高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測中的光纖光柵傳感技術(shù)分析

王秋鵬

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710026）

高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測中的光纖光柵傳感技術(shù)分析

王秋鵬

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710026）

本文分析光纖光柵傳感技術(shù)在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測中的具體應(yīng)用情況及技術(shù)優(yōu)勢等，予以合理優(yōu)化措施，促進(jìn)高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展。

高速鐵路；光纖光柵傳感技術(shù)；軌道狀態(tài)；監(jiān)測

0 引言

光導(dǎo)纖維在應(yīng)用中可稱作是光纖，通過全反射原理使得應(yīng)用光模式進(jìn)行傳播的電磁波能量被局限到界面當(dāng)中，且順著光纖軸向促使光波往前推進(jìn)。在光纖中的主要構(gòu)成成分為纖芯、包層、涂覆層、增強(qiáng)纖維及保護(hù)套，而裸光纖主要構(gòu)成成分有纖芯、包層以及涂覆層。在光纖在，其主體結(jié)構(gòu)由纖芯、包層形成，成分為SiO2，直徑在125μm，此通道使得光波得以有效傳輸。因?yàn)樗褂玫奶砑硬牧洗嬖谝欢ú町愋缘?，如果纖芯、包層在構(gòu)成方面出現(xiàn)一點(diǎn)差異，也有可能造成纖芯、包層出現(xiàn)并不一致的折射率，由此光信號(hào)傳輸過程中，光纖發(fā)揮著一定的束縛作用。因?yàn)閾芥N光纖具有明顯非線性吸收效應(yīng)，一部分通信光纖通過紫外全息曝光而成為光纖光柵，可稱作是光纖布拉格光柵（FBG），其纖芯具有的折射率通常會(huì)出現(xiàn)周期性改變。一般情況下，入射光經(jīng)布拉格光柵的光波可以完全通過，并不會(huì)受到阻礙性的影響，但當(dāng)入射光屬于特定波長類型時(shí)，在布拉格光柵處會(huì)形成一定反射，由此導(dǎo)致入射光被反射回光來的方向。若外界應(yīng)力或是溫度對(duì)布拉格光柵造成一定影響的時(shí)候，往往導(dǎo)致柵格間隔發(fā)生一定改變，由此反射光實(shí)際波長會(huì)出現(xiàn)改變。由于布拉格光柵周期、纖芯有效折射率擾動(dòng)使得光纖布拉格光柵受到一定的影響，從而導(dǎo)致其中心波長發(fā)生較為明顯改變，所以對(duì)布拉格波長進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測，當(dāng)其發(fā)生改變時(shí)，可以確定被測對(duì)象由于外界溫度、應(yīng)變或是磁場發(fā)生改變而出現(xiàn)的變化情況。

1 光纖光柵傳感原理

因?yàn)楣饫w具有一定光敏性，由此使得光纖材料被制為光纖光柵，光敏性為經(jīng)過摻雜光纖的激光因?yàn)楣饫w折射率會(huì)隨著光強(qiáng)空間分布而出現(xiàn)對(duì)應(yīng)改變，且將變化情況及光強(qiáng)線性關(guān)系予以永久性保存，而且光纖纖芯發(fā)揮著窄帶濾波器的功能。

光纖光柵作為柵格周期出現(xiàn)改變的一種光波導(dǎo)，當(dāng)柵格出現(xiàn)改變時(shí)，會(huì)使得光纖在縱向的折射率出現(xiàn)明顯變化，由此導(dǎo)致不同光波形耦合。采用一部分或是完全轉(zhuǎn)移功率至另一種光纖模式內(nèi)，使得入射光頻譜發(fā)生變化。按照光柵、傳播常數(shù)存在的差異，而不同相位條件會(huì)使得入射至光纖纖芯的基模耦合為并不相同的傳輸模式，此模式可向前傳輸，也可向后傳輸，相關(guān)公式為：（其中A是單模光纖光柵具體周期；β1、β2屬于單模光纖光柵模式1、2時(shí)的具體傳播常數(shù)）。若想實(shí)現(xiàn)向后傳輸，應(yīng)使得上述公司的向前傳輸模式予以耦合，且應(yīng)滿足以下公式條件，即：其中，β01為單模光纖傳輸模式的傳播常數(shù)。如滿足上述公式得到較小光柵周期，此周期較短的光纖光柵可稱作是光纖光柵。

