[發明專利]基于多芯光纜結構的軌道安全檢測裝置及其檢測方法

在審

• 申請號: 201810218879.5
• 申請日: 2018-03-16
• 公開（公告）號: CN108775980A
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 李新碗;鄧順戈;馬鑫
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L5/00;G02B6/44
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種基于多芯光纜結構的軌道安全檢測裝置，其特征在于包括具有應力傳感器的多芯光纜(5)，該多芯光纜(5)由光纖(2)依次包覆有涂覆層(3)和外套保護層(4)構成，所述的光纖(2)對稱分布的N根纖芯(1)，其中一根纖芯位于光纖(2)的對稱中心，稱為中心纖芯，其余N-1根纖芯圍繞所述的中心纖芯在所述的光纖(2)的橫截面內呈中心對稱分布，N為大于4的正整數，在所述的光纖(2)的同一位置的每根纖芯上刻寫有相同周期性的光柵結構構成應力傳感器，該多芯光纜(5)的N根纖芯的末端與輸入輸出模塊(FIFO)相連，該輸入輸出模塊(FIFO)的另一端通過N根纖芯與解調儀的通道端口相連，該解調儀通過以太網或串口等通信方式與數據處理平臺相連。

2.根據權利要求1所述的基于多芯光纜結構的軌道安全檢測裝置，其特征在于所述的周期性的光柵結構，包括基于光纖布拉格光柵(6)、分布布里淵散射或分布拉曼散射傳感器。

3.利用權利要求1所述的基于多芯光纜結構的軌道安全檢測裝置進行軌道安全的檢測方法，其特征在于該方法包括下列步驟：

1)初始化安裝：將多芯光纜(5)緊貼地安裝在軌道(7)的軌腰與軌頭連接處的受力敏感處，將所述的多芯光纜(5)的末端與FIFO模塊的一端相連，以便光信號輸入或輸出每根纖芯，所述的FIFO模塊另一端與解調儀的通道端口相連，該解調儀通過以太網或串口與數據處理平臺相連；

2)計算彎曲導致的應變：由于每根光纖都具有周期性的光柵結構，所以會產生N路反射信號，第i根纖芯的反射信號為反射信號經過FIFO模塊，進入解調儀，該解調儀解調出第i路纖芯的波長偏移量Δλ_i(i＝1,2,......,N)；

光柵結構的應變ε_i與波長偏移量Δλ_i的關系為：

ε_i＝f(Δλ_i)(i＝1,2,......,N)

應變ε_i與彎曲導致的應變ε_B,i關系是：

ε_i＝ε_a+ε_B,i(i＝1,2,......,N)

其中，ε_a是由于非彎曲導致的應變，ε_B,i是由于彎曲導致的應變，中心纖芯的應變是由于非彎曲因素引起的應變為ε₁，則其余N-1根纖芯由于彎曲導致的應變是：

ε_B,i＝ε_i-ε₁(i＝2,3,.....,N)；

3)計算彎曲方向和應力大小：N-1根纖芯的曲率向量的矢量和為κ_app：

其中，d_i是第i路纖芯到中心纖芯的距離；θ_i是第i路纖芯到X軸正方向的角度；分別是X軸和Y軸的單位向量，則矢量和κ_app的絕對值為：

由于外圍的N-1根纖芯是對稱的，所以多芯光纜(5)的曲率κ可以表示為：

彎曲方向θ_b是相對于X軸正方向偏移的角度，θ_b可表示為：

根據材料力學的理論，多芯光纜緊貼軌道，符合彎曲模型，所以最大正應力σ_max為：

其中，E為彈性模量，x_max為纖芯到X軸的最大距離，將上述得到的多芯光纜(5)的曲率κ代入，得到應力的大小；

4)實時監測：設置應力σ_max與彎曲方向θ_b的變化的安全閾值Δσ_o、Δθ_bo，將應力σ_max與彎曲方向θ_b的變化量Δσ、Δθ_b和安全閾值Δσ_o、Δθ_bo進行比較，當Δσ、Δθ_b小于安全閾值時，繼續采集和記錄應力σ_max與彎曲方向θ_b；當Δσ、Δθ_b大于安全閾值時，發出警報。

4.根據權利要求3所述的軌道安全的檢測方法，其特征在于所述的多芯光纜(5)緊貼軌道(7)的方式包括嵌入、焊接或通過固定件固定。