光纖傳感技術在鐵路中的應用

1、光纖傳感技術在鐵路中應用的調研報告隨著我同經(jīng)濟的飛速發(fā)展， 列車載重量和行車速度不斷提高為保障行車安全 和提高運輸放率，監(jiān)測行車狀態(tài)的實時性、穩(wěn)定性和準確性尤為主要、目前，對 線路狀況的監(jiān)視國內(nèi)外主要依靠人工和軌道車巡檢。 光纖傳感技術是當前傳感器 領城研究方向。在光導纖維中傳播時，光波的波長、強度、相位、偏振態(tài)等特征 參量因受外界溫度、應力、振動、位移、扭轉等因素的作用，發(fā)生直接或間接的 變化，可用于探測周固物理場 1 。經(jīng)過長期研究， 光纖傳感技術可對壓力、 溫度、 振動、形變、速度、加速度、位移、水位、距離等參數(shù)進行準確檢測，具有信號 帶寬寬、抗電磁干擾、精度高、靈敏度高、使用壽命長、易

2、于網(wǎng)絡化等優(yōu)點。憑 借一系列的優(yōu)點和多參數(shù)監(jiān)測的功能， 光纖傳感技術在鐵路行業(yè)和其他監(jiān)測領域 應用前景廣闊1 光纖傳感技術在軌道狀態(tài)監(jiān)測中的應用重載和高速列車的大量開行使軌道應力水平、 分布狀態(tài)和作用方式明顯改變， 提速后列車荷載引起的動應力導致病害產(chǎn)生， 或使已有病害更加嚴重， 影響行車 安全。因此，應對路基和軌道等設施的狀態(tài)進行監(jiān)測與及時預報。1.1 軌道溫度、應力、漲曲監(jiān)測軌道或軌道板的溫度變化反映了其受力情況， 溫度梯度場的存在導致鋼軌出 現(xiàn)微裂紋， 熱脹冷縮的變化導致鋼軌固定結合部出現(xiàn)不必要受力， 因此對軌道溫 度監(jiān)測非常必要，基于拉曼散射 (ROTDR) 或布里淵散射原理的光纖分布

3、式測溫技 術可用于鐵路線路長距離、 大范用的溫度和應力在線監(jiān)測。 分布式光纖溫傳感器 能夠連續(xù)測量克纖沿線各處溫度， 測量距離可為幾公里， 空間定位精度達到米級， 監(jiān)測軌道溫度的同時可確定溫度異常點位置， 并不間斷自動測量， 特別適用于大 范用多點測量和監(jiān)測軌道溫度的線路 2。西南交通大學張兆亭等人 3 闡述了光纖光柵傳感器對載荷和溫度應力的測 量原理及應變產(chǎn)生原因， 建立光纖光柵中心反射波長漂移量與載荷和溫度應力產(chǎn) 生的鋼軌應變的數(shù)學模型。 使用光纖光柵傳感器進行溫度應力和動態(tài)載荷下的鋼 軌應變監(jiān)測實驗， 如圖 1 所示，并通過匹配光柵方法消除溫度變化的干擾。 實驗 結果表明光纖光柵應變傳感

4、器適用于鋼軌應變的監(jiān)測需要， 具有良好的工作性能。將光纖粘貼于鋼軌上， 還可以檢測鋼軌的漲道彎曲， 如圖 2 所示，隨著鋼軌 的彎曲，光纖收到拉應力，產(chǎn)生應變，導致其內(nèi)部光信號傳輸發(fā)生變化，通過解 調光信號變化，可獲得鋼軌漲曲情況 4。圖1光纖光柵應變傳感器安裝及實驗裝置ShDjfeliRHCFifdeectorptita &定 r a?：3irb& with 2 dhegLve1.0o.s0.0-D5-10圖2光纖傳感檢測鋼軌漲曲1.2軌道振動監(jiān)測列車載重的提高使軌道動態(tài)載荷不斷增大、沖擊振動加劇和鋼軌結構損傷加 劇。波磨指鋼軌表面縱向出現(xiàn)的周期性波浪狀不平順，是一種常見的鋼