當(dāng)紫外光源在經(jīng)過柵格擋板形成照射情況下，光纖纖芯會(huì)出現(xiàn)折射率變化，因周期性縮短而產(chǎn)生光纖布拉格光柵，折射率改變處于10-5-10-3范圍。當(dāng)光纖光柵出現(xiàn)折射率改變時(shí)，光譜內(nèi)一小段會(huì)受到一定的影響，若寬帶光波通過光纖光柵時(shí)，因?yàn)楣鈻盘幋嬖谡凵渎实母淖?，?huì)使得一部分入射光形成反射，但并不會(huì)導(dǎo)致其他光波受到影響，此類效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光纖光柵對(duì)于光波波長存在選擇性。

光纖光柵傳感理論是將麥克斯韋經(jīng)典方程作為應(yīng)用基礎(chǔ)，而光纖布拉格光柵反射波長公式為：λ = 2 neffA。通過圖1與λ= 2neffA說明，在寬帶光波信號(hào)入射至光纖內(nèi)且于FBG內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)于光柵位置形成模式耦合，當(dāng)光波信號(hào)滿足于 λB= 2 neff?A公式時(shí)出現(xiàn)反射，neff表示光纖纖芯位置的等效折射率，A表示光柵周期。由此可知，F(xiàn)BG會(huì)因外界環(huán)境而導(dǎo)致中心波長出現(xiàn)改變。按照其改變前后不同中心波長變化，可通過數(shù)學(xué)關(guān)系表明外界因素對(duì)光柵造成的影響。：表明光纖光柵外部環(huán)境改變會(huì)通過反射光具體中心波長予以有效反映。

圖1 FBG傳感原理示意圖

2 光纖光柵傳感技術(shù)在在高速鐵路監(jiān)測中的應(yīng)用

我國高速鐵路保持時(shí)速350km/h時(shí)，通常會(huì)設(shè)計(jì)無砟軌道。由于大跨度橋梁、長大隧道等極易發(fā)生問題，因此于此類特殊地段應(yīng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)予以有效監(jiān)測。按照軌道結(jié)構(gòu)的不同種類，其所監(jiān)測關(guān)注部位具有一定差別。通常監(jiān)測時(shí)會(huì)涉及以下內(nèi)容:①環(huán)境因素，包括溫濕度、風(fēng)速等;②軌道結(jié)構(gòu)構(gòu)成部位形成的溫度場;③鋼軌結(jié)構(gòu)層之間存在的相對(duì)位移;④鋼軌存在的應(yīng)變情況，軌道板、底座板等結(jié)構(gòu)有關(guān)鋼筋及在混凝土內(nèi)部或時(shí)表面存在的應(yīng)變情況;⑤寬接縫、砂漿層等結(jié)構(gòu)間離縫值、梁縫伸縮情況。應(yīng)按照監(jiān)測工點(diǎn)情況合理制定監(jiān)測方案，并對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行合理布置。

2.1 傳感器安裝

對(duì)傳感器進(jìn)行安裝時(shí)，需要花費(fèi)較長現(xiàn)場施工時(shí)間。如需對(duì)軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)的混凝土、鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)變信息等予以有效監(jiān)測，應(yīng)提前在軌道結(jié)構(gòu)實(shí)施混凝土澆筑前予以傳感器裝備的現(xiàn)場預(yù)埋，確保整個(gè)監(jiān)測方案與施工的整個(gè)周期相適應(yīng)。對(duì)軌道結(jié)構(gòu)實(shí)施傳感器的預(yù)埋時(shí)，需確保傳感器引線能夠伸出軌道結(jié)構(gòu)外保持一定長度。而引線則需應(yīng)用厚實(shí)鎧裝層類型的延長光纖，防止混凝土澆筑導(dǎo)致引線出現(xiàn)斷裂，使得傳感器難以存活。將伸出軌道結(jié)構(gòu)的引線予以外套橡膠管進(jìn)行有效保護(hù)，混凝土澆筑過程中不可對(duì)傳感器安裝處予以嚴(yán)重振搗。應(yīng)在軌道結(jié)構(gòu)各個(gè)監(jiān)測工點(diǎn)合理安裝環(huán)境溫度傳感器，注意傳感器需放到塔式防輻射罩內(nèi)，防止因陽光直射導(dǎo)致溫度監(jiān)測不準(zhǔn)確。傳感器與地面的距離應(yīng)至少保持1.2m，防止在測量時(shí)應(yīng)地面輻射溫度而出現(xiàn)誤差。

