基于光纤传感技术的火车安全系统

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1、基于光纤传感技术的火车安全系统（一）基于光纤位移传感器的火车安全速度提示系统背景：新华社报道：28日凌晨4时41分,由北京开往青岛四方的T195次客车通过胶济铁路王村站后,在K289＋610处客车车尾前10-17位突然发生脱线、颠覆,而此时一列由烟台开往徐州的5034次客车在汇车时与脱线、颠覆车辆相撞,5034次客车机后1-3位及机车脱线、颠覆。截至发稿,据新华社消息,胶济铁路重特大交通安全事故死亡人数增至72人,受伤人数升至416人,其中有4名法国乘客受伤。列车超速是造成“4.28”特别重大交通事故的直接原因。这样类似的事故在世界各地时有发生，

2、许许多多的人因此丧失了生命，亲人，朋友。基于光纤位移传感器的火车测速系统原理：在转弯时，火车会做向心运动，避免脱轨其向心力（m为火车重量，V为火车转弯切线方向速度，R为火车向心运动的半径）而火车转弯时，内外轨道的高度是不同的，这样会产生一个重力偏力。由图可知：当,都会给铁轨造成一定压力，所以火车的转弯速度被限制在附近，确保火车不会脱轨。所以，我们在火车入弯道的800米处设置一个光纤传感器测量火车的时速，根据转弯的限速，对司机进行提醒；同时我们也在弯道上铺设光纤传感器，测出火车速度，实时反馈到火车驾驶员的屏幕上，让司机及时调整车速，确保火车安全运行

3、。传感器比较：传感器类型优点缺点寿命价格光纤测速传感器结构简单，体积小，重量轻，抗干扰强，损耗少，精度高，响应快价格相对比较贵，还没有用到实际中长无电子霍尔测速传感器电路形式简单，成本较低，稳定性好精度和线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大，灵敏度低，频宽小长200速度我们利用光纤位移传感器测出位移，再除以相对的时间得到。光纤位移传感器组成结构和工作原理　　1、传感器结构据　　传感器的简略结构如图1所示，其连杆可以水平方向移动，在连杆上固定了薄膜Fizeau干涉仪（TFFI），它的详细构造如图2所示。2、工作原理　　（1）光信号调制　　实际使用

4、时将传感器与读数器（Demodulator）连接，读数器中白光二极管二极管　　二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。[全文]光源光源　　光源产品具有LED显示、体积小、重量轻、易携带、电池供电、性能价格比高等特点，直观快速，是一种使用极其简单方便的测试工具，产品经过防震防潮处理，可以在野外恶劣环境下

5、长时间工作。[全文]发出的光从连接读数器的光纤的一端入射，传输到连接Fabry-Perot传感器，再由多模光纤射出，照射在TFFI干涉仪（光楔）的表面。当TFFI水平移动时，照点的位置也会不同。光楔上下两个表面都镀有半反射膜，因而构成了Fabry-Perot腔体。当读数器发射的白光的一部分被第一个半反射镜反射镜　　反射镜是光的反射原理的典型应用，在玻璃的一面涂以高反光率的涂料或者镀一层金属膜，使入射光直接反射的光学元件。[全文]反射后，其余的白光穿过Fabry-Perot腔体，且再一次被第二个半反射镜反射回来，两束反射光相互干涉，使得原来入射白光

6、的光谱被调制。　假设光楔的材料是玻璃，取其折射率n=1.6，入射白光二极管波长范围根据文献[1]取为600nm～1750nm。根据图2，光楔上下表面反射光的光程差为2nh，假设光源光谱所有频率光波的振幅皆为a，两束光在相遇点发生干涉时的相位差为d，光楔面的反射率为R，透射率为1-R，则合成振幅y为：y=a+aRe-iδ（1）据欧拉公式e-iδ＝cosδ－isinδ，可得：y(t)=a(1+Rcosδ－iRsinδ)（2）光强与光波振幅的平方成正比，设光波相遇点的光强度为I，则：I＝y(t)×y(t)*＝a2(1+R2+2Rcosδ)（3）对于TF

7、FI的某个位置，光楔面的高度为h，不同波长l的光对应的干涉相位差δ为：δ＝（2nh/l）×2p＝4pnh/l（4）光强I的极值为：　　I＝a2（1+R2+2R）（5）在TFFI干涉仪中，为了形成光的反射面，需要在光楔的上下表面各镀上一层膜，而镀膜具有一定的厚度，所以镀膜上下表面的反射光将形成干涉，会影响测量结果。因此，镀膜的厚度应控制在光源中心波长的1/4，例如光源波长为600nm~1000nm，则镀膜厚度为800nm（假设镀膜材料的折射率为1），这样镀膜上下表面大部分的反射光相位差为180°，强度被衰减。在图2所示的坐标系中，设入射点距坐标原点

8、的距离为x，光楔的倾斜角度为a，此时对应的光楔面高度为h：　　h＝7＋xtga（mm）（6）　　tga＝18/25000＝7.2′10-