光纤光栅传感器在铁路领域的研究与应用
摘 要 概述了光纤Bragg 光栅传感原理, 介绍了目前光纤光栅传感器在国内外铁路领域中的研究与应用情况, 分析了光纤光栅测试技术在铁路领域的潜在应用及发展前景。
关键词 光纤光栅; 铁路; 应用; 监测
光纤光栅是光纤芯区折射率受永久性、周期性调制的一种特种光纤。光纤光栅的敏感变化参量为光的波长, 它对光源的照明强度变化不敏感, 制作简单,性能稳定可靠, 易与系统及其他光纤器件连接。
利用光纤光栅的Bragg 波长对温度、应力的敏感特性可制成光纤光栅传感器〔图1〕。
图1 光纤光栅结构与传光原理
光纤光栅传感器采用波长调制方式, 通过探测信号波长的漂移量来测量被测参数的变化。
测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响, 不受电磁干扰, 寿命长, 尺寸小, 安装方便, 耐腐蚀, 可实现实时和分布式测量, 复用能力强, 多只传感器可以串接在一根光纤上, 测试精度高、重复稳定性好、远程信号传输性能优越, 可埋入复合材料或结构中来实现光纤智能材料和结构内部应变分布的实时监测, 是实现光纤灵巧结构的理想器件。
目前, 光纤光栅传感器广泛应用于民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、医学、核工业等领域。
随着铁路的进一步发展, 对铁路运输的安全性、可靠性和效率也提出更高的要求, 因此对车辆和轨道结构的状态监测显得尤为重要。
光纤光栅传感器以其特有的优势成为了国内外研究的焦点。本文将着重介绍光纤光栅传感器在国内外铁路领域的研究与应用。
1 。光纤Bragg 光栅传感原理
光纤Bragg 光栅传感器的基本原理是当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率的变化, 从而产生光栅Bragg 信号的波长位移, 通过监测Bragg 波长位移情况,即可获得待测物理量的变化情况。
光纤光栅结构如
图1 所示。
将光敏光纤放置在不同模式的模板下用紫外光曝光, 就可以使光纤中形成所需的折射率扰动, 使其产生周期性调制, 从而产生光纤光栅。
根据耦合模理论,当一宽谱光源光入射进入光纤后, 由于光纤光栅的波长选择性作用, 满足布拉格波长条件的光被反射沿原路返回, 其余所有波长的光都无损失地透射。反射的中心波长, 即Bragg 波长为：
λB = 2 neffΛ (1)
式中neff 为光纤纤芯有效折射率; Λ 为光栅的栅距(每个写入光栅之间的距离, 也称光栅周期) 。
该式表明反射的中心波长信号λB 与光栅周期Λ 和纤芯的有效折射率有关, 当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光中心波长的变化。光纤光栅
的中心波长与温度和应变的关系为
ΔλB/λB= (αf ξ)ΔT (1 - Pe)Δε (2)
式中αf 为光纤的热膨胀系数, αf =(1/Λ)x(dΛ/d T); ξ为光纤材料的热光系数, ξ=（1/n）x（d n/d T）; Pe 为光纤材料的弹光系数, Pe = （-1/nd ）x（nd/dε）; ΔT 为温度变化量; Δε为应变变化量。
因此, 通过波长位移测量即可获得应变和温度的变化数据。
2 。光纤光栅传感器在铁路领域的应用
(1) 在车辆监测方面的应用
为了保障铁路运输安全, 减少车辆维修成本, 实时连续监测车辆结构和运行状态至关重要。
