[发明专利]一种高铁简支梁伸缩缝微米位移低相干光学监测系统及方法

权利要求书

1.一种高铁简支梁伸缩缝微米位移低相干光学监测系统，其特征在于，所述的高铁简支梁伸缩缝微米位移低相干光学监测系统包括连接光纤、低相干光学位移传感器、挡块（35）和低相干光学位移测量及信号传输系统；

所述的低相干光学位移传感器外壳固定在伸缩缝的一侧简支梁下侧，挡块（35）固定在伸缩缝的另一侧的简支梁下侧，并保证低相干光学位移传感器的滑杆（29）有一定的压缩量；在伸缩缝布置低相干光学位移传感器；所有低相干光学位移传感器通过铠装连接光纤连接到光电探测器（14）及采集卡，采集卡传输信号到计算机（15），计算机（15）进行算法解调；

所述的低相干光学位移测量及信号传输系统包括宽谱光源（4）、光纤环形器、第一分光镜（7）、第一光纤自聚焦准直器（8）、移动反射镜（9）、步进电机移动台（10）、光开关（13）和光电探测器（14）和计算机（15）；宽谱光源（4）通过光纤连接第一光纤环形器（5）的输入端，第一光纤环形器（5）的输出端通过第一连接光纤（6）与第一分光镜（7）相连，第一分光镜（7）的另一端通过定长光纤连接到第一光纤自聚焦准直器（8）上，第一光纤自聚焦准直器（8）与移动反射镜（9）之间形成可变空气光程，移动反射镜（9）固定在步进电机移动台（10）上，步进电机移动台（10）能够拖动移动反射镜（9）做直线运动，实现光程的可变调节，步进电机移动台（10）的位置受计算机（15）控制；

同时，第一光纤环形器（5）的输出端通过第二连接光纤（11）与第二光纤环形器（12）的输入端相连，第二光纤环形器（12）的输出端与光开关（13）的输入端相连，光开关（13）的另一端并列连接来自不同位移监测点的第三连接光纤（16），第三连接光纤（16）的另一端与各自的位移监测点的低相干光学位移传感器相连；通过光开关（13）的切换实现对多个位移监测点伸缩缝位移巡回测量和监测；

同时，第二光纤环形器（12）的输出端与光电探测器（14）相连；光电探测器（14）将探测的光信号通过放大后转化成电信号输入到计算机（15），计算机（15）通过运算来获得当前测试点的伸缩缝位移。

2.根据权利要求1所述的一种高铁简支梁伸缩缝微米位移低相干光学监测系统，其特征在于，所述的低相干光学位移传感器包括保护外壳（20）、后盖（18）、光学调整架（21）、第二光纤自聚焦准直器（22）和第二分光镜（17）；所述的第三连接光纤（16）的另一端与第二分光镜（17）相连，第二分光镜（17）另一端通过第四连接光纤（19）与第二光纤自聚焦准直器（22）相连；第二光纤自聚焦准直器（22）设置于光学调整架（21）上，光学调整架（21）固定在导轨（23）上，调节光学调整架（21）使第二光纤自聚焦准直器（22）平行于反射镜（26）；反射镜（26）固定在反射镜连接块（25）上，反射镜连接块（25）固定在滑块（27）上，滑块（27）能够在导轨（23）上进行滑动；当第二光纤自聚焦准直器（22）和反射镜（26）发生相对运动时，第二光纤自聚焦准直器（22）和反射镜（26）始终保持平行；滑杆（29）穿过保护外壳（20），位于保护外壳（20）内部的一端固定在滑杆连接块（28）上，滑杆连接块（28）固定在滑块（27）上；滑杆（29）位于保护外壳（20）外部的一端加工螺纹，螺纹部分套设弹簧（32），并拧上调节螺母（34），通过左右调节螺母（34）实现对于弹簧力的调节；挡块（35）固定在伸缩缝的另一侧，并且和滑杆（29）接触在一起，安装初期使挡块（35）和滑杆（29）之间有一个预压力，在弹簧（32）的作用下，伸缩缝的位移变大或者变小实现挡块（35）和滑杆（29）的接触，并且实现第二光纤自聚焦准直器（22）和反射镜（26）之间距离的同步移动；导轨（23）与 L型固定架（24）是固定平行关系，通过L型固定架（24）的固定滑杆连接块（28）调节保证导轨（23）和滑杆（29）在水平方向的平行滑动状态；

