本發(fā)明總體上涉及一種通過傳感器用于檢測被測變量的光學測量裝置，所述傳感器嵌入在光纖內(nèi)，特別地涉及使用至少一個光纖傳感器元件測量作用在軌上的機械變量，以及涉及一種軌測量系統(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)：

光纖傳感器在測量系統(tǒng)中變得越來越重要。在這點上，一個或多個被嵌入在光纖纜線內(nèi)的諸如例如光纖布拉格光柵的傳感器，被使用以檢測由機械變量所引起的光纖的應(yīng)變，并且據(jù)此檢測力、扭矩、加速度、負載、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?shù)牟ㄩL范圍內(nèi)的光輻射被照射。光纖纜線是通過作用力產(chǎn)生應(yīng)變的，且光纖布拉格光柵的反射或透射波長會變化。部分照射光被傳感器反射并且被供應(yīng)至評價與分析單元?；谧饔昧Φ牟ㄩL變化能夠在分析單元中被檢查并且能夠被用以檢測在傳感器元件上的機械影響。

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

不同的測量系統(tǒng)被使用以監(jiān)控軌或鐵路系統(tǒng)的各種方面。特別地，對由經(jīng)過的列車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)過的列車的結(jié)論。

對于用于運行列車的軌或鐵路系統(tǒng)的測量系統(tǒng)，可靠地檢測顯著變化的軸負載更加是一個挑戰(zhàn)，尤其是因為安全性要求需要非常小的錯誤率。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)以及列車的類型能夠大幅度變化。這都對測量系統(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量的機械變量，諸如例如力，而且還還受諸如例如溫度波動的非期望的干擾變量影響。由于這個原因，令人期望的是消除或至少抑制在對所期望的變量的檢測中對測量精確度有影響的干擾變量。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

根據(jù)一個實施例，提供了至少一個光纖傳感器單元在測量作用在縱向延伸的軌上的機械變量方面的應(yīng)用，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線，所述應(yīng)用包括：相對于所述中性軸線以30°至60°，尤其是45°的角度或相對于所述中性軸線以-30°至-60°，尤其是-45°的角度提供所述至少一個光纖傳感器單元；利用一次光對所述至少一個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光；檢測所述信號光的強度；以及評價分析所述信號光。

根據(jù)另外的實施例，提供了一種用于檢測作用在軌上的機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械力相關(guān)的布拉格波長；轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)具有信號放大杠桿機構(gòu)；以及用于對信號光的第一部分進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具有相對于透射強度的8％/nm或更小，特別是在2％與7％/nm之間的標稱斜率，特別是提供有作用在所述軌上的200kg至50,000kg 的車軸負荷的測量范圍。

根據(jù)另外的實施例，提供了一種軌測量系統(tǒng)，其中，所述軌測量系統(tǒng)包括：縱向延伸的軌，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線，由在軌上運行的列車產(chǎn)生的機械力作用在所述軌上；以及至少一個光纖傳感器單元，通常兩個光纖傳感器單元，其用于檢測作用在所述軌上的機械力，其中，光纖傳感器單元包括具有布拉格波長的光纖布拉格光柵，所述布拉格波長與機械變量有關(guān)，其中，所述至少一個光纖傳感器單元相對于所述中性軸線以30°至60°，尤其是45°的角度或相對于所述軌的所述中性軸線以-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：相對于中性軸線以30°至60°，尤其是45°的另外的角度或相對于軌的中性軸線以-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安裝。

根據(jù)另外的實施例，提供了至少一個光纖傳感器單元在測量作用在縱向延伸的軌上的機械變量方面的應(yīng)用，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線，所述應(yīng)用包括：在中性軸線處提供所述至少一個光纖傳感器單元，尤其是使得光纖傳感器單元跨過中性軸線，利用一次光對所述至少一個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光；檢測所述信號光的強度；以及評價分析所述信號光。

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

根據(jù)另外的實施例，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處，尤其是使得光纖傳感器單元跨 過中性軸線。

根據(jù)另外的實施例，提供了一種用于測量作用在縱向延伸的軌上的機械變量的測量方法，所述軌具有沿縱向延伸的中性軸線，其中，所述方法包括：利用一次光對至少一個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光；檢測所述信號光的強度；以及評價分析所述信號光，其中尤其是利用信號光削波，所述信號光削波用于評價所述信號光。

附圖說明

各實施例在圖中被示出并且在下文描述中被更加詳細地描述。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)計成用于測量光纖應(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)明的實施例的具有光源、光纖耦合器以及檢測配置或光纖傳感器單元或軌測量系統(tǒng)的光纖測量裝置的示意性方框圖。

