光纖傳感技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用

1、光纖傳感技術(shù)在鐵路中應(yīng)用的調(diào)研報告隨著我同經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸放率，監(jiān)測行車狀態(tài)的實時性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(shù)是當(dāng)前傳感器 領(lǐng)城研究方向。在光導(dǎo)纖維中傳播時，光波的波長、強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等特征 參量因受外界溫度、應(yīng)力、振動、位移、扭轉(zhuǎn)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(shù)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(jìn)行準(zhǔn)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(luò)化等優(yōu)點(diǎn)。憑 借一系列的優(yōu)點(diǎn)和多參數(shù)監(jiān)測的功能， 光纖傳感技術(shù)在鐵路行業(yè)和其他監(jiān)測領(lǐng)域 應(yīng)用前景廣闊1 光纖傳感技術(shù)在軌道狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用重載和高速列車的大量開行使軌道應(yīng)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(yīng)力導(dǎo)致病害產(chǎn)生， 或使已有病害更加嚴(yán)重， 影響行車 安全。因此，應(yīng)對路基和軌道等設(shè)施的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與及時預(yù)報。1.1 軌道溫度、應(yīng)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(dǎo)致鋼軌出 現(xiàn)微裂紋， 熱脹冷縮的變化導(dǎo)致鋼軌固定結(jié)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(shù)可用于鐵路線路長距離、 大范用的溫度和應(yīng)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(dá)到米級， 監(jiān)測軌道溫度的同時可確定溫度異常點(diǎn)位置， 并不間斷自動測量， 特別適用于大 范用多點(diǎn)測量和監(jiān)測軌道溫度的線路 2。西南交通大學(xué)張兆亭等人 3 闡述了光纖光柵傳感器對載荷和溫度應(yīng)力的測 量原理及應(yīng)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(yīng)力產(chǎn) 生的鋼軌應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型。 使用光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度應(yīng)力和動態(tài)載荷下的鋼 軌應(yīng)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(jié)果表明光纖光柵應(yīng)變傳感

4、器適用于鋼軌應(yīng)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(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致其內(nèi)部光信號傳輸發(fā)生變化，通過解 調(diào)光信號變化，可獲得鋼軌漲曲情況 4。圖1光纖光柵應(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)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(yán)重。當(dāng)振動超過閾值， 列車處在危險運(yùn)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(jié)構(gòu)示意圖見圖 3。圖3光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖石家莊鐵道大學(xué)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(jié)構(gòu)， 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(jié)構(gòu)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(diào)儀解調(diào)和專用算法實現(xiàn)波磨和橫向振動的識別與預(yù)警。整個系統(tǒng)采用波分復(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)情況，測量通過車輛的速度、質(zhì)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(yīng)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(zhuǎn)轍機(jī)中的缺口檢測裝置。 缺口檢測裝置采用機(jī) 械傳動，只能檢測開關(guān)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(jī)械位移

8、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)韋兆碧等人7】設(shè)計研制了一種應(yīng)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(guān)量不能檢測具體位移量，有誤報警不能立刻識別的缺點(diǎn)，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(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖7光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)除了密貼監(jiān)測外，武漢理工大學(xué)黃小妹還利用光纖布喇格光柵做了道岔的 應(yīng)變、溫度、位移檢測。她利用 ANSYS軟件對鋼軌的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，確 定了光纖布喇格光柵應(yīng)變片在鋼軌上的安裝位置， 采

