本發(fā)明總體上涉及一種通過(guò)傳感器用于檢測(cè)被測(cè)變量的光學(xué)測(cè)量裝置，所述傳感器嵌入在光纖內(nèi)，特別地涉及使用至少一個(gè)光纖傳感器元件測(cè)量作用在軌上的機(jī)械變量，以及涉及一種軌測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種將光纖傳感器元件安裝至軌的方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中變得越來(lái)越重要。在這點(diǎn)上，一個(gè)或多個(gè)被嵌入在光纖纜線(xiàn)內(nèi)的諸如例如光纖布拉格光柵的傳感器，被使用以檢測(cè)由機(jī)械變量所引起的光纖的應(yīng)變，并且據(jù)此檢測(cè)力、扭矩、加速度、負(fù)載、壓力條件等等。

集成在光纖傳感器內(nèi)的傳感器元件用適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)的光輻射被照射。光纖纜線(xiàn)是通過(guò)作用力產(chǎn)生應(yīng)變的，且光纖布拉格光柵的反射或透射波長(zhǎng)會(huì)變化。部分照射光被傳感器反射并且被供應(yīng)至評(píng)價(jià)與分析單元?；谧饔昧Φ牟ㄩL(zhǎng)變化能夠在分析單元中被檢查并且能夠被用以檢測(cè)在傳感器元件上的機(jī)械影響。

由傳感器元件反射的光輻射的強(qiáng)度和/或波長(zhǎng)范圍、或透射通過(guò)傳感器元件的光輻射的強(qiáng)度和/或波長(zhǎng)范圍包括由所使用的機(jī)械變量所影響的特征。集成在光學(xué)傳感器光纖內(nèi)的光纖傳感器元件對(duì)傳感器光纖的應(yīng)變敏感，借以影響由傳感器元件反射的波長(zhǎng)譜或透射通過(guò)傳感器元件的波長(zhǎng)譜。

不同的測(cè)量系統(tǒng)被使用以監(jiān)控軌或鐵路系統(tǒng)的各種方面。特別地，對(duì)由經(jīng)過(guò)的列車(chē)施加在軌上的力是有興趣的，這使得可得出尤其關(guān)于經(jīng)過(guò)的列車(chē)的結(jié)論。

對(duì)于用于運(yùn)行列車(chē)的軌或鐵路系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，可靠地檢測(cè)顯著變化的軸負(fù)載更加是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是因?yàn)榘踩砸笮枰浅Ｐ〉腻e(cuò)誤率。此外，不僅是引入到軌系統(tǒng)或鐵路系統(tǒng)內(nèi)的軸負(fù)載變化。還有在軌枕木上 的軌支撐、軌路基的結(jié)構(gòu)以及列車(chē)的類(lèi)型能夠大幅度變化。這都對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。

此外，光纖的應(yīng)變以及因此光纖內(nèi)的光學(xué)傳感器元件的應(yīng)變和/或光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)內(nèi)的變化不僅取決于將被測(cè)量的機(jī)械變量，諸如例如力，而且還還受諸如例如溫度波動(dòng)的非期望的干擾變量影響。由于這個(gè)原因，令人期望的是消除或至少抑制在對(duì)所期望的變量的檢測(cè)中對(duì)測(cè)量精確度有影響的干擾變量。

由于這個(gè)原因，令人期望的是提供一種改進(jìn)的用于軌或鐵路系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)、一種改進(jìn)的用于軌或鐵路系統(tǒng)的光纖傳感器單元、以及對(duì)光纖傳感器單元的改進(jìn)的使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的至少一種光纖傳感器元件在測(cè)量作用在軌上的機(jī)械變量方面的應(yīng)用、一種用于檢測(cè)作用在軌上的機(jī)械變量的光纖傳感器單元、一種軌測(cè)量系統(tǒng)以及一種將光纖傳感器元件安裝至軌的方法。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了至少一個(gè)光纖傳感器單元在測(cè)量作用在縱向延伸的軌上的機(jī)械變量方面的應(yīng)用，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線(xiàn)，所述應(yīng)用包括：相對(duì)于所述中性軸線(xiàn)以30°至60°，尤其是45°的角度或相對(duì)于所述中性軸線(xiàn)以-30°至-60°，尤其是-45°的角度提供所述至少一個(gè)光纖傳感器單元；利用一次光對(duì)所述至少一個(gè)光纖傳感器單元照射，以生成反射模式或透射模式下的信號(hào)光；檢測(cè)所述信號(hào)光的強(qiáng)度；以及評(píng)價(jià)分析所述信號(hào)光。

根據(jù)另外的實(shí)施例，提供了一種用于檢測(cè)作用在軌上的機(jī)械力的光纖傳感器單元，其中，光纖傳感器單元包括：光纖；設(shè)置在所述光纖中的光纖布拉格光柵，所述光纖布拉格光柵具有與所述機(jī)械力相關(guān)的布拉格波長(zhǎng)；轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)具有信號(hào)放大杠桿機(jī)構(gòu)；以及用于對(duì)信號(hào)光的第一部分進(jìn)行濾波的邊緣濾波器，特別是其中，所述邊緣濾波器的濾波器特性線(xiàn)具有相對(duì)于透射強(qiáng)度的8％/nm或更小，特別是在2％與7％/nm之間的標(biāo)稱(chēng)斜率，特別是提供有作用在所述軌上的200kg至50,000kg 的車(chē)軸負(fù)荷的測(cè)量范圍。