传统的车辆结构状态监测不但需要很多的传感器来测量力、温度、加速度和振动等参数, 而且需要大量的网络资源来传输监测结果, 监测系统结构复杂,费用昂贵。光纤光栅传感器是一种新型传感器, 不受电磁干扰、寿命长、复用能力强, 几百只传感器可以串接在一根光纤上, 可以很容易实现实时和分布式测量, 不需要大量的连接线。
H1Y1T等人设计研发了基于光纤光栅传感器的结构状态监测系统, 该系统安装在辆上, 监测车上设备的振动情况和轨道状态, 测量车体外壳的温度和应力, 以此来评估车体壳的结构完整性。传感器布置如图2 所示。
此外, 光纤光栅传感器还可以安装在机车车辆底的许多设备上, 用来监测焊接接头、横梁等关键部位的振动, 这些振动可以转换成一种等效疲劳指标, 从而有效地判断车辆的寿命。目前,九广铁路公司已在连接香港与中国大陆的东铁线安装该系统, 以监测路轨与车厢的安全。
图 2 评估车体结构完整性的传感器安装图
H1Y1Tam 等人将基于光纤光栅传感器的结构状态监测系统装在轨道上,态监测系统装在轨道上 ,监测所有通过车辆的振动情况和轮轨接触面的响应情况 ,测量通过车辆的速度、质量、加速度、倾角等参数 ,传感器布置如图 3所示。
图3 光纤光栅传感器阵列测量通过车辆的温度、应变、倾角和加速度
法国的阿尔斯通公司为了开发新型材料的转向架结构, 将光纤光栅埋入转向架中实现对转向架复合材料性能的监测, 参见图4。
通过大量的疲劳循环试验证实, 光纤光栅非常适合长期恶劣条件试验, 这是传统的电传感器无法比拟的。阿尔斯通公司成功地证实了新型转向架材料的安全性、坚固性和可靠性, 表明光纤光栅传感器可以埋入小型复合材料实现健康监测, 可预测维修; 此外, 还可以考虑采用光纤光栅传感器对车辆进行实时监测或定期检查。
图4 阿尔斯通公司的复合材料转向架
S1L1Ho 等人将光纤光栅传感器安装在轨道上监测车轮的缺陷, 如果车轮存在缺陷, 如轮缘凹陷、车轮擦伤、车轮不圆, 这些缺陷会对轨道产生周期性的冲击力。
由试验结果推导出的振动指标, 可以有效的判断车轮的不圆整性。此外, 光纤光栅传感器还可以安装在钢轨的两侧, 用来监测车轮的不平衡性, 以免由于两侧轮载相差过大导致列车脱轨。
德国耶拿光学研究所( IPHT)与德国铁路合作,将光纤光栅应变传感器埋入混凝土轨道板中监测轨道和车辆安全。
(2) 在接触网监测方面的应用
德国耶拿光学研究所( IPHT)对光纤光栅传感器做了大量的理论与实践研究。他们与西门子(Siemens) 和德国铁路(DB) 合作, 在长达4 km 的铁路区段安装光纤光栅温度传感器对接触网参数进行长期监测, 如图6 所示。
韩峰在接触网参数小型检测系统的设计与开发中, 在受电弓滑板上等距离安装多组光纤传感器来确定接触线的具体位置, 从而得出接触线拉出值。光纤传感器由两根光纤管和一个光纤放大器组成,每组光纤管按固定距离安装在受电弓上,光纤放大器安装在车顶
检测设备中。
光纤传感器的检测示意图如图7 所示。
图6 利用光纤光栅温度传感阵列监测接触网参数
图7 光纤传感器检测示意图
(3) 在铁路桥梁工程中的应用
光纤光栅传感器在桥梁健康监测方面的应用主要有以下3 个方面: 对采用新型复合材料的桥梁结构进行监测, 掌握材料和结构的工作性能; 对交通枢纽或
具有重大意义的大型桥梁进行健康监测, 掌握桥梁的正常运行状态; 对有一定损伤的旧桥进行监测, 从而了解其健康状况并采取针对性的维护和加固措施。
国内外的许多学者利用光纤光栅传感系统对铁路桥梁进行结构健康监测, 结果表明光纤光栅传感器比其他传统传感器具有更好的稳定性和可靠性, 更适合于铁路桥梁结构健康监测。