9、用了光纖布喇格光柵應(yīng)變片、 溫度片和位移片進(jìn)行檢測，并且介紹了光纖布喇格光柵應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、 位移傳感器的制作方法；進(jìn)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(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析并且找出了鋼軌應(yīng)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(guān)系。圖8應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)的變形。該發(fā)明，通過復(fù)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(xué)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(xué)的基本模型，結(jié)合光纖Bragg光柵(FBG)傳感技術(shù) 原理，構(gòu)建品質(zhì)穩(wěn)定且可進(jìn)行動態(tài)行為監(jiān)測的無溫度效應(yīng)式FBG感測系統(tǒng)，并在實際的鋼軌上進(jìn)行了試驗研究。研究結(jié)果表明：FBG傳感技術(shù)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(diǎn)，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(yīng)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(yīng)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(yùn)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(jī)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(jié)果推導(dǎo)出的振動指標(biāo)，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(cè)，用來監(jiān)測車輪的不平衡性，以免由于兩側(cè)輪載相差過大導(dǎo)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(diǎn)，扁平輪軌在鋼軌上運(yùn)動時產(chǎn)生的有規(guī)律的沖擊振動 會引起多模光纖斑點(diǎn)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(shù)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(yīng)力，通過軌道應(yīng)力來演算出直接反應(yīng)車輪狀況的條件指標(biāo)。通過300天的現(xiàn)場試驗，結(jié)果證明該系統(tǒng)能有 效的反應(yīng)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(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)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(yīng)力，最終影響該系統(tǒng)的測試結(jié)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(shè)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(yù)緊力使彈性元件和鋼軌密 貼，光纖光柵敏感元件被粘結(jié)劑固化于不銹鋼板表面， 兩端光纖從保護(hù)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(dāng)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(jié)構(gòu)示意圖2.3扣件健康狀況的檢測Dian Fan等人設(shè)計了如圖12的實驗。實驗中光纖應(yīng)變傳感器被貼在鐵軌低 部受力產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)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(jié)合較松。 如圖13所示是某機(jī)車依次通過 A、C兩傳感器時產(chǎn)生的應(yīng)變曲線，機(jī)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(jī)車的前進(jìn)明顯 疊加了許多異常的應(yīng)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(yīng)變。通過比較不同測量點(diǎn)的曲線，或同一測量點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhì)等自然因素，列車荷載作用、路基原始設(shè)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(xué)院激光研究所宋志強(qiáng)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(hù)配重與路面壓實在同一水平線

17、上。當(dāng)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(fù)用技術(shù)可對路基沉降進(jìn)行多點(diǎn)準(zhǔn)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(jìn)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(xué)陳光富等人18采用分布式布里淵光纖傳感技術(shù)檢測鐵路路基沉降， 他們采用BOTDR技術(shù)，探討了該技術(shù)的基本原理，闡述了該技術(shù)實際應(yīng)用中光 纜的選型、參數(shù)率定、鋪設(shè)及注意事項，并對該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，可為鐵路建設(shè)提供重要的技術(shù)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(yuǎn)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(jìn)行檢測，外殼和傳動裝置將路基沉 降的位移量轉(zhuǎn)換為沿光纖傳輸?shù)墓鈱W(xué)編碼，并由傳輸光纜遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測終端， 在監(jiān)測終端中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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(yuǎn)程、自動監(jiān)測，其適用于地形復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣的路基沉 降監(jiān)測領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(jié)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(yīng)，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(xué)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(luò)的重載運(yùn)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(yīng)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(jié) 構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)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(yīng)變傳感器、i個鋼軌光纖光柵應(yīng)變和加速度組合傳感器、m個橋梁光纖光柵應(yīng) 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(dāng)重載列車通過監(jiān)測區(qū)域的鋼軌時， 輪軌之間的運(yùn)行 狀態(tài)將引起光纖光柵反射波長的變化， 計算機(jī)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(dǎo)致的鋼 軌熱脹冷縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變情況和橋梁的結(jié)構(gòu)安全

21、狀態(tài)。3結(jié)論光纖傳感技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，解決了許多實際應(yīng)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(yuǎn)距離傳輸， 而且當(dāng)車輛在軌道上 運(yùn)行時，光纖不會受到周圍的電磁干擾。其次由于光纖質(zhì)量輕巧，相對彎曲度好， 柔韌性高，故很適合鋪設(shè)傳感網(wǎng)絡(luò)。再者，光纖傳感技術(shù)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(hù)工作奠定了一定的基礎(chǔ)。因此近年來光纖傳感器逐漸的代替了電阻應(yīng)變片傳感器，在鐵路安全監(jiān)測方面的應(yīng)用 研究已越來越引起人們的重視，而且，憑借自身優(yōu)點(diǎn)和多參數(shù)監(jiān)測能力， 在鐵路 行業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 H.Naderi, A.Mirabadi. Railway track condition monitoring using fbg and fpi fiber opticsen sors C. IET, 2006,198-2032 宋志強(qiáng) , 劉統(tǒng)玉 , 王昌 , 等. 光纖傳感技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用 J.3 張兆亭, 閆連山, 王平, 等. 基于光纖光柵的鋼軌應(yīng)變測量關(guān)鍵技術(shù)研究J. 鐵道學(xué)報 ,2012, 34(5): 65-694 Chuang, S.L. Hsu, A. Young, E. Fiber optical sens

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