根據(jù)另外的實(shí)施例，提供了一種軌測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述軌測(cè)量系統(tǒng)包括：縱向延伸的軌，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線(xiàn)，由在軌上運(yùn)行的列車(chē)產(chǎn)生的機(jī)械力作用在所述軌上；以及至少一個(gè)光纖傳感器單元，通常兩個(gè)光纖傳感器單元，其用于檢測(cè)作用在所述軌上的機(jī)械力，其中，光纖傳感器單元包括具有布拉格波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵，所述布拉格波長(zhǎng)與機(jī)械變量有關(guān)，其中，所述至少一個(gè)光纖傳感器單元相對(duì)于所述中性軸線(xiàn)以30°至60°，尤其是45°的角度或相對(duì)于所述軌的所述中性軸線(xiàn)以-30°至-60°，尤其是-45°的角度被安裝至所述軌。

根據(jù)另外的實(shí)施例，提供了一種用于將光纖傳感器單元，特別是具有光纖布拉格光柵的光纖傳感器單元安裝至軌的方法，其中，所述方法包括：相對(duì)于中性軸線(xiàn)以30°至60°，尤其是45°的另外的角度或相對(duì)于軌的中性軸線(xiàn)以-30°至-60°，尤其是-45°的另外的角度安裝光纖傳感器單元，特別地，其中，所述光纖傳感器單元靠近所述中性軸線(xiàn)安裝。

根據(jù)另外的實(shí)施例，提供了至少一個(gè)光纖傳感器單元在測(cè)量作用在縱向延伸的軌上的機(jī)械變量方面的應(yīng)用，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線(xiàn)，所述應(yīng)用包括：在中性軸線(xiàn)處提供所述至少一個(gè)光纖傳感器單元，尤其是使得光纖傳感器單元跨過(guò)中性軸線(xiàn)，利用一次光對(duì)所述至少一個(gè)光纖傳感器單元照射，以生成反射模式或透射模式下的信號(hào)光；檢測(cè)所述信號(hào)光的強(qiáng)度；以及評(píng)價(jià)分析所述信號(hào)光。

根據(jù)另外的實(shí)施例，提供了一種軌測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述軌測(cè)量系統(tǒng)包括：縱向延伸的軌，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線(xiàn)，由在軌上運(yùn)行的列車(chē)產(chǎn)生的機(jī)械力作用在所述軌上；以及至少一個(gè)光纖傳感器單元，通常兩個(gè)光纖傳感器單元，其用于檢測(cè)作用在所述軌上的機(jī)械力，其中，光纖傳感器單元包括具有布拉格波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵，所述布拉格波長(zhǎng)與機(jī)械變量有關(guān)，其中，所述至少一個(gè)光纖傳感器單元被安裝在中性軸線(xiàn)處，特別地使得它跨過(guò)中性軸線(xiàn)。

根據(jù)另外的實(shí)施例，提供了一種用于將光纖傳感器單元，特別是具有光纖布拉格光柵的光纖傳感器單元安裝至軌的方法，其中，所述方法包括：將光纖傳感器單元安裝在軌的中性軸線(xiàn)處，尤其是使得光纖傳感器單元跨 過(guò)中性軸線(xiàn)。

根據(jù)另外的實(shí)施例，提供了一種用于測(cè)量作用在縱向延伸的軌上的機(jī)械變量的測(cè)量方法，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線(xiàn)，其中，所述方法包括：利用一次光對(duì)至少一個(gè)光纖傳感器單元照射，以生成反射模式或透射模式下的信號(hào)光；檢測(cè)所述信號(hào)光的強(qiáng)度；以及評(píng)價(jià)分析所述信號(hào)光，其中尤其是利用信號(hào)光削波，所述信號(hào)光削波用于評(píng)價(jià)所述信號(hào)光。

附圖說(shuō)明

各實(shí)施例在圖中被示出并且在下文描述中被更加詳細(xì)地描述。在圖中：

圖1示出包括集成的傳感器元件的傳感器光纖，所述集成的傳感器元件被設(shè)計(jì)成用于測(cè)量光纖應(yīng)變的光纖布拉格光柵；

圖2示出由在圖1中示出的光纖內(nèi)的集成的傳感器元件所產(chǎn)生的傳感器反射響應(yīng)；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有光源、光纖耦合器以及檢測(cè)配置或光纖傳感器單元或軌測(cè)量系統(tǒng)的光纖測(cè)量裝置的示意性方框圖。

圖4示出根據(jù)另外的實(shí)施例的軌測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；以及

圖5A與圖5B示出在傳感器元件中所使用的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的示意圖，所述傳感器元件能夠使用在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的傳感器單元中或軌測(cè)量系統(tǒng)中。

在圖中相同的附圖標(biāo)記表征相同的或功能上相似的部件或步驟。

具體實(shí)施方式

下文是對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中一個(gè)或多個(gè)示例在圖中被示出。

在本文中所描述的本發(fā)明的實(shí)施例涉及至少一個(gè)光纖傳感器單元用于測(cè)量機(jī)械變量的用途、一種用于檢測(cè)作用在軌上的機(jī)械力的光纖傳感器單元、一種軌測(cè)量系統(tǒng)以及用于將光纖傳感器單元、尤其是具有光纖布拉格光柵的光纖傳感器單元安裝至軌的方法。

圖1示出集成在光纖纜線(xiàn)中并且包括光纖布拉格光柵306的傳感器或傳感器元件303。盡管圖1僅僅示出一個(gè)單獨(dú)的光纖布拉格光柵306，但是 清楚的是，本發(fā)明不限于從一個(gè)單獨(dú)的光纖布拉格光柵306采集數(shù)據(jù)，而是多個(gè)光纖布拉格光柵306能夠沿傳輸光纖或傳感器光纖304布置。

圖1因此僅僅示出被設(shè)計(jì)成傳感器光纖304的光波導(dǎo)的一部分，其中這個(gè)傳感器光纖304對(duì)光纖應(yīng)變308敏感。在這一點(diǎn)上，應(yīng)該提到的是，術(shù)語(yǔ)“光學(xué)的”或“光線(xiàn)”應(yīng)指代電磁波譜中的可以從紫外光譜范圍通過(guò)可見(jiàn)光譜范圍延伸至紅外光譜范圍的波長(zhǎng)范圍。光纖布拉格光柵306的中心波長(zhǎng)，即所謂的布拉格波長(zhǎng)λ_B通過(guò)以下等式得到：