5、軌磨損。 鋼軌出現(xiàn)波磨，列車通過時引起走行部位附加垂直振動，列車的橫向振動引起橫 向沖擊力，直接關系到列車脫軌系數(shù)。在列車上安裝光纖加速度傳感器，采集車 體振動信號，監(jiān)測鋼軌波磨及由其引起的列車橫向振動。由于偏載、線路不平順、 斷軌、三角坑等原因，長大編組的重載列車橫向振動更為嚴重。當振動超過閾值， 列車處在危險運行狀態(tài)。采用光纖加速度傳感器可獲取列車橫向振動信息實現(xiàn)對 振動的監(jiān)測。光纖加速度傳感器結構示意圖見圖 3。圖3光纖加速度傳感器結構示意圖石家莊鐵道大學杜彥良等人5提出了用光纖加速度計采集列車振動的加速 度信號，通過二次積分而得到車體振動的位移信號，從而計算出波磨量的大小。 其方案是在

6、高增益摻稀土光纖寫入 FBG形成DFB（分布反饋布拉格）激光器結構， 在外界泵浦激光的作用下形成光纖激光器并產(chǎn)生穩(wěn)定的窄線寬穩(wěn)定輸出；采用圓形平膜片的結構封裝加速度傳感器實現(xiàn)對外界振動信號的感測；通過解調儀解調和專用算法實現(xiàn)波磨和橫向振動的識別與預警。整個系統(tǒng)采用波分復用的方案。 總體方案如圖2所示。圖4光纖激光監(jiān)測系統(tǒng)整體方案示意圖安裝于列車車箱圧特向架H.Y.Tam等人將基于光纖光柵傳感器的結構狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝在軌道上，監(jiān)測所有通過車輛的振動情況和輪軌接觸面的響應情況，測量通過車輛的速度、質量、加速度、傾角等參數(shù)，傳感器布置如圖 5所示0pLi£al cableT S S r：Tj

7、lt SCT50TAtcclcrximder伽T Sz- r LAccckroTnct-crSTSTillT $Oplk： mu曲噪FEMj InterrngartofSan眼in. raftc up tn 1,000 HzI: rB(rEmjwraLun?蕪esot S: FUG strain sensor圖5光纖光柵傳感器陣列測量通過車輛的溫度、應變、傾角和加速度1.3道岔監(jiān)測目前，道岔密貼監(jiān)測是借助轉轍機中的缺口檢測裝置。 缺口檢測裝置采用機 械傳動，只能檢測開關量不能檢測位移量， 誤報警時不能識別，道岔密貼檢測光纖位移傳感系統(tǒng)提供了安全可靠的監(jiān)測途徑。 利用其鏡面反射原理，將機械位移

8、轉換為反射體的移動，接收到的光功率隨反射體移動變化而變化， 通過測量光電 轉換電路的輸出電壓實現(xiàn)位移測量監(jiān)測道岔是否密貼。西安交通大學韋兆碧等人7】設計研制了一種應用于鐵路道軌密貼檢測的光 纖位移傳感系統(tǒng)，如圖6和圖7所示，解決了傳統(tǒng)的缺口檢測裝置只能檢測到開 關量不能檢測具體位移量，有誤報警不能立刻識別的缺點，為鐵路系統(tǒng)道軌密貼 檢測提供了一種新的安全可靠的途徑。圖6轉轍機內(nèi)部結構圖7光纖位移傳感器的結構除了密貼監(jiān)測外，武漢理工大學黃小妹還利用光纖布喇格光柵做了道岔的 應變、溫度、位移檢測。她利用 ANSYS軟件對鋼軌的結構進行了力學分析，確 定了光纖布喇格光柵應變片在鋼軌上的安裝位置， 采

9、用了光纖布喇格光柵應變片、 溫度片和位移片進行檢測，并且介紹了光纖布喇格光柵應變傳感器、溫度傳感器、 位移傳感器的制作方法；進行了現(xiàn)場測試，如圖8所示，對光纖布喇格光柵傳感 器的現(xiàn)場監(jiān)測結果進行了數(shù)據(jù)分析并且找出了鋼軌應變、鋼軌溫度、鋼軌與軌道板的相對位移、軌道板與橋面的相對位移等的相互關系。圖8應變和溫度傳感器現(xiàn)場安裝中科院張文濤等人在公開號為 CN 102392395A的專利中公開了一種用于高 速鐵路道岔的具有自檢測功能的心軌9，如圖9所示，將光纖安裝于異形軌，用 于感知異形軌的變形和裂紋，其光纖布設于異形軌的尖部下方的沿異形軌縱向的 凸臺上；用安裝于異形軌軌腰光纖磨耗傳感器監(jiān)測異形軌的磨

