阅读说明：本技术 一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法及系统 (Track strain measurement method and system based on distributed optical fiber sensor ) 是由 杨明来 易承东 马强 卞婷 陈宇磊 于 2020-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法,包括步骤：S1：应变检测仪发出预设频率的探测光；S2：分布式光纤传感器接收步骤S1中所述应变检测仪发出的预设频率的探测光并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号；S3：应变检测仪接收所述步骤S2中输出的偏移信号,并经NB-IOT模块传输至监控平台；S4：所述监控平台对接收到的信息进行解码,以计算出该待测轨道应变信息；S5：将步骤S4中计算的结果和预设的该待测轨道应变量阈值进行比较,以决定是否停止监测并报警,从而实现了轨道应变精准检测,解决现有技术采用的应变检测方法存在易受环境影响、且误差较大等技术问题。(The invention discloses a track strain measurement method based on a distributed optical fiber sensor, which comprises the following steps: s1: the strain detector emits detection light with preset frequency; s2: the distributed optical fiber sensor receives the detection light with preset frequency sent by the strain detector in the step S1 and outputs an offset signal carrying the strain information of the track to be detected; s3: the strain detector receives the offset signal output in the step S2, and transmits the offset signal to the monitoring platform through the NB-IOT module; s4: the monitoring platform decodes the received information to calculate the strain information of the track to be measured; s5: and (4) comparing the result calculated in the step (S4) with a preset threshold value of the strain quantity of the rail to be detected to determine whether to stop monitoring and give an alarm, so that accurate detection of the strain of the rail is realized, and the technical problems that a strain detection method adopted in the prior art is easily influenced by the environment, has large error and the like are solved.)

一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法及系统

技术领域

本发明属于轨道检测领域，更具体地，涉及一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法及系统。

背景技术

应变是指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对变形，是反映工程结构受力或健康状态的重要参数之一；通过对关键设施进行应变实时检测，能够实现设施灾害预警及设施的科学管理。

传统应变检测方法主要采用电阻应变片，其可以将机械构件上应变变化转换为电阻变化，通过测量输出电流或电压的变化，从而计算电阻的变化进而反推出应变；然而，该方法易受环境影响，且存在较大误差，因此，测量结果并不尽人意；因此，需要一种抗干扰能力强、测量精度高的应变测量方法和系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法及系统，其目的在于通过采用分布式光纤传感器，并结合相应的数据处理方法从而检测应变，由此解决现有技术采用的应变检测方法存在易受环境影响、且误差较大等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：应变检测仪发出预设频率的探测光，以作为检测光源信号；

S2：在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器，所述分布式光纤传感器接收步骤S1中所述应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号；

S3：应变检测仪接收所述步骤S2中输出的偏移信号，并经NB-IOT模块传输至监控平台；

S4：所述监控平台对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息；

S5：将步骤S4中计算的结果和预设的该待测轨道应变量阈值进行比较，若计算结果低于所述预设的该待测轨道应变量阈值，则返回步骤S1，继续实时监测；若计算结果高于所述预设的该待测轨道应变量阈值，则结束，并输出报警信号以启动报警器报警。

优选地，所述的基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，其步骤S2中所述偏移信号为背向SPBS信号，其频率范围为以预设频率为中心频率，以布里渊频移为偏移量。

优选地，所述的基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，其所述布里渊频移为偏移量为f_B＝(2f₀nv/c)sin(θ/2),其中，

f₀为入射进入光纤的光波频率；

n为材料的折射率；

c为真空光波的传播速度；

v为材料中的声速；

θ是发生在光纤中散射光信号和原始光信号的夹角。

优选地，所述的基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，其步骤S2中所述的分布式光纤传感器为标准的通讯单模光纤。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种采用所述的基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法的系统，其特征在于，包括：在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器、应变检测仪、NB-IOT模块、监控平台、以及报警器；其中：所述分布式光纤传感器、应变检测仪、NB-IOT模块、监控平台、以及报警器均信号连接；

所述应变检测仪用于发出预设频率的探测光，以作为检测光源信号；

所述分布式光纤传感器用于接收所述应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号；

所述NB-IOT模块用于接收所述应变检测仪输出的携带所述待测轨道应变信息的偏移信号，并传输至所述监控平台；

所述监控平台用于对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息：当计算结果低于预设的该待测轨道应变量阈值，则继续实时监测；当计算结果高于预设的该待测轨道应变量阈值，则输出报警信号以启动报警器报警。