λ_B＝2·n_kΛ。

這里n_k是傳感器光纖304的芯的基本模式的有效折射率，Λ是光纖布拉格光柵306的空間光柵周期(調(diào)制周期)。

由反射響應(yīng)的半峰全寬給定的光譜寬度取決于沿傳感器光纖304的光纖布拉格光柵306的尺寸。由于光纖布拉格光柵306的作用，傳感器光纖304內(nèi)的光傳播因此例如取決于力、力矩以及機(jī)械張力與溫度，所述力、力矩以及機(jī)械張力與溫度作用在傳感器光纖304上、尤其是作用在傳感器光纖304內(nèi)的光纖布拉格光柵306上。

如在圖1中所示出的，測(cè)量光204從傳感器光纖304的左手側(cè)進(jìn)入，其中，部分測(cè)量光204作為具有不同于測(cè)量光204的波長(zhǎng)依賴(lài)性的透射光206離開(kāi)。也有可能在光纖的輸入端處(即在測(cè)量光204也照射的端部處)接收反射光205，其中，所述反射光205還示出如在圖2中示出的修改的波長(zhǎng)分布(傳感器反射響應(yīng))。

在測(cè)量光204在寬光譜范圍內(nèi)照射的情況下，在布拉格波長(zhǎng)位置處的透射光206中的透射最小(相比于在圖2中示出的依賴(lài)性的反向依賴(lài)性，即在布拉格波長(zhǎng)處的最大吸收)即是結(jié)果。在反射光中在這個(gè)位置處得到反射最大，這會(huì)在下文中參照?qǐng)D2進(jìn)行解釋。

圖2示意性地表示傳感器反射響應(yīng)400，當(dāng)寬帶測(cè)量光204照射并且當(dāng)光纖布拉格光柵306(圖1)的中心波長(zhǎng)，即布拉格波長(zhǎng)λ_B相應(yīng)于虛線(xiàn)403時(shí)，所述傳感器反射響應(yīng)400被接收。傳感器反射響應(yīng)400可以具有相對(duì)于中心波長(zhǎng)403對(duì)稱(chēng)的曲線(xiàn)，其中，所述曲線(xiàn)具有半峰全寬(FWHM：full width at half maximum)404，即在最大強(qiáng)度一半處的光譜寬度。

圖2示意性示出空間掃描點(diǎn)(圓圈)。通過(guò)檢測(cè)器單元104所記錄的對(duì)修改的二次光203的評(píng)價(jià)現(xiàn)在使得能夠得到在圖2中示出的作為波長(zhǎng)λ的函數(shù)的曲線(xiàn)，即傳感器反射響應(yīng)400。圖2因此示出強(qiáng)度分布I(λ)，即由傳感器元件303所反射的強(qiáng)度作為波長(zhǎng)λ的函數(shù)被示出。即將通過(guò)測(cè)量裝置被檢測(cè)的波長(zhǎng)分布通過(guò)波長(zhǎng)響應(yīng)范圍405得到，所述波長(zhǎng)響應(yīng)范圍405通過(guò)在圖2中的雙箭頭被示出。當(dāng)光纖布拉格光柵306被測(cè)量時(shí)，修改的二次光203示出在這個(gè)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)成分。修改的二次光203此時(shí)相應(yīng)于在圖2中示出的傳感器反射響應(yīng)400，即反射強(qiáng)度402作為波長(zhǎng)401的函數(shù)被記錄。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有光源、光纖耦合器與檢測(cè)布置或光纖傳感器單元或軌測(cè)量系統(tǒng)的光纖測(cè)量裝置的示意性方框圖。圖3示出軌320、安裝至軌的光纖傳感器單元330以及光學(xué)測(cè)量裝置340。所述光纖傳感器單元330在這種情況下可以是圖2中示出的傳感器單元303或是與其類(lèi)似。

軌320能夠近似被視作條。條總體上是桿狀支撐構(gòu)件，所述桿狀支撐構(gòu)件能夠在橫向于它的軸向的方向上承載負(fù)荷。所述條以彎曲與剪切變形做出對(duì)負(fù)荷的反應(yīng)。如果例如一個(gè)力作用在條的接觸表面上，由于彎曲變形，所述條變形至這樣一種程度使得面向接觸表面的第一區(qū)域收縮(負(fù)應(yīng)變)，背離接觸表面的第二區(qū)域擴(kuò)展(正應(yīng)變)。在這些區(qū)域之間存在不會(huì)因這種彎曲運(yùn)動(dòng)而經(jīng)歷任何應(yīng)變的區(qū)域。它被稱(chēng)為中性軸線(xiàn)。除彎曲運(yùn)動(dòng)外，還存在上述的剪切變形。

圖3中示出的軌320具有在較低部分處的基部322和在較高部分的頭部324。在這些之間，形成有近似矩形的區(qū)域326。如果機(jī)械變量作用在軌320上，軌320變形，因此形成如前所述的中性軸線(xiàn)328。軌320優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成使得中性軸線(xiàn)328形成在矩形區(qū)域326內(nèi)。

根據(jù)一些實(shí)施例，光纖傳感器單元與中性軸線(xiàn)成大于或小于0°的角度。光纖傳感器單元能夠優(yōu)選地布置在相對(duì)于中性軸線(xiàn)30°至60°，尤其是45°的角度處，或相對(duì)于中性軸線(xiàn)-30°至-60°，尤其是-45°的角度處。