2.2 光纖熔接

當(dāng)安裝傳感器成功后，應(yīng)依據(jù)通道配置表將通道內(nèi)每個(gè)傳感器進(jìn)行首尾連接，并將此傳感器連接串的一端和主光纜的一芯相連。在和主光纜進(jìn)行連接時(shí)，應(yīng)通過光纜串接盒完成，此通道相應(yīng)主光纜纖芯與傳感器串進(jìn)行熔接則可，其他截?cái)嗟闹鞴饫|纖芯，可于截?cái)辔恢眠M(jìn)行重新熔接。在施工過程中，由于熔接工作需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，而且有可能熔接接頭出現(xiàn)質(zhì)量問題而導(dǎo)致返工，因此熔接時(shí)需保持嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的態(tài)度。

2.3 傳輸光纜鋪設(shè)

當(dāng)傳感器安裝完成，并予以熔接后，應(yīng)鋪設(shè)傳輸光纜使得各個(gè)監(jiān)測工點(diǎn)處傳感器、光纖光柵解調(diào)儀等設(shè)備進(jìn)行連接。對(duì)高速鐵路軌道狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，需使得傳輸光纜在線纜槽中進(jìn)行埋設(shè)。而引出線下到機(jī)房中，如使用架空走線，需放置標(biāo)示牌到光纜旁，表明其用途、責(zé)任人單位及聯(lián)系方式;若通過埋地走線，需將光纜的外面套上PE管，且予以防水處理，防止冬季光纜外出現(xiàn)積水結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致光纖被凍裂。

2.4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備與無線傳輸模塊

傳感器需要通過傳輸光纖與監(jiān)測機(jī)房相連，機(jī)房中的設(shè)備有機(jī)柜、終端盒、顯示器、無線模塊等。傳感器信號(hào)經(jīng)傳輸光纖被連接到終端盒中，通過光纖光柵解調(diào)儀使得光信號(hào)被解調(diào)成數(shù)字信息，并存儲(chǔ)到主機(jī)硬盤內(nèi)，應(yīng)用無線模塊定時(shí)方式，使得此類信息回傳到遠(yuǎn)端主服務(wù)器，且予以有效處理分析。

2.5 數(shù)據(jù)處理與安全預(yù)警系統(tǒng)

主服務(wù)器端的綜合管理平臺(tái)軟件可以對(duì)數(shù)據(jù)予以分類管理。將現(xiàn)場傳回的數(shù)據(jù)予以有效篩除，將異常數(shù)據(jù)刪除。通過數(shù)據(jù)軟件予以整理，且與預(yù)置報(bào)警限值相比較，通過特定算法確定報(bào)警情況，當(dāng)對(duì)警情予以核實(shí)后，可將報(bào)警信息發(fā)送到高速鐵路運(yùn)營維護(hù)部門及服務(wù)器管理人員處。

3 總結(jié)

通過對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)原理進(jìn)行分析，且對(duì)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中的光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了解，使得光纖光柵傳感技相關(guān)的各個(gè)裝置項(xiàng)目得到合理按照，通過采集數(shù)據(jù)的處于，確認(rèn)監(jiān)測警情，且根據(jù)警情予以及時(shí)處理，利于提高高速鐵路軌道的安全性。

[1]王濤,孫慶,高巖等.光纖光柵應(yīng)變特性及其在槽形梁試驗(yàn)量測中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2014( 11):37-40．

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Analysis of fiber Bragg grating sensing technology for track condition monitoring of high speed railway

Wang Qiupeng,
(Xi’an Institute of Railway Technology,Xi’an Shaanxi,710026)

Based on the analysis of fiber grating sensing technology application in high speed railway track state monitoring and technical advantages, reasonable optimization measures to promote the development of high speed railway track monitoring.

high speed railway; fiber grating sensing technology; track state; monitoring