光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通車輛的應(yīng)用

劉爭平

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 西安 710043)

光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通車輛的應(yīng)用

劉爭平

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 西安 710043)

光纖光柵作為一種特種光纖，其敏感變化參量為光的波長;利用布喇格Bragg光柵波長對溫度、應(yīng)變等物理量的敏感特性，制成光柵傳感器。在介紹國內(nèi)外光纖光柵傳感器生產(chǎn)廠商概況和光纖光柵傳感技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，論述光纖光柵傳感器的技術(shù)優(yōu)勢。列舉分析光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通車輛的若干應(yīng)用實例，展望光纖光柵傳感系統(tǒng)在軌道交通車輛上的應(yīng)用前景。實踐表明，隨著光纖光柵傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電測試系統(tǒng)逐漸被光纖光柵測試系統(tǒng)所取代。

城市軌道交通;車輛;光纖光柵;傳感器

近年來，國內(nèi)外不少公司和專家對軌道交通車輛安全技術(shù)的研究趨向于車輛故障之前的預(yù)防和報警，其中光纖布喇格光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)傳感技術(shù)因其獨特的優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，并取得快速發(fā)展。FBG技術(shù)始于國外，在歐洲和北美已相當(dāng)成熟;也有軍工轉(zhuǎn)向民用的，而大量的應(yīng)用是在基礎(chǔ)設(shè)施的健康安全監(jiān)測上，如橋梁、土木工程結(jié)構(gòu)、重要意義的建筑物等。盡管FBG傳感技術(shù)目前在城市軌道車輛(地鐵、輕軌、中低速磁浮列車)、飛機、鐵路客車等移動設(shè)施動態(tài)監(jiān)測項目的應(yīng)用不及基礎(chǔ)設(shè)施健康安全監(jiān)測項目廣泛，但它從列車運行安全角度來看是十分急需和必要的，而且具有相當(dāng)大的市場需求前景。

1 國內(nèi)外概況

國外具有代表性的擁有光纖光柵FBG傳感技術(shù)的公司有3家:美國微米光學(xué) MICRON OPTICS(簡稱MOI)公司、比利時福斯FOS＆S光纖傳感系統(tǒng)公司、法國奧斯莫斯OSMOS光纖傳感技術(shù)公司，見表1。

表1 國外光纖光柵傳感技術(shù)代表性廠商

國內(nèi)光纖光柵傳感技術(shù)的研發(fā)相對落后于國外。國內(nèi)FBG傳感器廠商對其研究多數(shù)停留在實驗室范圍，需要的傳感器件多數(shù)委外。近幾年來，研究和制作傳感專用的布喇格光柵有了重大突破。以武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)研究中心所擁有的全國唯一的光纖傳感技術(shù)重點工業(yè)性試驗基地為例，它在國內(nèi)率先建立了批量生產(chǎn)光纖光柵傳感器的流水線，開發(fā)了七大類，包括電流、電壓、振動、應(yīng)力、位移、溫度等在內(nèi)的30余種光纖光柵傳感器，年產(chǎn)量6萬余只。FBG傳感技術(shù)、FBG傳感系統(tǒng)和傳感器件已成功地應(yīng)用于武漢地鐵、武漢天興洲公鐵兩用長江大橋、京廣鐵路紙坊車站等工程項目。

2 光纖光柵傳感技術(shù)優(yōu)勢

2.1 基本原理

FBG傳感器的基本原理是:當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變、位移、加速度、傾角等待測物理量發(fā)生變化時，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而產(chǎn)生布喇格光柵信號的波長位移;通過監(jiān)測布喇格波長位移變化，即可獲取待測物理量的變化［1］，見圖1。

圖1 光纖光柵傳感器的基本原理

圖2 光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理

以光纖光柵計軸傳感器進(jìn)行輪軸健康狀態(tài)監(jiān)測為例:當(dāng)運行列車車輪通過設(shè)在軌旁傳感器的鋼軌時，所產(chǎn)生的應(yīng)變會引起光柵波長改變，經(jīng)解調(diào)后得到動態(tài)應(yīng)變曲線，統(tǒng)計其應(yīng)變脈沖峰，即為對應(yīng)的輪軸數(shù)。正常輪軸在通過鋼軌上的光纖計軸傳感器時，其應(yīng)變曲線光滑、無毛刺;而安裝松動的輪軸在壓迫鋼軌上產(chǎn)生的應(yīng)變曲線會不圓滑，可以辨認(rèn)出松動所產(chǎn)生的高頻振動毛刺。對于扁疤、失圓等缺陷車輪，其鋼軌應(yīng)變曲線會有雙峰，這對檢測車輪缺陷有很大的意義［2］。光纖計軸傳感器檢測輪軸的缺陷見圖3。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 光纖計軸傳感器檢測輪軸的缺陷