將光纖傳感器單元330安裝在相對(duì)于中性軸線(xiàn)±30°至±60°，尤其是±45°的角度處，這提供的優(yōu)點(diǎn)是光纖傳感器單元檢測(cè)引起正或負(fù)應(yīng)變的剪切變 形，所述正或負(fù)應(yīng)變不與中性軸線(xiàn)平行延伸。

根據(jù)一些實(shí)施例，光纖傳感器單元可安裝在中性軸線(xiàn)處，特別地，延伸跨過(guò)它使得光學(xué)傳感器單元在兩個(gè)位置處被安裝至軌，從而使得傳感器單元穿過(guò)中性軸線(xiàn)，即一個(gè)安裝點(diǎn)布置在中性軸線(xiàn)的一側(cè)上，另一個(gè)安裝點(diǎn)布置在中性軸線(xiàn)的相反側(cè)。此外，所述安裝點(diǎn)可以特別地布置在距離中性軸線(xiàn)相同的距離處，即對(duì)稱(chēng)布置，尤其是相對(duì)于中性軸線(xiàn)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。

在圖3中，光纖傳感器單元330通過(guò)兩個(gè)安裝點(diǎn)332、334被安裝至軌320，所述兩個(gè)安裝點(diǎn)例如位于離中性軸線(xiàn)同一距離處。由于這個(gè)原因，由作用在軌上的機(jī)械變量在安裝點(diǎn)332、334處所導(dǎo)致的彎曲變形彼此抵消，據(jù)此剪切變形大體上是直接被測(cè)量或大體上沒(méi)有干擾。

根據(jù)能夠與另外實(shí)施例組合的一些實(shí)施例，光纖傳感器單元可以大體上被布置在中性軸線(xiàn)處或在中性軸線(xiàn)的頂部處或延伸跨過(guò)中性軸線(xiàn)，即穿過(guò)它。根據(jù)能夠與另外實(shí)施例組合的一些實(shí)施例，光纖傳感器單元能夠相對(duì)于中性軸線(xiàn)布置在30°至60°，尤其是45°的角度處，或相對(duì)于中性軸線(xiàn)布置在-30°至-60°，尤其是-45°的角度處。特別地，光纖傳感器單元能夠大體上布置在中性軸線(xiàn)處或中性軸線(xiàn)的頂部或延伸跨過(guò)中性軸線(xiàn)，即穿過(guò)它，并且可相對(duì)于中性軸線(xiàn)布置在30°至60°、尤其45°的角度或-30°至-60°的角度處。以這種類(lèi)型的安裝，只有剪切變形被引入至傳感器內(nèi)。這些與軌的彎曲獨(dú)立，并且由于這個(gè)原因，與在軌路基以及軌枕木上的軌的精確支撐獨(dú)立。

圖3中示出的光學(xué)測(cè)量裝置包括一次光源341、光纖耦合器343以及光電探測(cè)器345。在一次光源341與光纖耦合器343之間提供有光傳輸光纖342。光纖耦合器343將一次光源341的一次光201引導(dǎo)至光纖傳感器單元330上。依賴(lài)作用在軌150上的機(jī)械變量的傳感器反射響應(yīng)400——即由光纖傳感器單元330所反射的信號(hào)光接著傳輸至光纖耦合器343。反射光或部分反射光作為二次光347或信號(hào)光347在光纖耦合器343中被供給至光電檢測(cè)器345。檢測(cè)器檢測(cè)強(qiáng)度分布，優(yōu)選地信號(hào)光的強(qiáng)度。例如，檢測(cè)器求解由光纖傳感器單元反射回來(lái)的二次光347的中心波長(zhǎng)403的變化。

此外，分束器344可以設(shè)置在光纖耦合器343與光電檢測(cè)器345之間，所述分束器344將入射至其上的光分開(kāi)并且將第一部分347a引導(dǎo)至光電檢 測(cè)器345并且將第二部分347b通過(guò)濾波器346引導(dǎo)至第二光電檢測(cè)器348。濾波器346優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為邊緣濾波器。

對(duì)第一光電檢測(cè)器345和/或第二光電檢測(cè)器348上的信號(hào)的評(píng)價(jià)在評(píng)價(jià)單元執(zhí)行，所述評(píng)價(jià)單元未示出，并且在所述評(píng)價(jià)單元中，特別地，信號(hào)光能夠被評(píng)價(jià)。例如，信號(hào)能夠被處理或計(jì)算。所述第一和/或所述第二光電檢測(cè)器被有利地設(shè)計(jì)為光電二極管、光電倍增管、雪崩光電二極管或類(lèi)似物。這種類(lèi)型的光電檢測(cè)器將輸入信號(hào)光轉(zhuǎn)換成光電流，所述光電流允許快速并且簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。例如，在被設(shè)計(jì)為光電二極管的光電檢測(cè)器345、348處生成的信號(hào)的區(qū)別能夠被生成。

根據(jù)典型的實(shí)施例，一種檢測(cè)器能夠在光譜上將信號(hào)光集合，即能夠檢測(cè)強(qiáng)度，例如邊緣濾波器的下游，無(wú)需光譜分解。因?yàn)閳?zhí)行了對(duì)光電流的簡(jiǎn)單掃描，光電二極管的光信號(hào)能夠以特別是高于5kHz，有利地高于8kHz，典型地高于10kHz的高頻方式在邊緣濾波器的下游被讀出。替代地，檢測(cè)也能夠通過(guò)光譜儀或類(lèi)似的裝置執(zhí)行，以確定由光纖傳感器單元330反射回的波長(zhǎng)分布的光譜。然而，光電檢測(cè)器尤其是光電二極管的使用提供了用簡(jiǎn)單測(cè)量配置的高頻掃描的優(yōu)點(diǎn)。此外，動(dòng)態(tài)范圍的變化能夠通過(guò)對(duì)邊緣濾波器的濾波器特性線(xiàn)的斜率的選取來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾波器特性線(xiàn)的標(biāo)稱(chēng)斜率因此有利地小于8％nm，特別地相對(duì)于透射強(qiáng)度在2％與7％之間的范圍內(nèi)。所述標(biāo)稱(chēng)斜率因此指代邊緣濾波器的平均斜率——邊緣濾波器的重要/主要區(qū)域內(nèi)的斜率或如所提到的那樣描述邊緣濾波器特性的斜率，例如作為代表值以關(guān)于它們的斜率比較各種邊緣濾波器。此外，由光纖布拉格光柵306反射回的光的典型中心波長(zhǎng)403近似1550nm。動(dòng)態(tài)范圍的變化的另外的方面將參照?qǐng)D5A與5B被圖示出。