10、耗情況，其原理是用光纖光柵感知傳感器內(nèi)弓形結構的變形。該發(fā)明，通過復合光纖解決了鋼軌變形和裂紋實時白動檢測、信號長距離傳輸?shù)膯栴}，且工藝簡單、施工方便。10-異形軌，20-安裝于凸臺的光纖，30-弓形光纖光柵磨耗傳感器，50-普通軌，60-輪緣圖9具有自檢測功能的心軌斷面示意圖2其他方面檢測2.1輪軌作用力檢測杭州電子科技大學的周雪芳10將光纖粘貼于鋼軌上，用于檢測鋼軌的受力， 如圖10所示。她基于輪軌力學的基本模型，結合光纖Bragg光柵(FBG)傳感技術 原理，構建品質穩(wěn)定且可進行動態(tài)行為監(jiān)測的無溫度效應式FBG感測系統(tǒng)，并在實際的鋼軌上進行了試驗研究。研究結果表明：FBG傳感技術用于高速

11、鐵軌的監(jiān)測具有可行性，且光纖具有體積小、柔韌度高、重量輕等優(yōu)點，可以簡單地 附掛在待測物體上，加上其高效能的信號傳輸和可抗電磁波干擾、耐高溫、抗腐 蝕等特性，使其應用到高速軌道的安全監(jiān)測上成為可能。圖10鋼軌某截面3只FBG應變傳感器布置圖2.2輪軌缺陷檢測列車車輪的健康狀況是另一個保證火車安全運行的重要因素，車輪不圓或者傾斜都會成為安全隱患，但現(xiàn)在基本依靠人工查看車輪的機械性能。S.L.HO等人11將光纖光柵傳感器安裝在軌道上監(jiān)測車輪的缺陷，如果車輪 存在缺陷，如輪緣凹陷、車輪擦傷、車輪不圓，這些缺陷會對軌道產(chǎn)生周期性的 沖擊力。由試驗結果推導出的振動指標，可以有效的判斷車輪的不圓整性。此外

12、， 光纖光柵傳感器還可以安裝在鋼軌的兩側，用來監(jiān)測車輪的不平衡性，以免由于兩側輪載相差過大導致列車脫軌。D.RAn derson將多模光纖安裝在軌道上檢測扁平輪軌。 分散的相干光束會在 光纖末端產(chǎn)生一個特征斑點，扁平輪軌在鋼軌上運動時產(chǎn)生的有規(guī)律的沖擊振動 會引起多模光纖斑點的變化，可通過檢測其變化頻率與能量來判別輪軌的傷損程 度12 oChulia ng Wei等人13,14研發(fā)了一套利用光纖光柵技術的實時車輪健康監(jiān)測系 統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光纖光柵監(jiān)測輪軌相互作用時的軌道應力，通過軌道應力來演算出直接反應車輪狀況的條件指標。通過300天的現(xiàn)場試驗，結果證明該系統(tǒng)能有 效的反應車輪的傷損狀況。為了

13、證明該系統(tǒng)的可靠性，采用兩參數(shù)威布爾分布模 型對9個車輪的條件指標進行了分析，結果證明了該系統(tǒng)的可靠性。但是在有砟 軌道上，由于不均勻沉降等因素一起的軌道不平順會加劇軌道的振動，影響鋼軌的應力，最終影響該系統(tǒng)的測試結果。姜德生等人在專利(CN 201951493 U) 15 “光纖光柵傳感列車車輪踏面在 線監(jiān)測裝置”中設計了一種由光纖光柵敏感元件和彈性體元件組成的檢測列車車輪踏面裝置。所述的彈性元件是一塊置于鋼軌底部的不銹鋼板，它被兩對夾塊卡 在鋼軌上，每對夾塊通過一根螺栓連接并利用螺栓的預緊力使彈性元件和鋼軌密 貼，光纖光柵敏感元件被粘結劑固化于不銹鋼板表面， 兩端光纖從保護管中引出， 如圖

