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公開番号2025036710
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-14
出願番号2025000098,2021552945
出願日2025-01-06,2020-03-11
発明の名称光ファイバセンサユニット、光学測定システム、車軸計数装置の車軸計数方法
出願人タレスドイチュランドゲーエムベーハー
代理人個人,個人
主分類G01D 5/353 20060101AFI20250306BHJP(測定;試験)
要約【課題】測定信号の増幅が高められ、生データが改善された測定を行う。
【解決手段】レール(15)に作用する機械的な力を検出するための光ファイバセンサユニット(1a;1b;1c)であって、少なくとも1つのセンサファイバ(2、3;10)と、第1の細長い光ファイバ歪みセンサ(4)および第2の細長い光ファイバ歪みセンサ(5)とを備え、少なくとも1つのセンサファイバ(2、3;10)がセンサプレート(6)に取り付けられ、第1と第2の細長い光ファイバ歪みセンサ(4、5)が、x型またはv型の幾何学形状に、互いに60°から120°の角度で配置されており、センサプレート(6)は、少なくとも1つのセンサファイバ(2、3;10)が取り付けられる少なくとも1つの溝(7、8;11)を備え、第1の溝(7)および第2の溝(8)がセンサプレート(6)の異なる高さレベルにあることを特徴とする光ファイバセンサユニット(1a)。
【選択図】図1a
特許請求の範囲【請求項１】
レール（１５）に作用する機械的な力を検出するための光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）であって、
少なくとも１つのセンサファイバ（２、３；１０）と、
第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）および第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）であって、前記少なくとも１つのセンサファイバ（２、３；１０）のうちの１つのセンサファイバ（２；１０）が前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）を備え、前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）および前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）はいずれもファイバブラッググレーティングであり、前記ファイバブラッググレーティングがいずれも前記１つのセンサファイバ（１０）に付けられるか、または前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）を構成する前記ファイバブラッググレーティングが前記１つのセンサファイバ（２）に付けられるとともに前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）を構成する前記ファイバブラッググレーティングが前記少なくとも１つのセンサファイバ（２、３；１０）のうち別のセンサファイバ（３）に付けられる、ものと
を含み、
前記少なくとも１つのセンサファイバ（２、３；１０）はセンサプレート（６）に取り付けられ、
前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）および前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）は、ｘ型またはｖ型の幾何学形状に配置され、前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）および前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）は、互いに６０°から１２０°の角度で配置されており、
前記センサプレート（６）は凹部（９、９ａ、９ｂ）を有し、前記少なくとも１つのセンサファイバ（２、３；１０）は、前記第１のおよび第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（４、５）が前記センサプレート（６）に接触することなく前記凹部（９、９ａ、９ｂ）内に自由に配置されるように、前記凹部（９、９ａ、９ｂ）に掛け渡され、
前記センサプレート（６）は、前記少なくとも１つのセンサファイバ（２、３；１０）が取り付けられる少なくとも１つの溝（７、８；１１）を備え、
前記少なくとも１つの溝（７、８；１１）のうち第１の溝（７）および第２の溝（８）は同じセンサプレート（６）の一部であり、前記第１の溝（７）および前記第２の溝（８）が前記センサプレート（６）の異なる高さレベルにある
ことを特徴とする光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）および前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）は、ｘ型幾何学形状に配置され、前記第１のおよび第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（４、５）は、前記第１のおよび第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（４、５）両方の長手方向延長部に垂直な方向に互いに距離を置いて配置されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの溝（７、８；１１）はエッチングされることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
【請求項４】
前記１つのセンサファイバ（１０）は、前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）および前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）の両方を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の光ファイバセンサユニット（１ｂ、１ｃ）。
【請求項５】
前記光ファイバセンサユニット（１ａ）は前記１つのセンサファイバ（２）および前記別のセンサファイバ（３）を備え、前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）は前記１つのセンサファイバ（２）の一部であり、前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）は前記別のセンサファイバ（３）の一部であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光ファイバセンサユニット（１ａ）。
【請求項６】
前記センサプレート（６）は、前記光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）を前記レール（１５）上に取り付けるためのベースプレートに取り付けられ、前記ベースプレートは連続した底面を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
【請求項７】
前記センサプレート（６）は、前記レール（１５）からの長さの変化を前記ファイバブラッググレーティングに伝達して乗算する機械的増幅器を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
【請求項８】
レール（１５）の剪断応力を測定するための光学測定システムであって、
長手方向延長部と前記長手方向延長部に沿って延びる中立軸（１６）とを有する前記レール（１５）と、