光纖布拉格光柵信號(hào)，即由作用在軌上的機(jī)械變量所導(dǎo)致的光纖傳感器單元的信號(hào)變化能夠通過(guò)剛剛圖示出的邊緣濾波器配置被讀出，據(jù)此能夠執(zhí)行高頻檢測(cè)。

圖3此外示出兩個(gè)光纖傳感器元件。根據(jù)一些實(shí)施例，在相對(duì)于中性軸線(xiàn)30°至60°，特別是45°的角度處，或相對(duì)于中性軸線(xiàn)-30°至-60°，特別是-45°的另外的角度處，提供有第二或另外的光纖傳感器單元，以擴(kuò)大應(yīng)用的范圍。這結(jié)合圖4被示出。特別地，另外的光纖傳感器單元的另外的角 度的符號(hào)與光纖傳感器單元的角度的符號(hào)不同。在這點(diǎn)上，通過(guò)相加這兩個(gè)信號(hào)能夠得到與軌上的負(fù)荷成比例的信號(hào)。

應(yīng)該指出的是，盡管在圖3中示出了兩個(gè)光纖傳感器單元的使用，但是有可能使用三個(gè)或三個(gè)以上的光纖傳感器單元以例如提高測(cè)量精確度。根據(jù)一些實(shí)施例，另外的光纖傳感器單元，即第三個(gè)或第四個(gè)傳感器單元，也可以以上述的角度布置。然而，它們也可以以不同的角度布置，諸如例如相對(duì)于中性軸線(xiàn)成0°或90°。

在一次光源341對(duì)光纖傳感器單元照射之前，一次光可被強(qiáng)度調(diào)制，以通過(guò)例如鎖定技術(shù)消除或至少減少不期望的干擾。在通過(guò)一次光源341對(duì)一次光201的強(qiáng)度調(diào)制的情況下，可為光電檢測(cè)器提供調(diào)制頻率以使得能夠?qū)崿F(xiàn)光電檢測(cè)器中的同步檢測(cè)。

此外應(yīng)該注意的是，盡管在圖3中示出反射模式下的測(cè)量，但是被設(shè)計(jì)為光纖布拉格光柵的光纖傳感器單元也能夠在透射模式下運(yùn)行，使得透射的一次光201作為二次光202(透射的二次光)被供給至光學(xué)測(cè)量設(shè)備。

圖4示出根據(jù)另外的實(shí)施例的軌測(cè)量系統(tǒng)的示意性視圖。這里應(yīng)該提到的是，已經(jīng)參照?qǐng)D3描述的部件在這里不再被描述以避免贅述。如在圖4中示出的那樣，軌測(cè)量系統(tǒng)包括軌320以及至少一個(gè)光纖傳感器單元330。軌320在多個(gè)軌枕木上被支撐。圖4示出兩個(gè)軌枕木410a、410b，在所述兩個(gè)軌枕木410a與410b之間，至少布置一個(gè)光纖傳感器單元，通常布置兩個(gè)光纖傳感器單元330a、330b。根據(jù)此處描述的實(shí)施例，至少一個(gè)傳感器單元330，特別是至少兩個(gè)傳感器單元能夠被安裝至軌，使得它們能夠與中性軸線(xiàn)成一個(gè)±30°至±60°，尤其是±45°的角度。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，所述至少一個(gè)光纖傳感器單元330優(yōu)選地以對(duì)稱(chēng)的、尤其是點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的方式延伸跨過(guò)中性軸線(xiàn)。這意味著，它通過(guò)兩個(gè)安裝點(diǎn)332、334被安裝至軌320，所述兩個(gè)安裝點(diǎn)332、334具有離中性軸線(xiàn)相同的距離。附圖標(biāo)記420此外示例性地示出在軌320上運(yùn)行的列車(chē)的車(chē)輪。

經(jīng)過(guò)的列車(chē)用它的車(chē)輪420在軌320上施加一個(gè)力，作為其結(jié)果，軌320如上述那樣變形。由于這個(gè)原因，所述至少一個(gè)光纖傳感器單元以正或負(fù)的方式應(yīng)變。這改變了通過(guò)所述至少一個(gè)光纖傳感器單元反射或透射的波長(zhǎng)分布。它作為測(cè)量信號(hào)被檢測(cè)與評(píng)價(jià)，以能夠關(guān)于經(jīng)過(guò)的列車(chē)得出結(jié) 論。例如，能夠確定由在軌上運(yùn)行的列車(chē)所導(dǎo)致的剪切變形。

根據(jù)一些實(shí)施例，在一個(gè)測(cè)量位置處能夠提供至少一個(gè)光纖傳感器單元。對(duì)測(cè)量信號(hào)的評(píng)價(jià)能夠因此被用于軸計(jì)數(shù)。測(cè)量信號(hào)在這里對(duì)應(yīng)于通過(guò)光纖傳感器單元反射和/或透射的光，即信號(hào)光。