圖4示出根據(jù)另外的實施例的軌測量系統(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)明的實施例的傳感器單元中或軌測量系統(tǒng)中。

在圖中相同的附圖標記表征相同的或功能上相似的部件或步驟。

具體實施方式

下文是對本發(fā)明的各種實施例的詳細描述，其中一個或多個示例在圖中被示出。

在本文中所描述的本發(fā)明的實施例涉及至少一個光纖傳感器單元用于測量機械變量的用途、一種用于檢測作用在軌上的機械力的光纖傳感器單元、一種軌測量系統(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僅僅示出一個單獨的光纖布拉格光柵306，但是 清楚的是，本發(fā)明不限于從一個單獨的光纖布拉格光柵306采集數(shù)據(jù)，而是多個光纖布拉格光柵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)計成傳感器光纖304的光波導(dǎo)的一部分，其中這個傳感器光纖304對光纖應(yīng)變308敏感。在這一點上，應(yīng)該提到的是，術(shù)語“光學的”或“光線”應(yīng)指代電磁波譜中的可以從紫外光譜范圍通過可見光譜范圍延伸至紅外光譜范圍的波長范圍。光纖布拉格光柵306的中心波長，即所謂的布拉格波長λ_B通過以下等式得到：

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、力矩以及機械張力與溫度，所述力、力矩以及機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，測量光204從傳感器光纖304的左手側(cè)進入，其中，部分測量光204作為具有不同于測量光204的波長依賴性的透射光206離開。也有可能在光纖的輸入端處(即在測量光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分布(傳感器反射響應(yīng))。

在測量光204在寬光譜范圍內(nèi)照射的情況下，在布拉格波長位置處的透射光206中的透射最小(相比于在圖2中示出的依賴性的反向依賴性，即在布拉格波長處的最大吸收)即是結(jié)果。在反射光中在這個位置處得到反射最大，這會在下文中參照圖2進行解釋。

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

圖2示意性示出空間掃描點(圓圈)。通過檢測器單元104所記錄的對修改的二次光203的評價現(xiàn)在使得能夠得到在圖2中示出的作為波長λ的函數(shù)的曲線，即傳感器反射響應(yīng)400。圖2因此示出強度分布I(λ)，即由傳感器元件303所反射的強度作為波長λ的函數(shù)被示出。即將通過測量裝置被檢測的波長分布通過波長響應(yīng)范圍405得到，所述波長響應(yīng)范圍405通過在圖2中的雙箭頭被示出。當光纖布拉格光柵306被測量時，修改的二次光203示出在這個范圍內(nèi)的波長成分。修改的二次光203此時相應(yīng)于在圖2中示出的傳感器反射響應(yīng)400，即反射強度402作為波長401的函數(shù)被記錄。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有光源、光纖耦合器與檢測布置或光纖傳感器單元或軌測量系統(tǒng)的光纖測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以及光學測量裝置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荷。所述條以彎曲與剪切變形做出對負荷的反應(yīng)。如果例如一個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(負應(yīng)變)，背離接觸表面的第二區(qū)域擴展(正應(yīng)變)。在這些區(qū)域之間存在不會因這種彎曲運動而經(jīng)歷任何應(yīng)變的區(qū)域。它被稱為中性軸線。除彎曲運動外，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328。軌320優(yōu)選地被設(shè)計成使得中性軸線328形成在矩形區(qū)域326內(nèi)。

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

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

根據(jù)一些實施例，光纖傳感器單元可安裝在中性軸線處，特別地，延伸跨過它使得光學傳感器單元在兩個位置處被安裝至軌，從而使得傳感器單元穿過中性軸線，即一個安裝點布置在中性軸線的一側(cè)上，另一個安裝點布置在中性軸線的相反側(cè)。此外，所述安裝點可以特別地布置在距離中性軸線相同的距離處，即對稱布置，尤其是相對于中性軸線點對稱。

在圖3中，光纖傳感器單元330通過兩個安裝點332、334被安裝至軌320，所述兩個安裝點例如位于離中性軸線同一距離處。由于這個原因，由作用在軌上的機械變量在安裝點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量或大體上沒有干擾。

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

圖3中示出的光學測量裝置包括一次光源341、光纖耦合器343以及光電探測器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。依賴作用在軌150上的機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或信號光347在光纖耦合器343中被供給至光電檢測器345。檢測器檢測強度分布，優(yōu)選地信號光的強度。例如，檢測器求解由光纖傳感器單元反射回來的二次光347的中心波長403的變化。

