光纤传感技术在铁路中的应用.docVIP

光纤传感技术在铁路中应用的调研报告 随着我同经济的飞速发展，列车载重量和行车速度不断提高为保障行车安全和提高运输放率，监测行车状态的实时性、稳定性和准确性尤为主要、目前，对线路状况的监视国内外主要依靠人工和轨道车巡检。光纤传感技术是当前传感器领城研究方向。在光导纤维中传播时，光波的波长、强度、相位、偏振态等特征参量因受外界温度、应力、振动、位移、扭转等因素的作用，发生直接或间接的变化，可用于探测周固物理场[[] H.Naderi, A.Mirabadi. Railway track condition monitoring using fbg and fpi fiber optic sensors [] H.Naderi, A.Mirabadi. Railway track condition monitoring using fbg and fpi fiber optic sensors [C]. IET, 2006,198-203 1 光纤传感技术在轨道状态监测中的应用 重载和高速列车的大量开行使轨道应力水平、分布状态和作用方式明显改变，提速后列车荷载引起的动应力导致病害产生，或使已有病害更加严重，影响行车安全。因此，应对路基和轨道等设施的状态进行监测与及时预报。 1.1 轨道温度、应力、涨曲监测 轨道或轨道板的温度变化反映了其受力情况，温度梯度场的存在导致钢轨出现微裂纹，热胀冷缩的变化导致钢轨固定结合部出现不必要受力，因此对轨道温度监测非常必要，基于拉曼散射(ROTDR)或布里渊散射原理的光纤分布式测温技术可用于铁路线路长距离、大范用的温度和应力在线监测。分布式光纤温传感器能够连续测量克纤沿线各处温度，测量距离可为几公里，空间定位精度达到米级，监测轨道温度的同时可确定温度异常点位置，并不间断自动测量，特别适用于大范用多点测量和监测轨道温度的线路[[] [] 宋志强, 刘统玉, 王昌, 等. 光纤传感技术在铁路中的应用[J]. 西南交通大学张兆亭等人[[] 张兆亭, 闫连山, 王平, 等. 基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究[J]. 铁道学报, 2012, 34(5): 65-69]阐述了光纤光栅传感器对载荷和温度应力的测量原理及应变产生原因，建立光纤光栅中心反射波长漂移量与载荷和温度应力产生的钢轨应变的数学模型。使用光纤光栅传感器进行温度应力和动态载荷下的钢轨应变监测实验，如 REF _Ref330542106 \h 图1所示，并通过匹配光栅方法消除温度变化的干扰。实验结果表明光纤光栅应变传感器适用于钢轨应变的监测需要，具有良好的工作性能。 [] 张兆亭, 闫连山, 王平, 等. 基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究[J]. 铁道学报, 2012, 34(5): 65-69 将光纤粘贴于钢轨上，还可以检测钢轨的涨道弯曲，如 REF _Ref330560586 \h 图2所示，随着钢轨的弯曲，光纤收到拉应力，产生应变，导致其内部光信号传输发生变化，通过解调光信号变化，可获得钢轨涨曲情况[[] Chuang, S.L. Hsu, A. Young, E. Fiber optical sensors for high-speed railapplications [R]. Transportation Research Board, 2003: 6-8] [] Chuang, S.L. Hsu, A. Young, E. Fiber optical sensors for high-speed railapplications [R]. Transportation Research Board, 2003: 6-8 图 SEQ 图 \* ARABIC 1 光纤光栅应变传感器安装及实验装置 图 SEQ 图 \* ARABIC 2 光纤传感检测钢轨涨曲 1.2 轨道振动监测 列车载重的提高使轨道动态载荷不断增大、冲击振动加剧和钢轨结构损伤加剧。波磨指钢轨表面纵向出现的周期性波浪状不平顺，是一种常见的钢轨磨损。钢轨出现波磨，列车通过时引起走行部位附加垂直振动，列车的横向振动引起横向冲击力，直接关系到列车脱轨系数。在列车上安装光纤加速度传感器，采集车体振动信号，监测钢轨波磨及由其引起的列车横向振动。由于偏载、线路不平顺、断轨、三角坑等原因，长大编组的重载列车横向振动更为严重。当振动超过阈值，列车处在危险运行状态。采用光纤加速度传感器可获取列车横向振动信息实现对振动的监测。光纤加速度传感器结构示意图见 REF _Ref330331906 \h 图3。 图 SEQ 图 \* ARABIC 3 光纤加速度传感器结构示意图 石家庄铁道大学杜彦良等人[[] 杜彦良, 张文涛. 基于光纤激光传感器的重载铁路列车在途安全状态