根據(jù)如在圖4中示出的另外的實(shí)施例，在兩個(gè)測(cè)量位置處能夠提供至少兩個(gè)光纖傳感器單元。替代地或附加地，光纖傳感器單元也可以包括具有光纖布拉格光柵的兩個(gè)或兩個(gè)以上的光纖，所述兩個(gè)或兩個(gè)以上的光纖能夠安裝至相同或不同的測(cè)量位置。每個(gè)光纖傳感器單元能夠因此具有設(shè)置在光纖內(nèi)的至少一個(gè)光纖布拉格光柵，所述光柵具有取決于作用的機(jī)械變量的布拉格波長(zhǎng)。對(duì)至少兩個(gè)光纖傳感器單元的測(cè)量信號(hào)的評(píng)價(jià)或?qū)哂兄辽賰蓚€(gè)光纖布拉格光柵的至少一個(gè)光纖傳感器單元的測(cè)量信號(hào)的評(píng)價(jià)能夠包括對(duì)軌上的負(fù)荷的確定、對(duì)速率的測(cè)量、對(duì)經(jīng)過(guò)的列車(chē)的方向的檢測(cè)、軌上的列車(chē)的車(chē)輪損壞和/或?qū)?jīng)過(guò)的列車(chē)的列車(chē)分類(lèi)。

在圖4中，兩個(gè)光纖傳感器單元330a、330b被安裝至軌320上的兩個(gè)測(cè)量位置。軌320能夠因此被分成三部分。第一部分布置在第一軌枕木410a附近并且在第一與第二軌枕木410a之間，第二部分布置在第一與第二軌枕木410a與410b之間，以及第三部分布置在第二軌枕木410b附近并且在第一與第二軌枕木410a之間，其中第二部分位于第一與第三部分之間。例如，第一部分、第二部分以及第三部分將兩個(gè)軌枕木之間的區(qū)域分成相等大小的三份。第一光纖傳感器單元330a優(yōu)選地安裝在第一部分中，第二光纖傳感器單元330b優(yōu)選地安裝在第三部分中。根據(jù)能夠與其它實(shí)施例結(jié)合的一些實(shí)施例，光纖傳感器單元也可以在軌枕木的區(qū)域中，即比軌枕木之間的間距的30％的區(qū)域更近。第一和/或第三部分能夠例如覆蓋兩個(gè)軌枕木之間的區(qū)域的15％，以及第二部分能夠例如覆蓋兩個(gè)軌枕木之間的區(qū)域的70％。如在圖4中示出的，第一光纖傳感器單元330a與中性軸線(xiàn)326成一個(gè)正角度，第二光纖傳感器單元330b與中性軸線(xiàn)326成一個(gè)負(fù)角度。特別地，第一與第二光纖傳感器單元330a、330b能夠具有同樣大小的角度但是不同的符號(hào)。第一與第二光纖傳感器單元330a、330b通常以鏡對(duì)稱(chēng)的方式布置。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述至少一個(gè)光纖傳感器單元設(shè)有相對(duì)于中性軸線(xiàn)的可變角度，所述可變角度隨著光纖傳感器單元與軌枕木之間的間距變化。 特別地，當(dāng)光纖傳感器單元靠近軌枕木布置時(shí)，可變角度更陡，且光纖傳感器單元在兩個(gè)相鄰軌枕木之間越處于中間，所述可變角度變得越平坦。這提供的優(yōu)點(diǎn)是，光纖傳感器單元能夠朝向在沿著軌的不同方向作用的剪切應(yīng)力定向。

根據(jù)一些實(shí)施例，能夠執(zhí)行對(duì)高頻測(cè)量信號(hào)的評(píng)價(jià)以能夠檢測(cè)經(jīng)過(guò)的高速列車(chē)。在這種情況下，大于5kHz，通常大于8kHz，尤其是大于10kHz的測(cè)量速率是有利的。由于執(zhí)行了對(duì)光電流的簡(jiǎn)單電掃描，因此光信號(hào)通常也能夠以高頻方式在邊緣濾波器的下游被讀出。

通過(guò)將光纖或光纖傳感器單元相對(duì)于中性軸線(xiàn)以通常30°至60°，尤其是45°的角度安裝，使得光纖或光纖傳感器單元的中心延伸跨過(guò)軌的中性軸線(xiàn)，僅僅剪切變形被引入至傳感器中。這些與軌的彎曲獨(dú)立并且因此與軌在軌路基與軌枕木上的軌的精確支撐獨(dú)立。通過(guò)使用這種類(lèi)型的兩個(gè)平行測(cè)量系統(tǒng)，以及將傳感器彼此靠近地以具有不同符號(hào)的角度安裝，以及相加這兩個(gè)信號(hào)，有可能生成與軌上的負(fù)荷成比例的信號(hào)。

此外，經(jīng)過(guò)的列車(chē)將200kg高至50,000kg的軸向負(fù)荷施加在確切的同一軌上，這導(dǎo)致較高的動(dòng)態(tài)范圍(較大的測(cè)量范圍)。所述較高的動(dòng)態(tài)范圍要求測(cè)量信號(hào)從測(cè)量不確定性(較高信噪比)的背景下清晰地分辨出來(lái)以能夠也可靠地檢測(cè)較小信號(hào)(超過(guò)1ppm差錯(cuò)率的安全要求)。在小信號(hào)的情況下，在通過(guò)光纖布拉格光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量期間存在極化誤差的問(wèn)題。這種誤差代表系統(tǒng)的內(nèi)在測(cè)量誤差，并且對(duì)于這些測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)所使用的光纖布拉格光柵傳感器預(yù)先確定的固定值。由于信號(hào)高度由軌上的應(yīng)變固定地預(yù)先確定，因此信號(hào)與測(cè)量不確定性的比率不能被簡(jiǎn)單克服。由于這個(gè)原因，不能安全檢測(cè)非常小的軸負(fù)荷。因此，本發(fā)明的一些實(shí)施例提出通過(guò)合適的杠桿結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)對(duì)在軌上存在的應(yīng)變進(jìn)行放大。