优选地，所述的基于分布式光纤传感器的轨道应变测量系统，其偏移信号为背向SPBS信号，其频率范围为以预设频率为中心频率，以布里渊频移为偏移量。

优选地，所述的基于分布式光纤传感器的轨道应变测量系统，其布里渊频移为偏移量为f_B＝(2f₀nv/c)sin(θ/2),其中，

f₀为入射进入光纤的光波频率；

n为材料的折射率；

c为真空光波的传播速度；

v为材料中的声速；

θ是发生在光纤中散射光信号和原始光信号的夹角。

优选地，所述的基于分布式光纤传感器的轨道应变测量系统，其分布式光纤传感器为标准的通讯单模光纤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)通过本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，通过在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器，从而采集所述待测轨道的应变信息，所述分布式光纤传感器接收到来自应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号，从而将该待测轨道的应变信息转换为可传输的光信息，并经NB-IOT模块传输至监控平台，监控平台对接收到的信息进行解码，最终反推出该待测轨道应变信息，从而实现了轨道应变精准检测，解决现有技术采用的应变检测方法存在易受环境影响、且误差较大等技术问题。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法流程示意图；

图2是本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

轨道作为主要的交通工具和运输工具，在生活中占据着及其重要的位置，其安全也备受关注；在实际应用中，轨道承受着多变化的垂直、横向、纵向的静荷载和动荷载，荷载从钢轨通过轨枕和道床传递到路基，因此，必然会因受力产生变形，即我们通常所说的应变。

应变是指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对变形，是反映工程结构受力或健康状态的重要参数之一；通过对关键设施进行应变实时检测，能够实现设施灾害预警及设施的科学管理。

传统应变检测方法主要采用电阻应变片，其可以将机械构件上应变变化转换为电阻变化，通过测量输出电流或电压的变化，从而计算电阻的变化进而反推出应变；然而，该方法易受环境影响，且存在较大误差，因此，测量结果并不尽人意；因此，需要一种抗干扰能力强、测量精度高的应变测量方法和系统。

随着光纤技术的发展，基于光纤非线性效应的全分布式光纤传感系统正在快速改变这种局面；它是一种真正的传、感合一的全分布式探测系统；它能够提供更加准确且及时的光纤应变检测，从而提高了应变检测效果；因此，分布式光纤传感器相对传统电传感器来说有着明显的优势。

现有技术中，基于拉曼散射的分布式传感系统目前已经得到广泛应用；但是，这种探测系统只能对温度进行探测，对应力并不敏感；而且这个系统灵敏度不高，温度精度仅为1摄氏度，空间精度仅为1米；并且，由于拉曼散射后返回的信号非常弱，它要比瑞利散射强度弱20dB-30dB，探测距离也只能在10-20公里之内；为了提高探测距离，常常需要脉冲峰值功率很高的脉冲激光光源。

鉴于基于拉曼散射传感系统的种种不足，本发明的提供了一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，如图1所示，包括：

S1：应变检测仪发出频率f的探测光，以作为检测光源信号；

S2：在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器，所述分布式光纤传感器接收步骤S1中所述应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号；

具体而言，所述偏移信号为背向SPBS信号，其频率范围为以预设频率为中心频率，以布里渊频移为偏移量；优选地，所述布里渊频移为偏移量为f_B＝(2f₀nv/c)sin(θ/2),其中，

f₀为入射进入光纤的光波频率；

n为材料的折射率；

c为真空光波的传播速度；

v为材料中的声速；

θ是发生在光纤中散射光信号和原始光信号的夹角。

S3：应变检测仪接收所述步骤S2中输出的偏移信号，并经NB-IOT模块传输至监控平台；

具体而言，窄带物联网(NB-IOT)是IOT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)；NB-IOT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接；通常情况下，NB-IOT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖；本发明使用NB-IOT可以远程稳定快速传输数据信息，提供了较大便利，也保障了数据传输速度和质量。

S4：所述监控平台对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息；

S5：将步骤S4中计算的结果和预设的该待测轨道应变量阈值进行比较，若计算结果低于所述预设的该待测轨道应变量阈值，则返回步骤S1，继续实时监测；若计算结果高于所述预设的该待测轨道应变量阈值，则结束，并输出报警信号以启动报警器报警；

由此可见，通过本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，通过在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器，从而采集所述待测轨道的应变信息，所述分布式光纤传感器接收到来自应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号，从而将该待测轨道的应变信息转换为可传输的光信息，并经NB-IOT模块传输至监控平台，监控平台对接收到的信息进行解码，最终反推出该待测轨道应变信息，从而实现了轨道应变精准检测，解决现有技术采用的应变检测方法存在易受环境影响、且误差较大等技术问题。

进一步地，步骤S2中所述的分布式光纤传感器，其优选采用标准的通讯单模光纤，以提供上百公里的温度和应变的同时探测能力。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量系统，如图2所示，包括：在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器、应变检测仪、NB-IOT模块、以及监控平台；其中：所述分布式光纤传感器、应变检测仪、NB-IOT模块、以及监控平台均信号连接；

所述应变检测仪用于发出预设频率的探测光，以作为检测光源信号；

所述分布式光纤传感器用于接收所述应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号；

所述NB-IOT模块用于接收所述应变检测仪输出的携带所述待测轨道应变信息的偏移信号，并传输至所述监控平台；

所述监控平台用于对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息；

所述监控平台用于对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息：当计算结果低于预设的该待测轨道应变量阈值，则继续实时监测；当计算结果高于预设的该待测轨道应变量阈值，则输出报警信号以启动报警器报警；由此，实现警示作用，保障了安全。