光纖光柵傳感系統(tǒng)是由傳感用的光纖光柵、傳感專用器材、光纖光柵傳感信號解調(diào)裝置、工控計算機、測控軟件、數(shù)據(jù)庫等組成，并與安全分析評估系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。針對不同監(jiān)測對象而開發(fā)測控軟件是系統(tǒng)的關(guān)鍵，因為不同監(jiān)測儀器有不同的解算方法，相同監(jiān)測儀器的運行模式不同，算法也不同。作為用于軌道交通車輛的光纖光柵傳感實時監(jiān)控系統(tǒng)，要求采集頻率高、數(shù)據(jù)庫容量大、重復(fù)穩(wěn)定性能好，其系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。

圖4 光纖光柵傳感系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 傳感器件

光纖光柵是一種特種光纖，它的敏感變化參量為光的波長，利用Bragg光柵波長對溫度、應(yīng)變等物理量的敏感特性制成光柵傳感器。FBG傳感器就是一種刻寫于250 μm直徑光學(xué)纖維中、10 μm芯徑里的一維光柵，軌道交通車輛常用的主要有溫度、應(yīng)變、加速度、傾斜力、載荷、振動、位移等光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感信號解調(diào)裝置性能以美國MOI公司的產(chǎn)品為例，所提供的60 nm超大帶寬光柵解調(diào)儀的掃描頻率達(dá)2 kHz，測量精度達(dá) 1 με(微應(yīng)變)，具有超穩(wěn)定的光性能［3］。

2.4 技術(shù)優(yōu)勢

近幾十年以來，電傳感器一直作為測量物理與機械現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)器件發(fā)揮著它的作用。作為測試設(shè)備無處不在，但它有著先天的缺陷，如信號傳輸過程中的損耗、容易受電磁輻射干擾、不能適應(yīng)惡劣環(huán)境和氣候條件等，而FBG傳感器就是針對電傳感器的缺陷而開發(fā)的一種新一代光纖傳感器，有著很好的技術(shù)優(yōu)勢。

1)由于傳感信號為波長調(diào)制，因而測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響，具有測量精度高、掃描速度快等特點。例如，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器信號解調(diào)裝置的測量精度可達(dá)1 με(微應(yīng)變)，掃描頻率達(dá) 2 kHz。

2)采用波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖中串聯(lián)多個甚至數(shù)百個布喇格光柵進(jìn)行大容量、實時和遠(yuǎn)程分布測量。與單個電傳感器相比，極大地減小了整個測試系統(tǒng)的體積、質(zhì)量以及復(fù)雜度［4］，而且傳感距離可遠(yuǎn)達(dá)50 km之外。

3)光纖光柵傳感器除了可貼在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的表面外，還能很容易地埋入材料(如復(fù)合材料、混凝土等)中，對其內(nèi)部的應(yīng)變、溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍的實時測量，監(jiān)測結(jié)構(gòu)缺陷的形成與生長［5］。

4)作為無源器材，使用壽命長達(dá)20年。因光柵探頭體積尺寸小(直徑小于250 μm)，柔軟纖細(xì)，特別適合狹小、復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間的測量。

5)光纖光柵具有傳感、無電傳輸?shù)奶攸c，抗電磁輻射、抗腐蝕能力強，能適應(yīng)惡劣環(huán)境和氣候條件。

3 光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通車輛上應(yīng)用

下面列舉光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通車輛上的應(yīng)用實例。

1)早在2007年，武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)研究中心將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于武漢輕軌1號線，動態(tài)檢測車輪不圓順，檢測因車輪質(zhì)量引起的鋼軌應(yīng)力改變，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到列車通過的輪軸數(shù)和輪軸狀態(tài)。

2)香港理工大學(xué)與香港九廣鐵路公司合作，采用美國MOI公司的光纖光柵傳感產(chǎn)品，重點監(jiān)測路軌振動、車廂傾斜狀態(tài)、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)組件(牽引電機、軸承等)的溫度變化，光纖光柵傳感系統(tǒng)已被成功地安裝應(yīng)用在香港東鐵線、西鐵線、機場快線和輕鐵線［6］。

3)法國阿爾斯通公司在開發(fā)新型材料的同時，將光纖光柵傳感器埋入現(xiàn)代有軌電車和高速列車的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)件中，用以監(jiān)測新型復(fù)合材料的性能，取得了良好效果。