1992 年Fuhr 和Huston 等人在Vermont 大学附近的一座铁路桥梁中埋入和粘贴了单模和多模光纤以及部分光纤束和光缆, 以检测该铁路桥梁在列车经过时的振动情况, 从而了解该桥的工作情况, 确定所通过列车的类型, 达到控制列车流量的目的。
T1H1T1Chan 等人利用光纤光栅传感器对香港青马大桥(世界上最长的吊桥, 同时支撑着铁路和公路交通运输) 进行结构健康监测, 他们将40 个光纤光栅传感器分成3 组, 分别安装在缆索、摇轴支座和桁架梁上, 测量桥上不同部位的应变, 并将光纤光栅传感器的性能与传统的结构监测系统———风监测和结构健康监测系统(WASHMS , 该系统自1997 年5 月青马大桥启用起就已投入运行) 进行比较, 从而得出利用光纤光栅传感器进行结构健康监测是完全可行的, 所得试验结果与WASHMS 测得的数据完全一致。
传感器的布置与安装见图8 和图9。
图9 光纤光栅传感器安装在(1) 缆索(2) 摇轴支座(3) 桁架梁
图8 青马大桥传感器布置
我国的芜湖长江大桥是由钢桁斜拉桥、连续钢桁梁和混凝土引桥组成的公铁两用桥, 铁路桥总长度约为101624km。
在对芜湖长江大桥健康监测施工过程中, 研究人员首次选择先进的光纤应变传感器对大桥连续钢桁梁进行长期应变监测, 保证传感器与钢梁同步变形, 防止传感器安装位置的钢板腐蚀和螺母的松动, 从而确保光纤应变传感器长期稳定可靠工作。长期监测结果表明光纤应变传感器性能稳定, 应力监测结果准确可靠, 可以实现对整个运营过程中因结构受力状态变化而引起的应力变化的绝对测量。
韩国铁道研究院在铁路桥梁健康监测方面也有研究, 他们将基于光纤光栅传感的加速度计安装在箱梁的表面监测其性能, 还将光纤光栅传感器埋入混凝土箱梁内部, 通过静态疲劳试验监测箱梁内部应变。
黄艳红等人通过对青藏铁路桥梁自然环境和桥梁损伤的分析, 以及对桥梁损伤探测技术的研究, 认为光纤光栅测试技术能同时进行温度和应变的双参数测量, 可靠性好, 抗干扰能力强, 电绝缘性能好, 耐腐蚀, 适用于青藏铁路桥梁损伤检测。
在斜拉桥斜拉索索力监测方面, 1996 年瑞典在Winterther 的Storchen brucke 斜拉索桥梁上应用光纤传感器成功地解决了斜拉桥索力的长期实时监测问题。我国的张戍社等人设计了一种用于斜拉索索力在线监测的新型光纤光栅传感系统, 该系统具有结构简单、稳定性和线性度好、信噪比高、灵敏度高、不受电磁和雷电干扰、不怕腐蚀、寿命长等优良特性, 与计算机监控相结合实现索力远距离在线监测。
(4) 在隧道结构监测方面的应用
隧道是铁路、公路、城市地铁等交通工程项目建设的关键部分, 隧道安全监测主要包括其结构安全的监测和火灾安全监测两方面。
近年来国外已经有学者应用光纤光栅传感技术实现了隧道结构受力的长期监测, 取得了很好的应用效果。如德国的GFZ Potsdam 开发的光纤光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程(包括隧道、洞穴、坑道、深层地基) 的静态和动态应变; 开发光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全监测等; 欧洲的STABILOS 计划中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士的Mont - Terri 隧道和矿井主梁进行长期静态位移监测等。
在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。根据温度的变化情况对隧道火情进行判断是最有效的监测手段。由于要求对隧道沿线的温度进行准确的定量、定位,一些传统的测温技术已经远远不能满足工程的需要。