圖5A與5B示出轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的示意性視圖，所述轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被使用在根據(jù)另外的實(shí)施例的光纖傳感器單元中。

如在圖5A中所示出的，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)510具有H狀結(jié)構(gòu)，然而，卻不局限于此。轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)原則上可以具有任意適當(dāng)?shù)男螤睿灰峁┲辆哂泄饫w布拉格光柵的光纖的軌的應(yīng)變的放大，以增加靈敏度。在圖5A中示出的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)分隔開(kāi)的桿部512a、512b以及將桿部512a、512b 連接的條514。條514同時(shí)代表轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)或樞軸點(diǎn)，當(dāng)施加力時(shí)，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)關(guān)于所述固定點(diǎn)或樞軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

具有設(shè)置的光纖布拉格光柵306的光纖304在兩個(gè)桿部512a、512b之間的第一部分中在兩個(gè)懸掛點(diǎn)516a、516b處被夾緊。轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)510通過(guò)設(shè)置在第二部分中的兩個(gè)安裝點(diǎn)518a、518b被安裝至軌320。具有長(zhǎng)度lArm1的第一杠桿臂相應(yīng)地由懸掛點(diǎn)516a、516b與條514之間的間距確定，以及具有長(zhǎng)度lArm2的第二杠桿臂由安裝點(diǎn)518a、519b與條514之間的間距確定。杠桿比k因此結(jié)果是k＝lArm1/lArm2。即使杠桿比已經(jīng)在兩個(gè)距離上限定，但是杠桿比也可以是負(fù)的，如果如在圖5A與圖5B中示出的那樣，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)或樞軸點(diǎn)布置在用于安裝至軌的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的安裝點(diǎn)與在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)處的光纖的懸掛點(diǎn)之間。如果用于安裝至軌的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的安裝點(diǎn)與在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)處的光纖的懸掛點(diǎn)布置在杠桿的固定點(diǎn)或樞軸點(diǎn)的同一側(cè)，那么杠桿比是正的。相對(duì)于軌上的安裝點(diǎn)的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)或樞軸點(diǎn)的布置與用于光纖的懸掛點(diǎn)的布置因此決定關(guān)于杠桿比的符號(hào)。杠桿比k的量有利地大于1，尤其是大于2，優(yōu)選地在2與3之間。

圖5B示出當(dāng)例如在機(jī)械力或溫度變化的影響下，軌擴(kuò)張時(shí)的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。如在圖5B中示出的那樣，安裝點(diǎn)518a、518b之間的間距變化，這導(dǎo)致懸掛點(diǎn)516a、516b之間的間距的變化。杠桿比的量有利地大于1，尤其是大于2，優(yōu)選地在2與3之間。由于這個(gè)原因，光纖304比軌320應(yīng)變更多(正或負(fù))，這放大了測(cè)量信號(hào)。由于這個(gè)原因，增加了信號(hào)與測(cè)量不確定性比，從而也可以可靠地檢測(cè)小的信號(hào)。

根據(jù)能夠與其它實(shí)施例結(jié)合的典型實(shí)施例，放大量或杠桿比k大于1。如例如在圖5A與圖5B中示出的那樣，傳遞比可以是負(fù)的或可以是正的，尤其是當(dāng)用于安裝至軌的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的安裝點(diǎn)與光纖的懸掛點(diǎn)在杠桿的固定點(diǎn)或樞軸點(diǎn)的同一側(cè)布置在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)上。圖5A與圖5B示出示例性布置。在本文中所描述的實(shí)施例的范圍之內(nèi)，也可能有杠桿的另外的設(shè)計(jì)，其中k的量大于1，尤其是下文描述的溫度補(bǔ)償成為可能。依賴(lài)于杠桿的形狀，例如，依賴(lài)于傳遞比是否為正或負(fù)，光纖能夠以更多或更少的預(yù)張力安裝在懸掛點(diǎn)516a與516b之間。

這也導(dǎo)致靈敏度的增加。根據(jù)一些實(shí)施例，邊緣濾波器的斜率能夠被 相對(duì)平坦地選取。它可以具有相對(duì)于透射強(qiáng)度的，特別地小于8％每nm的，特別地在2％與7％每nm之間的標(biāo)稱(chēng)斜率，以覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍或動(dòng)態(tài)范圍。因此，在本文所描述的實(shí)施例的范圍內(nèi)，靈敏度由轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)增加，測(cè)量范圍也由本文所描述的邊緣濾波器的平坦斜率增加。這允許顯著變化的軸負(fù)荷的安全測(cè)量。

圖3與圖4中示出的光與電布置因此提供了在光纖布拉格光柵傳感器的基礎(chǔ)上的測(cè)量系統(tǒng)，所述光纖布拉格光柵傳感器通過(guò)光學(xué)元件能夠?qū)C(jī)械變量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此外，機(jī)械作用的變量能夠通過(guò)圖5中示出的導(dǎo)致光信號(hào)的變化的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被放大，所述光信號(hào)的變化由于增加的靈敏度可被注意到并且必須通過(guò)電子設(shè)備評(píng)價(jià)。因此，評(píng)價(jià)單元對(duì)測(cè)量范圍的要求提高了，然而，信號(hào)具有更好的信噪比而導(dǎo)致更小的差錯(cuò)率。測(cè)量設(shè)備的測(cè)量范圍通常通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器邊緣而被調(diào)節(jié)，使得它匹配擴(kuò)展信號(hào)的新動(dòng)態(tài)范圍。在一些實(shí)施例中，測(cè)量設(shè)備中的濾波器的濾波器特性線(xiàn)相對(duì)于透射強(qiáng)度被平坦化至例如8％每nm或更小，特別地被平坦化至2％與7％每nm之間的值。由于這個(gè)原因，測(cè)量設(shè)備的測(cè)量誤差被進(jìn)一步降低。