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

對第一光電檢測器345和/或第二光電檢測器348上的信號的評價在評價單元執(zhí)行，所述評價單元未示出，并且在所述評價單元中，特別地，信號光能夠被評價。例如，信號能夠被處理或計算。所述第一和/或所述第二光電檢測器被有利地設(shè)計為光電二極管、光電倍增管、雪崩光電二極管或類似物。這種類型的光電檢測器將輸入信號光轉(zhuǎn)換成光電流，所述光電流允許快速并且簡單的評價。例如，在被設(shè)計為光電二極管的光電檢測器345、348處生成的信號的區(qū)別能夠被生成。

根據(jù)典型的實施例，一種檢測器能夠在光譜上將信號光集合，即能夠檢測強度，例如邊緣濾波器的下游，無需光譜分解。因為執(zhí)行了對光電流的簡單掃描，光電二極管的光信號能夠以特別是高于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，檢測也能夠通過光譜儀或類似的裝置執(zhí)行，以確定由光纖傳感器單元330反射回的波長分布的光譜。然而，光電檢測器尤其是光電二極管的使用提供了用簡單測量配置的高頻掃描的優(yōu)點。此外，動態(tài)范圍的變化能夠通過對邊緣濾波器的濾波器特性線的斜率的選取來實現(xiàn)。濾波器特性線的標稱斜率因此有利地小于8％nm，特別地相對于透射強度在2％與7％之間的范圍內(nèi)。所述標稱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403近似1550nm。動態(tài)范圍的變化的另外的方面將參照圖5A與5B被圖示出。

光纖布拉格光柵信號，即由作用在軌上的機械變量所導(dǎo)致的光纖傳感器單元的信號變化能夠通過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。

圖3此外示出兩個光纖傳感器元件。根據(jù)一些實施例，在相對于中性軸線30°至60°，特別是45°的角度處，或相對于中性軸線-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 度的符號與光纖傳感器單元的角度的符號不同。在這點上，通過相加這兩個信號能夠得到與軌上的負荷成比例的信號。

應(yīng)該指出的是，盡管在圖3中示出了兩個光纖傳感器單元的使用，但是有可能使用三個或三個以上的光纖傳感器單元以例如提高測量精確度。根據(jù)一些實施例，另外的光纖傳感器單元，即第三個或第四個傳感器單元，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，諸如例如相對于中性軸線成0°或90°。

在一次光源341對光纖傳感器單元照射之前，一次光可被強度調(diào)制，以通過例如鎖定技術(shù)消除或至少減少不期望的干擾。在通過一次光源341對一次光201的強度調(diào)制的情況下，可為光電檢測器提供調(diào)制頻率以使得能夠?qū)崿F(xiàn)光電檢測器中的同步檢測。

此外應(yīng)該注意的是，盡管在圖3中示出反射模式下的測量，但是被設(shè)計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)被供給至光學測量設(shè)備。

圖4示出根據(jù)另外的實施例的軌測量系統(tǒng)的示意性視圖。這里應(yīng)該提到的是，已經(jīng)參照圖3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，軌測量系統(tǒng)包括軌320以及至少一個光纖傳感器單元330。軌320在多個軌枕木上被支撐。圖4示出兩個軌枕木410a、410b，在所述兩個軌枕木410a與410b之間，至少布置一個光纖傳感器單元，通常布置兩個光纖傳感器單元330a、330b。根據(jù)此處描述的實施例，至少一個傳感器單元330，特別是至少兩個傳感器單元能夠被安裝至軌，使得它們能夠與中性軸線成一個±30°至±60°，尤其是±45°的角度。根據(jù)另一個實施例，所述至少一個光纖傳感器單元330優(yōu)選地以對稱的、尤其是點對稱的方式延伸跨過中性軸線。這意味著，它通過兩個安裝點332、334被安裝至軌320，所述兩個安裝點332、334具有離中性軸線相同的距離。附圖標記420此外示例性地示出在軌320上運行的列車的車輪。

經(jīng)過的列車用它的車輪420在軌320上施加一個力，作為其結(jié)果，軌320如上述那樣變形。由于這個原因，所述至少一個光纖傳感器單元以正或負的方式應(yīng)變。這改變了通過所述至少一個光纖傳感器單元反射或透射的波長分布。它作為測量信號被檢測與評價，以能夠關(guān)于經(jīng)過的列車得出結(jié) 論。例如，能夠確定由在軌上運行的列車所導(dǎo)致的剪切變形。

