基于FBG傳感器的鐵路計(jì)軸系統(tǒng)

1、基于FBG傳感器的鐵路計(jì)軸系統(tǒng)摘 要：光纖布拉格光柵傳感器由于其抗電磁干擾、耐腐蝕和有效使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路傳感領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。基于傳統(tǒng)光纖布拉格光柵的原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種計(jì)軸解調(diào)方法，一種是基于法布里-珀羅諧振腔的濾波解調(diào)法；另一種是基于匹配布拉格光柵的解調(diào)方法。根據(jù)提出的兩種方法和列車載荷對(duì)鋼軌應(yīng)力分布的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了能夠檢測(cè)軌道應(yīng)力的軌道傳感器。F-P腔濾波器使用波長(zhǎng)掃描法來(lái)獲得中心波長(zhǎng)，但是這種方法的采樣率較低。匹配光纖布拉格光柵方法能有效解決溫度和應(yīng)力的交叉敏感問(wèn)題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，因此能夠滿足鐵路系統(tǒng)的計(jì)軸要求。Axle Counter for Railway Base

2、d on Fiber Bragg Grating SensorAbstract: For the benefit of electrical isolation, corrosion resistance and quasi-distributed detecting, Fiber Bragg Grating Sensor has been studied for high-speed railway application progressively. Up to the principle of conventional Fiber Bragg Grating Sensors, we in

3、vestigate a F-P filter and a matched-FBG based demodulation scheme that can be used as the track sensor. According to the proposed strain sensing method using a F-P filter or two matched FBGs and theoretical analysis of track strain distribution under load, we design a track sensor that can detect t

4、he local axial strain. The F-P filter uses wavelength scanning to obtain center wavelength, but the sampling frequency is low. The matched-FBG approach can effectively solve the temperature and strain induced cross sensitivity problem, therefor it can meet requirements of axle-counting in rail syste

5、ms.Key word: Fiber Bragg Grating； Fabry - Perot Filter；Demodulation；Axle-Counting軌道交通是采取輪軌運(yùn)輸方式的快速大運(yùn)量公共交通的總稱，具有運(yùn)量大、速度快、運(yùn)營(yíng)安全、環(huán)保、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，從而使它具備了緩解城市交通擁堵，優(yōu)化城市布局結(jié)構(gòu)，有利于節(jié)約資源、改善環(huán)境，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展等社會(huì)功能。目前，在工程應(yīng)用中軌道計(jì)軸以電類傳感檢測(cè)技術(shù)為主，但是電類傳感元件是有源器件，防潮防濕能力、抗電磁干擾能力、長(zhǎng)期穩(wěn)定性能在惡劣的監(jiān)測(cè)條件下均表現(xiàn)較差，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間用在復(fù)雜監(jiān)測(cè)環(huán)境下時(shí)，容易發(fā)生零點(diǎn)漂移等故障，極大的影響了監(jiān)測(cè)結(jié)果的可

6、靠性，另一方面，電信號(hào)在信道中的傳輸距離很短，這導(dǎo)致電學(xué)式很難組建成大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)。光纖傳感技術(shù)是伴隨光纖通信技術(shù)而產(chǎn)生的一項(xiàng)重要發(fā)明，由于該技術(shù)釆用的是光信號(hào)調(diào)制的方式，因此本質(zhì)上具備良好的抗電磁干擾能力，同時(shí)隨著制作工藝的深入研究和改進(jìn)，使其具備寬動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范圍、高靈敏度等特點(diǎn)，光信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)，便于組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，這些優(yōu)點(diǎn)均為實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警機(jī)制的建立提供了有效的解決辦法。1、 理論分析1.1 FBG光學(xué)計(jì)軸 光纖布拉格光柵是一種反射型光柵，當(dāng)寬帶光源經(jīng)過(guò)光纖布拉格光柵后，一部分光會(huì)被反射，另一部分光會(huì)透射出去。光纖光柵建模和分析的理論基礎(chǔ)是耦合模理論，利用波長(zhǎng)匹配條件，可