前記レール（１５）に作用する前記剪断応力に応じて光信号を検出するための請求項１乃至７のうちの１項に記載の光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）であって、前記光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）のファイバブラッググレーティングが前記中立軸（１６）に対して斜めに配向されるように、前記レール（１５）に取り付けられている前記光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）と、
前記光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）の前記少なくとも１つのセンサファイバ（２、３；１０）に光を結合するように適合された光源（１８）と、
前記光ファイバセンサユニット（１ａ；１ｂ；１ｃ）によって検出された信号を処理するための信号処理ユニット（２０）と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記信号処理ユニット（２０）は、立ち下がりエッジおよび立ち上がりエッジを有するエッジフィルタを備え、前記第１の細長い光ファイバ歪みセンサ（４）は、前記立ち上がりエッジにおいてブラッグ波長を有し、前記第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（５）は、前記エッジフィルタの前記立ち下がりエッジにおいてブラッグ波長を有することを特徴とする請求項８に記載の光学測定システム。
【請求項１０】
前記第１のおよび第２の細長い光ファイバ歪みセンサ（４、５）は、いずれも前記レール（１５）の前記中立軸（１６）を含む平面に対して対称に配置されることを特徴とする請求項８又は９に記載の光学測定システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【背景技術】
【０００１】
本発明は、レールに作用する機械的な力を検出するための光ファイバセンサユニットであって、少なくとも１つのセンサファイバと、第１の細長い光ファイバ歪みセンサおよび第２の細長い光ファイバ歪みセンサとを備え、少なくとも１つのセンサファイバのうちの１つのセンサファイバは第１の細長い光ファイバ歪みセンサを備える光ファイバセンサユニットに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【０００２】
準拠する光ファイバセンサユニットは、特許文献１（引用文献［０１］）から知られている。
【０００３】
ファイバブラッググレーティングセンサは、近年、車軸カウンタの測定に使用されることが報告されている。センサ装置を通過する車輪のフランジに起因する磁気誘電率の変化を検出するために電磁センサを使用する古い従来の車軸カウンタは、電気トラクションモータからの漂遊磁場を受けやすく、また、電子機器ボックスが各センサのごく近くにあることを必要とする。光ファイバセンサは、２つ以上のファイバブラッググレーティングを使用して、列車の車輪が鉄道線上を通過するときに鉄道線が受ける剪断歪みを測定する。次いで、測定された歪みを使用して、車輪の通過、その通過速度、進行方向、および車輪への負荷を検出することができる。センサの主な用途は、センサの位置を通過する車輪の数を計数することによって線路ブロック（ｔｒａｃｋｂｌｏｃｋ）が占有されているかどうかを判定することである。ファイバブラッググレーティングセンサを使用することにより、はるかに小型でより堅牢なセンサを線路（軌道）（ｔｒａｃｋ）上に配置することができ、処理装置を数キロメートル離れて配置することができる。これにより、信号システムの設置およびメンテナンスコストを大幅に削減することができる。
【０００４】
特許文献２（引用文献［０２］）は、２つの単一ファイバブラッググレーティングを使用する光ファイバセンサを用いてレールに作用する機械的な力を測定するためのレール測定システムを開示している。ファイバブラッググレーティングの一方は、中立的なファイバ（ｎｅｕｔｒａｌｆｉｂｅｒ）に対して＋４５°の角度でレールに取り付けられ、他方は、中立的なファイバに対して－４５°の角度でレールに取り付けられ、それらファイバブラッググレーティングはレールの方向に互いに離間している。特許文献２（［０２］）から知られている構成の欠点は、感度が各車軸を確実に検出するのに十分ではないため、列車に必要な安全レベル（ＳＩＬ４）が保証されないことである。これは、剪断応力測定から生じる信号が閾値の評価に適していないためである。
【０００５】
特許文献１（［０１］）は、プレート上に４５°で取り付けられ、互いに平行である対のＦＢＧセンサを備える、車軸計数用の光ファイバセンサユニットを開示している。ＦＢＧセンサは、レールの方向に沿って互いに離間している。２つのファイバからの信号が減算されて、各車輪の検出パルスが得られる。この概念は、列車の先行車輪および後続車輪の通過に起因してレールが受ける曲げ、圧縮および振動が光ファイバセンサユニットの全長に亘ってコヒーレントであることを前提とし、必要とする。２つのファイバから信号を差し引くと、純粋に、車輪が通過するときの剪断歪みの変化による検出パルスが得られるはずである（以下の図１を参照）。センサテストすることによって、重要な仮定が完全に正しいわけではなく、２つのファイバが異なる望ましくない歪みを受け、それらが相殺されないため、歪んだ検出パルスおよび高いバックグラウンドノイズレベルがもたらされることが示される。特許文献１（［０１］）から知られている光ファイバセンサユニットは、高速で異なる負荷の列車が通過するときに信頼性の低い計数を生じる。これは、特に貨物列車の車軸を計数する場合に問題となる。これは、積み込まれたワゴンと積み込まれていないワゴンとの間の重量差が大きいことに起因してレール上の負荷が大幅に変化するためである。レールに作用する外乱は、測定される信号（剪断応力）よりも桁違いに大きい。結果として、軸は正しく計数されないか、またはまったく計数されず、これはなんとしても回避されなければならない。
【０００６】
非特許文献１（引用文献［０３］）は、４センサブリッジ構成の状況における、図Ｅの二重Ｘスタイルの配置を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
欧州特許第３０６９９５２号明細書（引用文献［０１］）
独国特許第１０２０１４１００６５３号明細書（引用文献［０２］）
【非特許文献】
【０００８】
オメガ：曲げ、軸、せん断、ねじりの各荷重を監視するポジショニングストレインゲージ（ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｔｒａｉｎＧａｇｅｓｔｏｍｏｎｉｔｏｒｂｅｎｄｉｎｇ，ａｘｉａｌ，ｓｈｅａｒ，ａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌｌｏａｄｓ）、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｍｅｇａ．ｃｏｍ／ｆａｑ／ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｐｄｆ／ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．ｐｄｆ（引用文献［０３］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、測定信号の増幅が高められ、生データが改善された測定を可能にする光ファイバセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、請求項１に記載の光ファイバセンサユニット、請求項８に記載の光学測定システム、請求項１２に記載の車軸計数装置、および請求項１３に記載の車軸計数方法によって達成される。
（【００１１】以降は省略されています）

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