根據(jù)一些實施例，在一個測量位置處能夠提供至少一個光纖傳感器單元。對測量信號的評價能夠因此被用于軸計數(shù)。測量信號在這里對應(yīng)于通過光纖傳感器單元反射和/或透射的光，即信號光。

根據(jù)如在圖4中示出的另外的實施例，在兩個測量位置處能夠提供至少兩個光纖傳感器單元。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或兩個以上的光纖，所述兩個或兩個以上的光纖能夠安裝至相同或不同的測量位置。每個光纖傳感器單元能夠因此具有設(shè)置在光纖內(nèi)的至少一個光纖布拉格光柵，所述光柵具有取決于作用的機械變量的布拉格波長。對至少兩個光纖傳感器單元的測量信號的評價或?qū)哂兄辽賰蓚€光纖布拉格光柵的至少一個光纖傳感器單元的測量信號的評價能夠包括對軌上的負荷的確定、對速率的測量、對經(jīng)過的列車的方向的檢測、軌上的列車的車輪損壞和/或?qū)?jīng)過的列車的列車分類。

在圖4中，兩個光纖傳感器單元330a、330b被安裝至軌320上的兩個測量位置。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)能夠與其它實施例結(jié)合的一些實施例，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326成一個正角度，第二光纖傳感器單元330b與中性軸線326成一個負角度。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。第一與第二光纖傳感器單元330a、330b通常以鏡對稱的方式布置。

根據(jù)一些實施例，所述至少一個光纖傳感器單元設(shè)有相對于中性軸線的可變角度，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，當光纖傳感器單元靠近軌枕木布置時，可變角度更陡，且光纖傳感器單元在兩個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)一些實施例，能夠執(zhí)行對高頻測量信號的評價以能夠檢測經(jīng)過的高速列車。在這種情況下，大于5kHz，通常大于8kHz，尤其是大于10kHz的測量速率是有利的。由于執(zhí)行了對光電流的簡單電掃描，因此光信號通常也能夠以高頻方式在邊緣濾波器的下游被讀出。

通過將光纖或光纖傳感器單元相對于中性軸線以通常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軌的中性軸線，僅僅剪切變形被引入至傳感器中。這些與軌的彎曲獨立并且因此與軌在軌路基與軌枕木上的軌的精確支撐獨立。通過使用這種類型的兩個平行測量系統(tǒng)，以及將傳感器彼此靠近地以具有不同符號的角度安裝，以及相加這兩個信號，有可能生成與軌上的負荷成比例的信號。

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

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?shù)男螤?，只要它提供至具有光纖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)具有兩個分隔開的桿部512a、512b以及將桿部512a、512b 連接的條514。條514同時代表轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的固定點或樞軸點，當施加力時，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)關(guān)于所述固定點或樞軸點旋轉(zhuǎn)。

具有設(shè)置的光纖布拉格光柵306的光纖304在兩個桿部512a、512b之間的第一部分中在兩個懸掛點516a、516b處被夾緊。轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)510通過設(shè)置在第二部分中的兩個安裝點518a、518b被安裝至軌320。具有長度lArm1的第一杠桿臂相應(yīng)地由懸掛點516a、516b與條514之間的間距確定，以及具有長度lArm2的第二杠桿臂由安裝點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)在兩個距離上限定，但是杠桿比也可以是負的，如果如在圖5A與圖5B中示出的那樣，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的固定點或樞軸點布置在用于安裝至軌的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的安裝點與在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)處的光纖的懸掛點之間。如果用于安裝至軌的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的安裝點與在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)處的光纖的懸掛點布置在杠桿的固定點或樞軸點的同一側(cè)，那么杠桿比是正的。相對于軌上的安裝點的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的固定點或樞軸點的布置與用于光纖的懸掛點的布置因此決定關(guān)于杠桿比的符號。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示出當例如在機械力或溫度變化的影響下，軌擴張時的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。如在圖5B中示出的那樣，安裝點518a、518b之間的間距變化，這導(dǎo)致懸掛點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。由于這個原因，光纖304比軌320應(yīng)變更多(正或負)，這放大了測量信號。由于這個原因，增加了信號與測量不確定性比，從而也可以可靠地檢測小的信號。

根據(jù)能夠與其它實施例結(jié)合的典型實施例，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，傳遞比可以是負的或可以是正的，尤其是當用于安裝至軌的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的安裝點與光纖的懸掛點在杠桿的固定點或樞軸點的同一側(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施例的范圍之內(nèi)，也可能有杠桿的另外的設(shè)計，其中k的量大于1，尤其是下文描述的溫度補償成為可能。依賴于杠桿的形狀，例如，依賴于傳遞比是否為正或負，光纖能夠以更多或更少的預(yù)張力安裝在懸掛點516a與516b之間。