在弹簧（32）的两端加上第一垫片（31）和第二垫片（33）实现弹性力的均匀分布。

3.一种基于权利要求2所述的高铁简支梁伸缩缝微米位移低相干光学监测系统的监测方法，其特征在于，迈克尔逊低相干光学干涉的测量臂，是由低相干光学位移传感器的第二分光镜（17）、第四连接光纤（19）、第二光纤自聚焦准直器（22）和反射镜（26）组成，测量臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分，其中的空气光程是由在导轨（23）和滑块（27）之间的始终平行的第二光纤自聚焦准直器（22）到反射镜（26）的空气距离决定；第一分光镜（7）到移动反射镜（9）的距离为迈克尔逊低相干光学干涉的参考臂，参考臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分；所述监测方法包括如下步骤：

步骤一，计算机（15）的控制软件对步进电机移动台（10）的工作进行初始设置，使步进电机回到零点；

步骤二，宽谱光源（4）发出的光耦合到第一光纤环形器（5）的输入端，从第一光纤环形器（5）的输出端射出经过第一连接光纤（6）被第一分光镜（7）分成两部分：一部分光被反射回到第一连接光纤（6）到达第一光纤环形器（5），另一部分光被第一分光镜（7）透射，通过第一光纤自聚焦准直器（8）投射到移动反射镜（9）形成可调节空气光程，经移动反射镜（9）反射后又耦合到第一光纤自聚焦准直器（8）再通过第一分光镜（7）、第一连接光纤（6）从第一光纤环形器（5）返回，返回后从第一光纤环形器（5）经过第二连接光纤（11）耦合到第二光纤环形器（12），经第二光纤环形器（12）的输出端与第三连接光纤（16）后，又被低相干光学位移传感器的第二分光镜（17）分成两部分：一部分光被第二分光镜（17）反射，并由第三连接光纤（16）再次进入第二光纤环形器（12），另一部分光通过第四连接光纤（19），由第二光纤自聚焦准直器（22）投射到反射镜（26）上，经反射镜（26）反射耦合入第二光纤自聚焦准直器（22），经第四连接光纤（19）、第二分光镜（17）、第三连接光纤（16），入射到第二光纤环形器（12），再由第二光纤环形器（12）的发出，最后被光电探测器(14)接收；光电探测器(14)将光信号转化为电信号经过采集卡采集给计算机(15)处理；

步骤三，计算机（15）根据获得的电信号进行计算分析：当信号进入计算机（15），纵轴是信号强度，横轴是电机运行时间，也就是电机运动位置；这样通过低相干干涉寻峰解调算法得到相应的低相干干涉的位置量；记录某个伸缩缝初次干涉发生位置量，之后测量的位置量与初次测量的位置量相减，得到变化的量即Δh；控制光开关（13）实现多通道采集；当第一个伸缩缝发生位移变化时反射镜（26）到第二光纤自聚焦准直器（22）的距离产生一个变化Δh₁，第二个伸缩缝发生位移变化时反射镜（26）到第二光纤自聚焦准直器（22）的距离产生一个变化Δh₂，第三个伸缩缝发生位移变化时反射镜（26）到第二光纤自聚焦准直器（22）的距离产生一个变化Δh₃，……第N个伸缩缝发生位移变化时反射镜（26）到第二光纤自聚焦准直器（22）的距离产生一个变化Δh_N；

步骤四，结果显示：计算机(15)将得到的伸缩缝位移信息自动存储并实时的显示在界面上。