进一步地，所述分布式光纤传感器分别平行并尽量挨近钢轨中性层贴于钢轨侧面，以精确的检测该待测轨道应变信息。

在实际应用中，为了保障传感器在恶劣的环境下仍然能稳定工作和不影响钢轨本身健康状况，本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量系统，所述分布式光纤传感器具有封装结构，即将所述分布式光纤传感器进行封装，再将封装好的分布式光纤传感器模块焊接在钢轨上。

具体地，所述封装优选为封装套件，所述套件具有易开合盒子、固定盖和螺丝，以方便拆装。

进一步地，将封装套件固定在钢轨上时，考虑到粘结剂易受环境影响而被老化，该套件选用低温焊接和大功率烙铁将光纤传感器套件焊接在钢轨上。

以下结合实施例做进一步说明：

实施例1：

本发明的提供了一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法及系统，包括：在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器、应变检测仪、NB-IOT模块、以及监控平台；其中：所述分布式光纤传感器、应变检测仪、NB-IOT模块、以及监控平台均信号连接；

所述应变检测仪用于发出预设频率的探测光，以作为检测光源信号；

所述分布式光纤传感器用于接收所述应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号；

所述NB-IOT模块用于接收所述应变检测仪输出的携带所述待测轨道应变信息的偏移信号，并传输至所述监控平台；

所述监控平台用于对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息；

所述监控平台用于对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息：当计算结果低于预设的该待测轨道应变量阈值，则继续实时监测；当计算结果高于预设的该待测轨道应变量阈值，则输出报警信号以启动报警器报警；由此，实现警示作用，保障了安全。

在本实施例中，所述分布式光纤传感器分别平行并尽量挨近钢轨中性层贴于钢轨侧面，以精确的检测该待测轨道应变信息。

在本实施例中，为了保障传感器在恶劣的环境下仍然能稳定工作和不影响钢轨本身健康状况，本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量系统，所述分布式光纤传感器具有封装结构，即将所述分布式光纤传感器进行封装，再将封装好的分布式光纤传感器模块焊接在钢轨上。

在本实施例中，所述封装优选为封装套件，所述套件具有易开合盒子、固定盖和螺丝，以方便拆装。

在本实施例中，将封装套件固定在钢轨上时，考虑到粘结剂易受环境影响而被老化，该套件选用低温焊接和大功率烙铁将光纤传感器套件焊接在钢轨上。

工作时：本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法及系统按照如下流程进行：

S1：应变检测仪发出预设频率为f的探测光，以作为检测光源信号S2：在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器，所述分布式光纤传感器接收步骤S1中所述应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号；

具体而言，所述偏移信号为背向SPBS信号，其频率范围为以预设频率为中心频率，以布里渊频移为偏移量；优选地，所述布里渊频移为偏移量为f_B＝(2f₀nv/c)sin(θ/2),其中，

f₀为入射进入光纤的光波频率；

n为材料的折射率；

c为真空光波的传播速度；

v为材料中的声速；

θ是发生在光纤中散射光信号和原始光信号的夹角。

S3：应变检测仪接收所述步骤S2中输出的偏移信号，并经NB-IOT模块传输至监控平台；

具体而言，窄带物联网(NB-IOT)是IOT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)；NB-IOT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接；通常情况下，NB-IOT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖；本发明使用NB-IOT可以远程稳定快速传输数据信息，提供了较大便利，也保障了数据传输速度和质量。

S4：所述监控平台对接收到的信息进行解码，以计算出该待测轨道应变信息；

S5：将步骤S4中计算的结果和预设的该待测轨道应变量阈值进行比较，若计算结果低于所述预设的该待测轨道应变量阈值，则返回步骤S1，继续实时监测；若计算结果高于所述预设的该待测轨道应变量阈值，则结束，并输出报警信号以启动报警器报警；

所述监控平台通过以下方式进行解码：通过应变监测器获取的数据经设计的监控软件，利用程序对数据进行处理。

由此可见，通过本发明提供的一种基于分布式光纤传感器的轨道应变测量方法，通过在待测轨道两侧沿所述待测轨道水平延伸方向分别设置分布式光纤传感器，从而采集所述待测轨道的应变信息，所述分布式光纤传感器接收到来自应变检测仪发出的预设频率的探测光，并输出携带所述待测轨道应变信息的偏移信号，从而将该待测轨道的应变信息转换为可传输的光信息，并经NB-IOT模块传输至监控平台，监控平台对接收到的信息进行解码，最终反推出该待测轨道应变信息，从而实现了轨道应变精准检测，解决现有技术采用的应变检测方法存在易受环境影响、且误差较大等技术问题。

所述的分布式光纤传感器，其优选采用标准的通讯单模光纤，以提供上百公里的温度和应变的同时探测能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。