根據(jù)一些實(shí)施例，測(cè)量信號(hào)還可能由轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被放大至這種程度：使得在高負(fù)荷下測(cè)量信號(hào)離開(kāi)測(cè)量范圍。在這種情況下，執(zhí)行對(duì)測(cè)量信號(hào)的削波。在這種情況下，對(duì)于軸負(fù)荷的正確測(cè)量值確實(shí)不再能被定量檢測(cè)，但是能夠做出定性陳述。評(píng)價(jià)單元能夠例如生成一個(gè)輸出，所述輸出相應(yīng)于具有大于預(yù)先確定的值的重量的列車(chē)的通過(guò)。這種信號(hào)能夠進(jìn)一步被用于軸計(jì)數(shù)。

例如當(dāng)測(cè)量信號(hào)離開(kāi)邊緣濾波器的濾波器范圍時(shí)，即當(dāng)它不再被濾波或不再由邊緣濾波器改變時(shí)而使得與未經(jīng)濾波的信號(hào)的差異評(píng)價(jià)不再顯示出任何數(shù)量上的差異，就能夠執(zhí)行削波。例如當(dāng)具有這種高軸負(fù)荷的列車(chē)經(jīng)過(guò)光纖傳感器單元或在光纖傳感器單元的區(qū)域內(nèi)停下而使得所生成的測(cè)量信號(hào)在邊緣濾波器的區(qū)域內(nèi)、但在邊緣濾波器的所述區(qū)域內(nèi)測(cè)量信號(hào)不再具有相關(guān)斜率時(shí)，就是這種情況。

此外，一種類(lèi)型的削波也可在光纖304中出現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的懸掛點(diǎn)之間或在軌上懸有預(yù)張力使得收縮(負(fù)應(yīng)變)也導(dǎo)致一個(gè)測(cè)量信號(hào)。可以因此選取預(yù)張力使得以預(yù)先確定的機(jī)械力的出現(xiàn)開(kāi)始， 光纖304經(jīng)歷這種高的收縮使得預(yù)張力被耗盡并且尤其是光纖304松弛。在這種情況下，定量的陳述不再可能。然而，仍然生成相應(yīng)于經(jīng)過(guò)的列車(chē)的測(cè)量信號(hào)。這個(gè)信號(hào)能夠例如被用于執(zhí)行軸計(jì)數(shù)或確定速度。光纖的預(yù)張力通常被選取使得由機(jī)械變量引起的光纖304的長(zhǎng)度變化，尤其是光纖布拉格光柵306的長(zhǎng)度變化會(huì)引起5nm至10nm的、優(yōu)選地小于12nm的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)變化。如果待期望的長(zhǎng)度變化例如在范圍的邊界上或在范圍之外，剛剛所述類(lèi)型的光纖的懸掛提供的優(yōu)點(diǎn)是，能夠減少光纖的機(jī)械負(fù)荷，因?yàn)樵诟哓?fù)荷的情況下，不再需要跟蹤顯著的長(zhǎng)度變化。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，能夠提供利用根據(jù)本文所描述的實(shí)施例的傳感器單元或根據(jù)本文所描述的實(shí)施例的軌測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其中，在第一測(cè)量范圍中，生成與軸負(fù)荷成比例的信號(hào)，在第二測(cè)量范圍中，特別地對(duì)于高于第一測(cè)量范圍中的軸負(fù)荷，生成與軸負(fù)荷不成比例的信號(hào)，例如，僅僅示出軸負(fù)荷的存在性的信號(hào)。第二區(qū)域能夠根據(jù)例如上述各方面中的一個(gè)方面通過(guò)削波實(shí)現(xiàn)。

上述長(zhǎng)度變化不需要包括光纖304的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍或光纖布拉格光柵306的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。光纖304通常被預(yù)拉伸到這樣一種程度，使得在沒(méi)有來(lái)自外部的機(jī)械變量的影響下，例如沒(méi)有經(jīng)過(guò)的列車(chē)所施加的機(jī)械變量的影響下，中心波長(zhǎng)403近似在可用動(dòng)態(tài)范圍的中心處，以便例如能夠補(bǔ)償溫度變化。

轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)此外能夠通過(guò)對(duì)材料與尺寸的適當(dāng)?shù)倪x取，尤其是連同對(duì)光纖的合適的預(yù)張力的選取，而可用于溫度補(bǔ)償。溫度變化引起軌的應(yīng)變。應(yīng)變能夠生成信號(hào)的偏移或位移，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。由于這個(gè)原因，對(duì)于絕對(duì)測(cè)量應(yīng)用諸如例如負(fù)荷測(cè)量與列車(chē)稱(chēng)重，溫度補(bǔ)償是有利的。

根據(jù)一些上述的實(shí)施例，溫度補(bǔ)償能夠通過(guò)調(diào)節(jié)杠桿的膨脹系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這點(diǎn)上，杠桿的幾何形狀與材料以這樣一種方式被選取使得光纖與軌的應(yīng)變正好被補(bǔ)償至零。根據(jù)一些實(shí)施例，為了溫度補(bǔ)償，具有負(fù)的傳遞比的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的所述轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)小于軌的膨脹系數(shù)。根據(jù)其它實(shí)施例，為了溫度補(bǔ)償，具有正傳遞比的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的所述轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)大于軌的膨脹系數(shù)。

盡管本發(fā)明已經(jīng)參照典型的實(shí)施例在上文中被描述，但是它并不限于 此，而是能夠以多種方式被修改。本發(fā)明也不限于所提到的應(yīng)用。