我国率先将光纤光栅传感技术引入隧道火灾报警领域,并成功在沪蓉西高速公路的数座隧道中应用。
中铁隧道集团有限公司在新建北京地铁5 号线崇文门站过程中, 考虑到崇文门站需要从既有运营地铁下穿过, 为控制开挖引起的土层沉降, 需要对施工中采用的超前大管棚的应变进行测试。
在大管棚施工前, 将光纤传感器埋设在2 根管棚内, 并对光纤传感器进行相应的保护措施以保证其工作正常, 管棚施工时附带光纤传感器一起顶入土层中, 管棚的应变通过附着在管棚上的光纤传感器反映出来。通过测试发现光纤传感技术能够在复杂恶劣环境下精确测试管棚应变。
韩国铁道研究院在韩国高速铁路隧道安装的健康监测系统, 采用结合压力计的光纤传感器并添加参考压力接收器来估计衬砌形变引起的压力变化。这样克服了传统传感器无法满足隧道边界条件这一缺点,同时光纤传感器也不会由于行车、供电高压引起感应
干扰产生的大量噪声。
薛光桥等人在隧道现场施工监控中运用光纤光栅传感器动态监视围岩应变的变化, 可以长期实时在线监控隧道围岩的变形情况, 有效地判别围岩稳定性。与现行的隧道净空相对位移直接测量法相比, 围岩稳定性判定的光纤应变测试技术具有很强的耐腐蚀、抗干扰能力, 测试数据准确可靠, 可以兼顾隧道围岩应力和应变的测试, 手段简单, 仪器一次性安装, 不会妨碍正常的施工作业。
(5) 在铁路领域的其他研究与应用
西安交通大学设计研制了一种应用于铁路道轨密贴检测的光纤位移传感系统, 解决了传统的缺口检测装置只能检测到开关量不能检测具体位移量, 有误报警不能立刻识别的缺点, 为铁路系统道轨密贴检测提供了一种新的安全可靠的途径。
石家庄铁道学院的研究人员在建立青藏铁路多年冻土区路基稳定性的长期监测系统中, 从光纤光栅测温传感原理入手, 分析了光纤光栅温度传感器在青藏高原冻土地温监测中的可行性, 并通过冻土模拟试验和现场对比试验验证了光纤光栅传感器的测试精度和长期稳定性, 为光纤光栅传感测试技术在地温监测中的实际应用, 并进而建立青藏铁路冻土地温的长期自动监测系统奠定扎实的技术基础。
北京交通大学的研究人员针对磁悬浮列车的特点和磁悬浮列车运行位置与实时运行速度的测量问题,提出了一种基于光纤光栅应力特性的安全信息采集方法和结构, 并对光纤光栅的应力特性进行了试验。该方法能够准确感知磁悬浮列车的通过情况, 并快速获得列车运行的绝对位置信息, 进而计算出列车的运行速度。
裴丽等人研究了一种光纤光栅压力传感系统,测量时间约1 ms/ 点, 该系统可广泛用于列车实时追踪, 实现列车的定位、速度与加速度计算等, 并可以对列车脱节等事故及时做出判断。
铁道第四勘察设计院的刘金山在铁路落石塌方监测报警系统应用方案研究中, 将光纤光栅传感技术引入铁道边坡报警系统, 经过大量的数据分析和试验以及多部门多场次的专家论证, 证明了该系统具备现场应用的可行性。
该系统将应用于宜万铁路工程建设中, 在铁路减灾领域发挥独特的优势。
3 。结论
综上所述, 光纤光栅传感器具有以下优点: 不受电磁干扰、复用能力强, 大量传感器可以串接在一根光纤上, 远程信号传输性能优越, 可实现实时和分布式测量, 测试精度高、重复稳定性好, 目前在铁路运输领域已有一定的应用。
但铁路领域仍然沿用了大量的传统传感器监测系统, 随着光纤光栅传感技术的不断发展, 传统的测试系统逐渐会被光纤测试系统所取代。
参考文献
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