光纤传感技术在铁路中的应用.docx

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1、精品文档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[1]。经过长期研究，光纤传感技术可对压力、温度、振动、形变、速度、加速度、位移、水位、距离等参数进行准确检测，具有信号带宽宽、抗电

2、磁干扰、精度高、灵敏度高、使用寿命长、易于网络化等优点。凭借一系列的优点和多参数监测的功能，光纤传感技术在铁路行业和其他监测领域应用前景广阔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

3、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[2]。西南交通大学张兆亭等人[3]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

4、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。将光纤粘贴于钢轨上，还可以检测钢轨的涨道弯曲，如图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[4]。9欢。迎下载精品文档图1光纤光栅应变传感器安装及实验装置9欢。迎下载精品文档1.1轨道振动监测图2光纤传感检测钢轨涨曲9欢。迎下载精品文档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

5、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图3。图3光纤加速度传感器结构示意图9欢。迎下载精品文档石家庄铁道大学杜彦良等人[5]提出了用光纤加速度计采集列车振动的加

6、速度信号，通过二次积分而得到车体振动的位移信号，从而计算出波磨量的大小。其方案是在高增益掺稀土光纤写入FBG形成DFB(分布反馈布拉格)激光器结构，在外界泵浦激光的作用下形成光纤激光器并产生稳定的窄线宽稳定输出；采用圆形平膜片的结构封装加速度传感器实现对外界振动信号的感测；通过解调仪解调和专用算法实现波磨和横向振动的识别与预警。整个系统采用波分复用的方案。总体方案如图2所示。图4光纤激光监测系统整体方案示意图H.Y.Tam等人[6]将基于光纤光栅传感器的结构状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

7、辆的速度、质量、加速度、倾角等参数，传感器布置如图5所示。图5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1.1道岔监测目前，道岔密贴监测是借助转辙机中的缺口检测装置。缺口检测装置采用机械传动，只能检测开关量不能检测位移量，误报警时不能识别，道岔密贴检测光9欢。迎下载精品文档纤位移传感系统提供了安全可靠的监测途径。利用其镜面反射原理，将机械位移转换为反射体的移动，接收到的光功率随反射体移动变化而变化，通过测量光电转换电路的输出电压实现位移测量监测道岔是否密贴。西安交通大学韦兆碧等人[7]设计研制了一种应用于铁路道轨密贴检测的光纤

8、位移传感系统，如图6和图7所示，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。图6转