7、推導(dǎo)出中心波長(zhǎng)和周期的關(guān)系為：。任何對(duì)FBG的外界影響，如溫度、應(yīng)變等，都會(huì)導(dǎo)致FBG諧振中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，對(duì)比變化前后的中心波長(zhǎng)，即可測(cè)定出受外界物理參量影響的程度。通過(guò)車軸應(yīng)變的改變，就可以知道是否有有車輪經(jīng)過(guò)，也即達(dá)到計(jì)軸目的1。圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)圖2.2電學(xué)計(jì)軸鑒相式計(jì)軸傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器部分由勵(lì)磁子系統(tǒng)和感應(yīng)子系統(tǒng)組成，位于鋼軌外側(cè)的勵(lì)磁磁通由電磁檢測(cè)盒子提供30kHz和29kHz的勵(lì)磁電壓。無(wú)車輪經(jīng)過(guò)時(shí)勵(lì)磁側(cè)與感應(yīng)側(cè)的電壓同相位；當(dāng)車輪經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，傳感器周圍的磁場(chǎng)分布發(fā)生改變，導(dǎo)致勵(lì)磁側(cè)的電壓與感應(yīng)側(cè)的電壓的相位相反，對(duì)相位的變化進(jìn)行檢測(cè)和處理從而形成軌道軸計(jì)數(shù)信號(hào)2。

8、圖2 鑒相式計(jì)軸傳感器結(jié)構(gòu)組成圖2、 信號(hào)檢測(cè)原理2.1 F-P濾波器解調(diào) 當(dāng)一束寬帶光波信號(hào)進(jìn)入到F-P腔中的時(shí)候，僅僅允許一窄帶光波信號(hào)射出，出射光波信號(hào)的中心波長(zhǎng)由F-P腔的腔長(zhǎng)相決定。F-P腔的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它的主要組成部分包括：2個(gè)平行的石英板（G1和G2、2個(gè)透鏡（L1和L2）和壓電體。平行的兩石英板G1和G2的內(nèi)部表面被鍍上了高反膜，在工藝要求上，兩板需嚴(yán)格的保持平行。當(dāng)入射光波信號(hào)經(jīng)過(guò)腔時(shí)，若光信號(hào)波長(zhǎng)與腔長(zhǎng)滿足關(guān)系:(n=0,1,2,.)則光波在F-P的G1和G2之間多次反射從而產(chǎn)生多光束干涉，并輸出與腔長(zhǎng)L對(duì)應(yīng)的窄帶光波信號(hào)?？烧{(diào)諧F-P腔工作時(shí)，兩板間的腔長(zhǎng)間隔L通過(guò)驅(qū)

9、動(dòng)壓電體來(lái)改變，利用不同的驅(qū)動(dòng)電壓得到不同的腔長(zhǎng)，進(jìn)而得到具有不同中心波長(zhǎng)的光信號(hào)濾波器1。圖3 可調(diào)F-P腔示意圖 以可調(diào)諧F-P濾波器為核心，可以構(gòu)建出光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，如圖4所示。解調(diào)系統(tǒng)主要包括寬帶光源、耦合器、F-P濾波器、信號(hào)處理電路等部分。其工作過(guò)程如下：寬帶光源發(fā)出光波信號(hào)，經(jīng)由3dB耦合器進(jìn)入FBG，滿足Bragg條件的光波信號(hào)被FBG反射回來(lái)，反射信號(hào)經(jīng)由3dB耦合器進(jìn)入可調(diào)諧F-P濾波器中，F(xiàn)-P濾波器的腔長(zhǎng)通過(guò)在與其連接的PZT（壓電陶瓷）上施加鋸齒狀的掃描電壓進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)探測(cè)器接收到的信號(hào)會(huì)隨著腔長(zhǎng)的變化而發(fā)生改變，且當(dāng)F-P濾波器的輸出光譜與FBG光譜重合時(shí)的光強(qiáng)

10、最大，利用信號(hào)調(diào)理電路，將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)序電脈沖信號(hào)，再依據(jù)F-P腔透射波長(zhǎng)與掃描電壓的標(biāo)定值，最后得出FBG波長(zhǎng)值。波長(zhǎng)若發(fā)生周期性改變，即可通過(guò)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)高速鐵路計(jì)軸。圖4 可調(diào)諧F-P濾波法波長(zhǎng)解調(diào)示意圖2.2 匹配光柵解調(diào)法 基于匹配光柵解調(diào)法的基本原理是使用兩個(gè)初始反射譜相同的FBG，其中FBG1作為參考光柵，能將進(jìn)入其中的寬帶光反射回來(lái)一個(gè)窄帶光作為信號(hào)光，信號(hào)光經(jīng)過(guò)光分束器后按相等的比例分別進(jìn)入光電探測(cè)器PD1和光環(huán)形器2，經(jīng)過(guò)環(huán)形器2的信號(hào)光被傳感光柵FBG2反射回。實(shí)際設(shè)計(jì)中可以將結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。圖6中FBG1和 FBG2反射譜的交叉陰影部分即為對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)I。圖5 匹配光柵

