[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

说明书

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，属于光机电一体化测量技术领域。该系统由连接光纤、低相干光学位移传感器、挡块、低相干光学位移测量及信号传输系统和计算机组成；低相干光学位移传感器外壳固定在伸缩缝的一侧，挡块固定在伸缩缝另一侧同一高度，并保证滑杆有一定的压缩量；在相邻的三个伸缩缝布置三套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电脑。信号传输系统将测得的光信息转化为电信号输入到计算机并实时显示伸缩缝变化情况。本发明系统性能稳定、不受隧道等恶劣环境影响，是对在役和新建结构或大型机械结构伸缩缝都适用的一种新型光纤位移监测方法。经过使用验证，效果良好。

技术领域

本发明涉及应用广泛的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，是一种结合光纤传输、低相干光学干涉的精密测量系统，属于光机电一体化测量技术领域。

背景技术

伸缩缝监测是高铁简支梁等土木结构强度的一项重要指标，目前对于伸缩缝位移的监测普遍采用的是电阻式位移传感器、光栅尺、超声波位移传感器等。

电阻应变式位移传感器是以弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件，在矩形界面悬臂梁根部正反面贴四片应变片，并组成全桥电流，拉伸弹簧一端与测量杆连接，当测量杆随试件产生位移时，带动弹簧使悬臂梁根部产生弯曲，弯曲所产生的应变与测量杆的位移成线性关系。这种传感器具有线性好、分辨率高、结构简单和使用方便等特点，但是位移测量范围较小，在0.1μm～0.1mm之间，其测量精度小于2％，线性度为0.1％～0.5％。

光栅式位移传感器可以把位移转换为数字量输出，属于数字式传感器，基本工作原理是利用计量光栅的莫尔条纹现象进行位移测量的，它一般由光源、标尺光栅和光电器件组成。发光二极管经聚光透镜形成平行光，平行光以一定角度射向列相指示光栅，由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成莫尔条纹，光电器件接收到的莫尔条纹光强信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移，光栅式位移传感器具有精度高、大量程兼有高分辨率、可实现动态测量，抑郁实现测量及数据处理、易于实现数字化、安装调整方便、使用稳定可靠、有较强抗干扰能力的优点。光栅的测量范围在0.001mm～10m，测量精度在3μm/m，线性度0.05％，但是其价格极为昂贵、工艺复杂且抗冲击和抗振动能力不强，对工作环境敏感，易受油污和尘埃的影响。

超声波位移传感器是利用超声波在两种介质分界面上的反射特性而制作的。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到发射波为止的时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，从而对物体进行测量。根据发射和接收换能器的不同功能，传感器又分为单换能器和双换能器。一般在空气中超声波的传播速度V主要与温度T有关，即V＝331.5+0.607T，所以温度已知时，超声波的速度是确定的，只需记录从发射到接收超声波的时间即可求出被测距离。这种传感器测量范围在60mm～1000mm，其测量精度0.3％，线性度为±0.05％(与测量长度有关)该传感器操作简单，价格低廉，在恶劣环境下也能保持较高的精度，安装和维护方便，但易受温度的影响。

要克服高铁简支梁伸缩缝位移测量所存在的强电磁、高振动环境，满足长测量范围和高精度的双层要求，本发明专利提出使用光纤作为信号传输，测点采用微米精度的低相干光学干涉技术，来满足高速铁路简支梁伸缩缝微米位移监测的需要。

发明内容

本项发明提出并实现了一种基于光纤传输测量的低相干光学技术与精密平移机械相结合的，用于高铁简支梁伸缩缝测量的低相干光学监测方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种高铁简支梁伸缩缝微米位移低相干光学监测系统，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；