這也導(dǎo)致靈敏度的增加。根據(jù)一些實施例，邊緣濾波器的斜率能夠被 相對平坦地選取。它可以具有相對于透射強度的，特別地小于8％每nm的，特別地在2％與7％每nm之間的標稱斜率，以覆蓋整個測量范圍或動態(tài)范圍。因此，在本文所描述的實施例的范圍內(nèi)，靈敏度由轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)增加，測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荷的安全測量。

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)上的測量系統(tǒng)，所述光纖布拉格光柵傳感器通過光學元件能夠?qū)C械變量轉(zhuǎn)換成電信號。此外，機械作用的變量能夠通過圖5中示出的導(dǎo)致光信號的變化的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被放大，所述光信號的變化由于增加的靈敏度可被注意到并且必須通過電子設(shè)備評價。因此，評價單元對測量范圍的要求提高了，然而，信號具有更好的信噪比而導(dǎo)致更小的差錯率。測量設(shè)備的測量范圍通常通過調(diào)節(jié)濾波器邊緣而被調(diào)節(jié)，使得它匹配擴展信號的新動態(tài)范圍。在一些實施例中，測量設(shè)備中的濾波器的濾波器特性線相對于透射強度被平坦化至例如8％每nm或更小，特別地被平坦化至2％與7％每nm之間的值。由于這個原因，測量設(shè)備的測量誤差被進一步降低。

根據(jù)一些實施例，測量信號還可能由轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被放大至這種程度：使得在高負荷下測量信號離開測量范圍。在這種情況下，執(zhí)行對測量信號的削波。在這種情況下，對于軸負荷的正確測量值確實不再能被定量檢測，但是能夠做出定性陳述。評價單元能夠例如生成一個輸出，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的通過。這種信號能夠進一步被用于軸計數(shù)。

例如當測量信號離開邊緣濾波器的濾波器范圍時，即當它不再被濾波或不再由邊緣濾波器改變時而使得與未經(jīng)濾波的信號的差異評價不再顯示出任何數(shù)量上的差異，就能夠執(zhí)行削波。例如當具有這種高軸負荷的列車經(jīng)過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量信號在邊緣濾波器的區(qū)域內(nèi)、但在邊緣濾波器的所述區(qū)域內(nèi)測量信號不再具有相關(guān)斜率時，就是這種情況。

此外，一種類型的削波也可在光纖304中出現(xiàn)。在一些實施例中，在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的懸掛點之間或在軌上懸有預(yù)張力使得收縮(負應(yīng)變)也導(dǎo)致一個測量信號?？梢砸虼诉x取預(yù)張力使得以預(yù)先確定的機械力的出現(xiàn)開始， 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)過的列車的測量信號。這個信號能夠例如被用于執(zhí)行軸計數(shù)或確定速度。光纖的預(yù)張力通常被選取使得由機械變量引起的光纖304的長度變化，尤其是光纖布拉格光柵306的長度變化會引起5nm至10nm的、優(yōu)選地小于12nm的范圍內(nèi)的波長變化。如果待期望的長度變化例如在范圍的邊界上或在范圍之外，剛剛所述類型的光纖的懸掛提供的優(yōu)點是，能夠減少光纖的機械負荷，因為在高負荷的情況下，不再需要跟蹤顯著的長度變化。

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

上述長度變化不需要包括光纖304的整個動態(tài)范圍或光纖布拉格光柵306的整個動態(tài)范圍。光纖304通常被預(yù)拉伸到這樣一種程度，使得在沒有來自外部的機械變量的影響下，例如沒有經(jīng)過的列車所施加的機械變量的影響下，中心波長403近似在可用動態(tài)范圍的中心處，以便例如能夠補償溫度變化。

轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)此外能夠通過對材料與尺寸的適當?shù)倪x取，尤其是連同對光纖的合適的預(yù)張力的選取，而可用于溫度補償。溫度變化引起軌的應(yīng)變。應(yīng)變能夠生成信號的偏移或位移，從而導(dǎo)致測量誤差。由于這個原因，對于絕對測量應(yīng)用諸如例如負荷測量與列車稱重，溫度補償是有利的。

根據(jù)一些上述的實施例，溫度補償能夠通過調(diào)節(jié)杠桿的膨脹系數(shù)來實現(xiàn)。在這點上，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)變正好被補償至零。根據(jù)一些實施例，為了溫度補償，具有負的傳遞比的轉(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)其它實施例，為了溫度補償，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。