11、解調(diào)原理圖圖6 匹配解調(diào)示意圖此時(shí)如果傳感光柵和參考光柵的反射譜重疊，從傳感光柵反射出的光強(qiáng)最大；如果兩光柵所處局部環(huán)境溫度相同且兩光柵不產(chǎn)生任何的應(yīng)變，光強(qiáng)會(huì)是一個(gè)定值，這是因?yàn)镕BG1和FBG2反射的中心波長(zhǎng)會(huì)沿著相同的方向發(fā)生平移，從而導(dǎo)致陰影部分的面積是一個(gè)定值；如果溫度不變而FBG2的軸向應(yīng)變發(fā)生變化，就會(huì)使得FBG2的中心波長(zhǎng)右移，陰影面積變小，光強(qiáng)變小，并隨著兩光柵反射譜的繼續(xù)分離而逐漸減小。在參考光柵所處局部環(huán)境溫度和軸向應(yīng)變已知的情況下，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感光柵中心反射波長(zhǎng)的解調(diào)。光功率P的變化僅與作用在傳感光柵FBG2上的軸向應(yīng)變 有關(guān)，克服了光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變

12、的交叉敏感問(wèn)題。3、 計(jì)軸原理和MATLAB仿真結(jié)果3.1 匹配光纖光柵仿真模擬 使用光纖光柵傳感器測(cè)量鋼軌應(yīng)變，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，車輪依次軋過(guò)布設(shè)有光纖光柵傳感器的鋼軌，在光纖光柵布設(shè)處產(chǎn)生周期性應(yīng)變導(dǎo)致反射光強(qiáng)發(fā)生周期性強(qiáng)弱變化；通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)可以獲得鋼軌上有無(wú)列車駛過(guò)及列車輪數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的計(jì)軸功能?，F(xiàn)有列車計(jì)軸系統(tǒng)普遍采用電磁感應(yīng)式軌道傳感器，易受電磁干擾，信號(hào)傳輸距離短；應(yīng)變式軌道傳感器可以克服此問(wèn)題，但電子應(yīng)變片易受潮濕環(huán)境干擾，穩(wěn)定性差，有效壽命短，而新穎的光纖光柵傳感器可以克服上述缺點(diǎn)，提高可靠性。MATLAB對(duì)FBG在有車和無(wú)車兩種狀態(tài)的反射譜進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果如圖7所示

13、3。圖7 FBG仿真結(jié)果3.2數(shù)據(jù)處理平滑濾波 理想的計(jì)軸信號(hào)波形為一串脈沖信號(hào)，輪對(duì)數(shù)目與脈沖數(shù)目相互對(duì)應(yīng)，在實(shí)際系統(tǒng)中，由于外界環(huán)境影響以及處理電路的熱噪聲疊加作用，實(shí)測(cè)信號(hào)往往疊加有一定的噪聲，使得脈沖信號(hào)產(chǎn)生一定失真，于是，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理十分必要。這里，我們用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的仿真，對(duì)軟件模擬的計(jì)軸信號(hào)進(jìn)行濾波平滑，實(shí)際脈沖、高斯噪聲及脈沖與噪聲疊加波形如圖8所示。圖8實(shí)際脈沖、高斯噪聲及脈沖與噪聲疊加波形 分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行閾值處理和滑動(dòng)平均。設(shè)定閾值為45微應(yīng)變，信號(hào)幅值小于閾值時(shí)則對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行0.3倍衰減，信號(hào)幅值大于閾值時(shí)則保留當(dāng)前數(shù)據(jù)不變，與此同時(shí)，我們?cè)O(shè)置m=3的

14、滑動(dòng)平均窗口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行3點(diǎn)的滑動(dòng)平均處理，仿真結(jié)果如圖9。圖9 閾值=45，滑動(dòng)平均結(jié)果 相對(duì)于滑動(dòng)平均處理，使用閾值處理信號(hào)使得信號(hào)尖峰脈沖完全保留，細(xì)節(jié)損失較小，有利于后續(xù)的脈沖計(jì)數(shù)，但是，實(shí)際列車運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)常存在輕載車廂與重載車廂混合搭配的情況，輕載和重載車廂使鋼軌所產(chǎn)生的形變存在較大差距，由此測(cè)得的脈沖信號(hào)幅度相差較大，所以選擇合適的閾值尤為重要。使用滑動(dòng)平均處理數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)中疊加的噪聲得到了有效抑制，擁有較高的性噪比，但是，信號(hào)的脈沖尖峰細(xì)節(jié)損失嚴(yán)重，不利于后續(xù)的脈沖計(jì)數(shù)。4.結(jié)束語(yǔ) 基于光纖布拉格光柵傳感器的鐵路計(jì)軸有很多的優(yōu)點(diǎn)，這種鐵路計(jì)軸方法可以很好的替代傳統(tǒng)電磁計(jì)軸方法。