14、11所示。在一段監(jiān)測區(qū)域的每兩根枕木之間的鋼軌上都安裝上本實用新型 中的光纖光柵傳感裝置，組成一個傳感器陣列。當列車車輪通過該監(jiān)測區(qū)域時， 由于輪軌之間形成稠合作用，利用傳感陣列就可以連續(xù)地監(jiān)測整個踏面的狀況。1-螺母，2-夾塊，3-彈性元件，4-鋼軌，5-螺栓， 圖11光纖光柵檢測裝置結構示意圖2.3扣件健康狀況的檢測Dian Fan等人設計了如圖12的實驗。實驗中光纖應變傳感器被貼在鐵軌低 部受力產(chǎn)生應變最大的位置，一般選擇在兩枕木之間，傳感器可以測得該段鐵軌 在車輛經(jīng)過時產(chǎn)生的應變。傳感器A選擇安裝在道釘安裝穩(wěn)固的區(qū)段中部位置， 傳感器C選在可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)段端部安裝，該位置鐵軌和枕

15、木結合較松。 如圖13所示是某機車依次通過 A、C兩傳感器時產(chǎn)生的應變曲線，機車先通過 傳感器A其產(chǎn)生的曲線清晰平滑，傳感器 C產(chǎn)生的曲線上隨著機車的前進明顯 疊加了許多異常的應變沖擊，這是由于C位置軌道不穩(wěn)固易受鄰近軌段影響產(chǎn)生應變。通過比較不同測量點的曲線，或同一測量點不同時間段的曲線可判斷鐵 軌該時刻的健康狀況16。圖12試驗系統(tǒng)結構圖-1H h LI11,i 11 L. p 1；'1! J iii y i11- 1i '1 111.1- ：jjL ' .1 $r fwCT /1111' u 1 1事1閥ma佃Hou怦*d電e圖13健康段與缺陷段應變圖2.

16、4路基沉降監(jiān)測路基沉降是影響行車安全的重要因素。影響路基沉陣的因素包括水浸、冰凍、 土質等自然因素，列車荷載作用、路基原始設計、施工方法等因素，以及自然沉 降時間是否充足、人為破壞等因素。目前，路基沉降監(jiān)測方法主要有沉降板法、 沉降水杯法、鐵環(huán)分層沉降儀法和剖面沉降儀法，主要依靠人工觀測，檢測速度慢、測量時間長和不直觀，并且只能在天窗時間作業(yè)。山東省科學院激光研究所宋志強等人17在內(nèi)蒙古某在建鐵路段開展了光纖 傳感路基沉降監(jiān)測現(xiàn)場試驗。其方案是，將基于光纖布拉格光柵(FBG)位移傳感器通過沉降板同定在路基的長螺旋鉆孔灌注樁 (CFG)上，垂直安裝，其上端面的 水泥保護配重與路面壓實在同一水平線

17、上。當路基面沉降時，F(xiàn)BG位移傳感器即可檢測到沉降量。采用波分復用技術可對路基沉降進行多點準分布式監(jiān)視，對不同路段的路基沉降量、沉降速度和整段線路的沉陣不均勻性進行分析。FBG位移傳感器安裝示意圖見圖14。圖14 FBG位移傳感器安裝示意圖三峽大學陳光富等人18采用分布式布里淵光纖傳感技術檢測鐵路路基沉降， 他們采用BOTDR技術，探討了該技術的基本原理，闡述了該技術實際應用中光 纜的選型、參數(shù)率定、鋪設及注意事項，并對該技術的應用前景進行了展望，可為鐵路建設提供重要的技術支持。趙棟等人在公開號為CN 102418334A專利中公開了一種路基沉降遠程白動 監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法19。如圖15所示

