描述，与傅里叶谱不同的是：傅里叶变换认为若信号在某一频率上有数值，则该频率的正弦(或余弦)波在整个采样时间内都存在，且数值大小代表该频率成分的幅值。实际上，瞬时频率不一定在整个采样时间都存在。因此，对于非平稳信号若采用傅里叶谱进行处理可能会破坏信号的真实频率而引入虚假频率。
68.在移动载荷作用下，随着扣件松脱程度的增加，边际谱中低频部分能量集中区域有向高频区发生
‘
频移’的趋势，且频移程度随着扣件松脱程度的增加逐渐降低；在冲击载荷作用下，不同扣件松脱程度下的钢轨振动信号的边际谱之间的差异直观上难以看出明显的变化规律，无法为扣件松脱提供较为确定的识别依据。但不同扣件松脱程度下的钢轨振动信号的边际谱在不同的频带内的幅值有一定的变化，边际谱在某一频带范围内的幅值明显低于扣件未发生松脱时的相同频带内的幅值。
69.在轨道扣件状态良好的路段，振动信号的希尔伯特边际谱能量集中在低频区域，当轨道扣件发生松脱时，轮轨间相互作用增大，振动信号的幅值发生明显增长，且希尔伯特边际谱中能量集中的低频部分有发生频移的趋势。可见，希尔伯特边际谱能够对钢轨在不同扣件松脱情况下的振动信号起到识别作用。
70.由上述的分析可以看出，通过检测振动信号时域的幅值变化以及频谱中的频移，即可判断轨道扣件的健康状态。
71.作为优选的实施例，所述数据处理模块根据所述参考振动信号，得到基准特征信息，包括：
72.对所述多组参考振动信号取平均值，得到多组平均振动信号；
73.计算各组所述平均振动信号的平均特征值；
74.判断各组平均特征值的差异值是否大于预设的差异范围；若所述差异值大于所述差异范围，则重新选取参考振动信号；若所述差异值不大于所述差异范围，则将所述平均振动特征值作为轨道扣件状态正常时的基准特征信息。
75.作为一个具体的实施例，所述数据处理器的判断过程为：
76.从数据库中取五组振动传感光缆上每个光纤光栅传感点扣件无松脱状态下的参考振动信号的平均值，得到平均振动信号；求取平均振动信号的最大峰峰值以及希尔伯特边际谱；比较每组平均值数据的最大峰峰值与希尔伯特边际谱峰值频率的差异性，若差异大于10％，则重新选取数据库中无松脱扣件的振动数据；若差异小于10％，将平均值数据作为扣件正常状态的基准数据，存储到数据库中。
77.作为优选的实施例，根据所述待测信号特征信息，判断所述待测轨道的扣件健康状态，包括：
78.计算所述待测信号最大峰峰值与基准信号最大峰峰值的比值，得到最大峰值比；
79.判断所述最大峰值比是否大于第一预设比值；当所述最大峰值比大于第一预设比值时，计算所述待测信号希尔伯特边际谱中的峰值频率与基准信号的希尔伯特边际谱中峰值频率的比值，得到最大频率比；
80.判断所述最大频率比是否大于第二预设比值；当所述最大频率比大于第二预设比值时，确定所述轨道扣件发生松脱。
81.作为一个具体的实施例，如图6所示，判断所述待测轨道的扣件健康状态的流程为：
82.步骤s601，计算待测振动信号的最大峰峰值与希尔伯特边际谱峰值频率；
83.步骤s602，判断所述待测振动信号最大峰峰值与所述基准信号最大峰峰值的比值是否大于1.5；如果比值大于1.5，则进入步骤s603；如果比值小于等于1.5，则进入步骤s604；
84.步骤s603，判断所述待测振动信号希尔伯特边际谱峰值频率与所述基准信号希尔伯特边际谱峰值频率的比值是否大于1.2；如果比值大于1.2，则进入步骤s605；如果比值小于等于1.2，则进入步骤s604；
85.步骤s604，确定待测轨道的扣件无松脱；
86.步骤s605，确定待测轨道的扣件发生松脱。
87.作为一个具体的实施例，所述数据处理器还用于根据待测振动信号的时程曲线，对状态异常的轨道扣件进行定位。
88.作为一个具体的实施例，利用时分复用解调方式，根据待测振动信号的时程曲线，确定发生延时的干涉信号所在的传感点位置，从而定位出发生脱落的扣件的位置。
89.作为一个具体的实施例，所述数据处理模块与计算机连接，所述计算机上安装有监测软件，可以实时查看钢轨的振动信息，以及对异常振动信号进行报警。
90.本发明公开了一种基于光纤光栅阵列的轨道扣件状态监测系统，包括检测装置和数据处理模块；检测装置包括沿列车行驶方向设置的振动传感光缆，具有结构简单，安装方便的优点，不仅能探测振动信号，还能完成数据的传输，降低了检测成本；此外，振动传感光缆的灵敏度高，抗电磁干扰能力强，因此有较高的检测精度，能够实现大规模、长距离的监测。本发明通过检测装置发送调制光信号，获取调制光信号经过振动传感光缆反射后的反
射光信号，根据所述反射光信号得到待测振动信号，再根据所述待测振动信号判断待测轨道扣件的健康状态；能够探测振动信号的不同特征，快速区分轨道扣件的健康状态，具有较高的监测准确性。
91.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。