15、基于F-P諧振腔的濾波法雖然也能實(shí)現(xiàn)解調(diào)計(jì)軸，但采樣率較低?；谄ヅ涔饫w光柵解調(diào)的方法克服了溫度應(yīng)變交叉敏感的難關(guān)，另外，通過(guò)鋼軌最大應(yīng)變與輪重的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以獲得通過(guò)各軸軸重，是檢測(cè)貨車超偏載技術(shù)的一種方案。信號(hào)的數(shù)據(jù)模擬過(guò)程中，通過(guò)脈沖信號(hào)與高斯白噪聲的疊加，很好的模擬了實(shí)際的計(jì)軸信號(hào)。對(duì)比閾值和滑動(dòng)平均的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，閾值處理后的脈沖信號(hào)細(xì)節(jié)得到了很好的保留，滑動(dòng)平均則較好的抑制了高斯噪聲，具有較高的信噪比。參考文獻(xiàn):1 潘建軍.光纖傳感軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用D.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.2 王胤燊.軌道計(jì)軸傳感器電磁系統(tǒng)的分析與研究D.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.3 QUAN

16、 Yu，HE Da-wei，WANG Yong-sheng,et al.Axle Counter for High-speed Railway Based on Fiber BraggGrating Sensor and Algorithm Optimization for Peak SearchingC.7th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies:Smart Structure and Materials for Manufacturing and Testing

17、,2014. FBG-matlab仿真模擬：function FBG_TransferMatix(n_eff,L,lambda_Brag)lambda_Brag=1550*1e-9;%布拉格光柵中心波長(zhǎng)/mn_eff=1.47;%光柵有效折射率L=0.008;%布拉格光柵長(zhǎng)度/mlambda=1e-9*linspace(1548,1552,500);kappa_L=3;kappa=kappa_L/L;%交流耦合系數(shù)F=1 0;0 1;P11=0.113;P12=0.252;%P11，P12為應(yīng)-光張量的分量v=0.16;%泊松比E=180*1e-6;%15噸軸重下產(chǎn)生的180微應(yīng)變Pe=n_e

18、ff*(P12-v*(P11+P12);deltalambda_Brag=lambda_Brag*(1-Pe)*E;lambda_D=lambda_Brag+deltalambda_Bragfor num=1:500 f=tansmit_fiber(L,kappa,num,n_eff,lambda,lambda_Brag); f=f*F; r(num)=f(2,1)/f(1,1); RR(num)=(abs(-r(num)2;endfor num=1:500 f1=tansmit_fiber1(L,kappa,num,n_eff,lambda,lambda_D); f1=f1*F; r1(nu

19、m)=f1(2,1)/f1(1,1); RR1(num)=(abs(-r1(num)2;end%subplot(2,1,1)plot(lambda*1e9,RR,'r',lambda*1e9,RR1,'b-.');legend('無(wú)車','有車');xlabel('波長(zhǎng)/nm');ylabel('透射率');%hold on%subplot(2,1,2);%plot(lambda*1e9,RR1,'b');%xlabel('波長(zhǎng)/nm');%ylabel('透

20、射率');%title('有車駛過(guò)');%hold onend%傳輸矩陣功能函數(shù)function f1=tansmit_fiber(L,kappa,num,n_eff,lambda,lambda_Brag)delta(num)=2*pi*n_eff*(1./lambda(num)-1./lambda_Brag);s(num)=sqrt(kappa.2-delta(num).2);s11(num)=cosh(s(num)*L)-1i*(delta(num)/s(num)*sinh(s(num)*L);s12(num)=-1i*(kappa/s(num)*sinh(s(nu

21、m)*L);s21(num)=1i*(kappa/s(num)*sinh(s(num)*L);s22(num)=cosh(s(num)*L)+1i*(delta(num)/s(num)*sinh(s(num)*L);f1=s11(num) s12(num);s21(num) s22(num);endfunction f1=tansmit_fiber1(L,kappa,num,n_eff,lambda,lambda_D)delta(num)=2*pi*n_eff*(1./lambda(num)-1./lambda_D);s(num)=sqrt(kappa.2-delta(num).2);s11(num)=cosh(s(num)*L)-1i*(delta(num)/s(num)*sinh(s(num)*L);s12(num)=-1i*(kappa/s(num)*sinh(s(num)*L);s21(num)=1i*(kappa/s(num)*sinh(s(num)*L);s