18、，該系統(tǒng)中，利用安裝在圓筒狀外殼內(nèi) 的光分路器、光纖位移編碼裝置和傳動裝置進行檢測，外殼和傳動裝置將路基沉 降的位移量轉換為沿光纖傳輸?shù)墓鈱W編碼，并由傳輸光纜遠程傳輸至監(jiān)測終端， 在監(jiān)測終端中進行光電轉換、分析處理、存儲、顯示、報警等操作，最終實現(xiàn)對 路基沉降的實時、遠程、自動監(jiān)測，其適用于地形復雜、自然環(huán)境惡劣的路基沉 降監(jiān)測領域。網(wǎng)6址州i峠卻.乂1血腳5唄XflkN1牛乜曲薦琥圖15沉降檢測系統(tǒng)系統(tǒng)結構圖2.5綜合檢測M. L. Filograno等人20用布拉格光纖光柵（FGB）監(jiān)測列車的各種參量，并 在西班牙的馬德里-巴塞羅那高鐵上進行了現(xiàn)場試驗。 他們選擇了六個連續(xù)區(qū)域， 總共安裝

19、了 22個光纖光柵，其位置如圖16所示，進行了一年的測量。該試驗中， 通過不同位置的光纖光柵檢測不同的物理量來實現(xiàn)對車軸計數(shù)、車型、車速、加速度、動荷載、車輪缺陷的檢測。測試結果表明，在相同條件下，輪軌的相互作 用與記錄的信號相對應，鋼軌的變形反映了列車的輪軌健康程度。Section 1eocmSectioneocm3ocmPlSection 2eocmaocnnRail NeulratLine圖16光纖光柵在鋼軌上的分布圖黑龍江大學劉盛春等人在公開號為 CNI01830237A的發(fā)明專利中，公開了一 種基于光纖傳感網(wǎng)絡的重載運輸線路安全實時監(jiān)測系統(tǒng)和方法21。該系統(tǒng)中，利用光纖光柵應變傳感器

20、、加速度傳感器、以及溫度傳感器對鋼軌和鐵路橋梁結 構進行檢測，可被用于判斷鋼軌無焊縫處的斷裂情況、 鋼軌和車輪的情況以及鐵 路橋梁的結構安全狀態(tài)。具體方案是將具有不同反射波長的n個鋼軌光纖光柵應變傳感器、i個鋼軌光纖光柵應變和加速度組合傳感器、m個橋梁光纖光柵應 變和溫度組合傳感器用傳輸光纖串連在一起組成監(jiān)測區(qū)域，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng) 過耦合器入射到監(jiān)測區(qū)域，當重載列車通過監(jiān)測區(qū)域的鋼軌時， 輪軌之間的運行 狀態(tài)將引起光纖光柵反射波長的變化， 計算機依據(jù)反射波長的變化情況，判斷鋼 軌無縫焊接處的斷裂情況、列車車輪及鋼軌、路基的傷病情況、由溫度導致的鋼 軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應變情況和橋梁的結構安全

21、狀態(tài)。3結論光纖傳感技術經(jīng)過20多年的發(fā)展，解決了許多實際應用中的問題。其優(yōu)越 性越來越明顯：首先光信號傳輸不僅損耗小能遠距離傳輸， 而且當車輛在軌道上 運行時，光纖不會受到周圍的電磁干擾。其次由于光纖質量輕巧，相對彎曲度好， 柔韌性高，故很適合鋪設傳感網(wǎng)絡。再者，光纖傳感技術能實現(xiàn)實時、自動監(jiān)測。 最后，光纖的成本低廉和容易操作性為以后的維護工作奠定了一定的基礎。因此近年來光纖傳感器逐漸的代替了電阻應變片傳感器，在鐵路安全監(jiān)測方面的應用 研究已越來越引起人們的重視，而且，憑借自身優(yōu)點和多參數(shù)監(jiān)測能力， 在鐵路 行業(yè)監(jiān)測領域應用前景廣闊。但是，光纖傳感器在其今后的發(fā)展中，還有許多實 際工程應用

22、方面的問題急需解決，以實現(xiàn)光纖傳感器的市場化應用。參考文獻1 H.Naderi, A.Mirabadi. Railway track condition monitoring using fbg and fpi fiber opticsen sors C. IET, 2006,198-2032 宋志強 , 劉統(tǒng)玉 , 王昌 , 等. 光纖傳感技術在鐵路中的應用 J.3 張兆亭, 閆連山, 王平, 等. 基于光纖光柵的鋼軌應變測量關鍵技術研究J. 鐵道學報 ,2012, 34(5): 65-694 Chuang, S.L. Hsu, A. Young, E. Fiber optical sens

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