4)北京交通大學(xué)等單位基于光纖光柵傳感技術(shù)，對中低速磁浮列車定位進(jìn)行了研究。由于磁懸浮列車運行時列車懸浮在軌道上，車體與軌道分離，造成列車無法與布置在地面的光纖光柵傳感器接觸，也就無法感知傳感器所受到的列車作用力。研究提出，將光纖光柵壓力傳感器布置在軌道梁接頭的縫隙處，通過軌道的傳遞，使傳感器來感知列車經(jīng)過時產(chǎn)生的壓力［7］。

5)軌道交通火災(zāi)的可能發(fā)生地點很多，集中在車輛、站臺、設(shè)備區(qū)、地下隧道、高架及路面軌道等處。由于軌道交通環(huán)境的復(fù)雜性，對火災(zāi)探測的傳感器要求較為苛刻。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器(如電子類)，難于充分發(fā)揮作用和勝任使用，在軌道車輛運用中會對電子類傳感器造成電磁干擾，使其不能正常工作;而高精度、高分辨率、抗電磁干擾的分布式光纖溫度傳感器，就非常適合在惡劣、潮濕的環(huán)境中使用［8］。

4 結(jié)語

綜上所述，光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用面廣泛，用于軌道車輛的技術(shù)成熟，發(fā)展前景寬廣，F(xiàn)BG傳感系統(tǒng)已成為軌道交通車輛領(lǐng)域的研究熱點和應(yīng)用推廣項目［9-10］。

1)當(dāng)今新型軌道交通工具不斷涌現(xiàn)，而國產(chǎn)化光纖光柵傳感器件有生產(chǎn)價格優(yōu)勢，這必將帶來廣闊的市場前景。

2)成百個光纖光柵傳感器安設(shè)在軌道交通車輛的各個部位上，以采集關(guān)鍵部位的狀態(tài)參數(shù)，為列車運行安全提供了可靠的保障。

3)光纖光柵傳感技術(shù)特別適合應(yīng)用在惡劣環(huán)境和氣候條件下，可對軌道交通車輛進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測。

4)隨著光纖光柵傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電測試系統(tǒng)將逐漸被光纖光柵測試系統(tǒng)所取代。

［1］張強，趙信洋，劉學(xué)毅，等.光纖光柵傳感器在橋上無縫道岔模型試驗中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2010(12):94-96.

［2］武漢理工大學(xué).雙光路雙區(qū)光纖異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)［R］.武漢，2009.

［3］美國 MOI光學(xué)公司.光纖光柵傳感器及安裝［M］.北京，2007.

［4］A new way to monitor using fibreoptics［EB/OL］.(2008-03-28).［2013-05-05］http//www.emeraldinsight.com/0260-2288.htm.

［5］張巖，康熊.光纖光柵傳感器在鐵路領(lǐng)域的研究與應(yīng)用［J］.鐵道機車車輛，2008，28(4):45-49.

［6］美國MOI光學(xué)公司，香港九廣鐵路公司.香港城市軌道通勤列車動態(tài)健康監(jiān)測系統(tǒng)［G］.香港，2007.

［7］劉云，簡水生，裴麗，等.基于光纖光柵傳感的新型磁懸浮列車定位方法的研究［J］.鐵道學(xué)報，2005，27(5):72-76.

［8］宋立新，韓紅遠(yuǎn).分布式光纖測溫在地鐵火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.都市快軌交通，2012，23(6).

［9］Monitoring engineering，osmos technology［EB/OL］.［2011-01-18］(2013--05-05).http://www.Osmos-Canad.com.

［10］Application of FBG giber optic sensing technology in rail traffic industry［EB/OL］.［2009-12-09］(2013-05-05).http://www.fos-s.com.

Fiber Bragg Grating(FBG)Sensing Technology Applied to Rail Transit Vehicles

Liu Zhengping
(China Railway Yiyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Xi＇an 710043)

Abstract:This paper elaborates advantages of FBG sensing technological on the basis of introducing FBG sensor manufacturers from home and abroad and the basic principles of FBG sensing technology.FBG is a kind of particular fiber optics，whose changeable parameter of sensitivity is equal to optical wave length.FBG sensors are made up of the sensitive property of their wavelength to physical parameters，such as temperature，strain etc.Several practical examples are given about the application of FBG sensing technology to rail transit vehicles.The prospect of adopting FBG sensing system for rail transit vehicles is highlighted.With the continuous development of FBG sensing technology，the traditional electrical testing methods will be replaced by it gradually.

Key words:urban rail transit;vehicles;fiber grating;sensor

U270.7

A

1672-6073(2013)06-0103-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.025

收稿日期:2013-05-29

2013-07-04

作者簡介:劉爭平，男，工程碩士，處長，高級工程師，專業(yè)方向為車輛工程，liucs292@163.com

(編輯:郭 潔)