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1、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、抗电磁干扰、精度高、灵敏度高、使用寿命长、易
2、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 度监测非常必要，基于拉曼散射 (ROTDR) 或布里渊散射原理的光纤分布
3、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
4、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。图1光纤光栅应变传感器安装及实验装置ShDjfeliRHCFifdeectorptita &定 r a?：3irb& with 2 dhegLve1.0o.s0.0-D5-10图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
5、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
6、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安装于列车车箱圧特向架H.Y.Tam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，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 5所示0pLial cableT S S r：Tjlt SCT50TAtccl
7、crximder伽T Sz- r LAccckroTnct-crSTSTillT $Oplk： mu曲噪FEMj InterrngartofSan眼in. raftc up tn 1,000 HzI: rB(rEmjwraLun?芜esot S: FUG strain sensor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1.3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
8、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转辙机内部结构图7光纤位移传感器的结构除了密贴监测外，武汉理工大学黄小妹还利用光纤布喇格光栅做了道岔的 应变、温度、位移检测。她利用 ANSYS软件对钢轨的结构进行了力学分析，确 定了光纤布喇格光栅应变片在钢轨上的安装位置， 采用了光纤布喇格光栅应变片、
9、温度片和位移片进行检测，并且介绍了光纤布喇格光栅应变传感器、温度传感器、 位移传感器的制作方法；进行了现场测试，如图8所示，对光纤布喇格光栅传感 器的现场监测结果进行了数据分析并且找出了钢轨应变、钢轨温度、钢轨与轨道板的相对位移、轨道板与桥面的相对位移等的相互关系。图8应变和温度传感器现场安装中科院张文涛等人在公开号为 CN 102392395A的专利中公开了一种用于高 速铁路道岔的具有自检测功能的心轨9，如图9所示，将光纤安装于异形轨，用 于感知异形轨的变形和裂纹，其光纤布设于异形轨的尖部下方的沿异形轨纵向的 凸台上；用安装于异形轨轨腰光纤磨耗传感器监测异形轨的磨耗情况，其原理是用光纤光栅感
10、知传感器内弓形结构的变形。该发明，通过复合光纤解决了钢轨变形和裂纹实时白动检测、信号长距离传输的问题，且工艺简单、施工方便。10-异形轨，20-安装于凸台的光纤，30-弓形光纤光栅磨耗传感器，50-普通轨，60-轮缘图9具有自检测功能的心轨断面示意图2其他方面检测2.1轮轨作用力检测杭州电子科技大学的周雪芳10将光纤粘贴于钢轨上，用于检测钢轨的受力， 如图10所示。她基于轮轨力学的基本模型，结合光纤Bragg光栅(FBG)传感技术 原理，构建品质稳定且可进行动态行为监测的无温度效应式FBG感测系统，并在实际的钢轨上进行了试验研究。研究结果表明：FBG传感技术用于高速铁轨的监测具有可行性，且光纤
11、具有体积小、柔韧度高、重量轻等优点，可以简单地 附挂在待测物体上，加上其高效能的信号传输和可抗电磁波干扰、耐高温、抗腐 蚀等特性，使其应用到高速轨道的安全监测上成为可能。图10钢轨某截面3只FBG应变传感器布置图2.2轮轨缺陷检测列车车轮的健康状况是另一个保证火车安全运行的重要因素，车轮不圆或者倾斜都会成为安全隐患，但现在基本依靠人工查看车轮的机械性能。S.L.HO等人11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
12、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。D.RAn derson将多模光纤安装在轨道上检测扁平轮轨。 分散的相干光束会在 光纤末端产生一个特征斑点，扁平轮轨在钢轨上运动时产生的有规律的冲击振动 会引起多模光纤斑点的变化，可通过检测其变化频率与能量来判别轮轨的伤损程 度12 oChulia ng Wei等人13,14研发了一套利用光纤光栅技术的实时车轮健康监测系 统，该系统通过光纤光栅监测轮轨相互作用时的轨道应力，通过轨道应力来演算出直接反应车轮状况的条件指标。通过300天的现场试验，结果证明该系统能有 效的反应车轮的伤损状况。为了证明该系统的可靠性，采用两参
13、数威布尔分布模 型对9个车轮的条件指标进行了分析，结果证明了该系统的可靠性。但是在有砟 轨道上，由于不均匀沉降等因素一起的轨道不平顺会加剧轨道的振动，影响钢轨的应力，最终影响该系统的测试结果。姜德生等人在专利(CN 201951493 U) 15 “光纤光栅传感列车车轮踏面在 线监测装置”中设计了一种由光纤光栅敏感元件和弹性体元件组成的检测列车车轮踏面装置。所述的弹性元件是一块置于钢轨底部的不锈钢板，它被两对夹块卡 在钢轨上，每对夹块通过一根螺栓连接并利用螺栓的预紧力使弹性元件和钢轨密 贴，光纤光栅敏感元件被粘结剂固化于不锈钢板表面， 两端光纤从保护管中引出， 如图11所示。在一段监测区域的每
14、两根枕木之间的钢轨上都安装上本实用新型 中的光纤光栅传感装置，组成一个传感器阵列。当列车车轮通过该监测区域时， 由于轮轨之间形成稠合作用，利用传感阵列就可以连续地监测整个踏面的状况。1-螺母，2-夹块，3-弹性元件，4-钢轨，5-螺栓， 图11光纤光栅检测装置结构示意图2.3扣件健康状况的检测Dian Fan等人设计了如图12的实验。实验中光纤应变传感器被贴在铁轨低 部受力产生应变最大的位置，一般选择在两枕木之间，传感器可以测得该段铁轨 在车辆经过时产生的应变。传感器A选择安装在道钉安装稳固的区段中部位置， 传感器C选在可能出现安全隐患的区段端部安装，该位置铁轨和枕木结合较松。 如图13所示是
15、某机车依次通过 A、C两传感器时产生的应变曲线，机车先通过 传感器A其产生的曲线清晰平滑，传感器 C产生的曲线上随着机车的前进明显 叠加了许多异常的应变冲击，这是由于C位置轨道不稳固易受邻近轨段影响产生应变。通过比较不同测量点的曲线，或同一测量点不同时间段的曲线可判断铁 轨该时刻的健康状况16。图12试验系统结构图-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阀ma佃Hou怦*d电e图13健康段与缺陷段应变图2.4路基沉降监测路基沉降是影响行车安全的重要因素。影响路基沉阵的因素包括水浸、冰冻、 土质等自然因素，列车荷载作用、路基原始设计、施工方法等因素，以及自然沉 降时间是否充足、人为破坏等因素。目前，路基沉降监测方法主要有沉降板法、 沉降水杯法、铁环分层沉降仪法和剖面沉降仪法，主要依靠人工观测，检测速度慢、测量时间长和不直观，并且只能在天窗
