基于光纖光柵壓力傳感器的軌道區(qū)段占用檢測方法研究

陳志穎

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

軌道電路是以鐵路線路的鋼軌為導(dǎo)體構(gòu)成的電路，用于檢測軌道區(qū)段是否有車輛占用，同時起到信息傳輸?shù)耐ǖ雷饔?。在軌道電路中，可利用接收端的軌道繼電器的下落狀態(tài)來判別軌道電路的分路情況。

可當(dāng)軌道電路出現(xiàn)軌面生銹或積污、輪對銹蝕、軌道電路參數(shù)調(diào)整不當(dāng)?shù)葐栴}時[1]，就會造成車輛輪對無法有效地對所送電流進(jìn)行分路，軌道繼電器不能可靠落下，從而失去檢測軌道電路占用與否的功能。當(dāng)發(fā)生軌道電路分路不良，軌道電路占用檢測技術(shù)無法對電路的分路狀態(tài)進(jìn)行判斷，導(dǎo)致信號顯示和軌道電路碼續(xù)升級[2]，造成聯(lián)鎖系統(tǒng)失效，為鐵路的安全運營帶來嚴(yán)重的隱患。

由于分路不良是依附于軌道電路存在，且無法避免的技術(shù)問題，怎樣解決軌道電路分路不良時的軌道區(qū)段占用檢測問題，成為保證鐵路信號系統(tǒng)可靠性和安全性的關(guān)鍵。針對此類問題，有很多解決方案被提出，如3V化軌道電路、智能監(jiān)控盒、高壓脈沖軌道電路、計軸與軌道電路結(jié)合、鋼軌涂鍍、鋼軌打磨、熔覆堆焊等[3-6]，但這些方案都存在一定的局限性，不能從根本上解決軌道電路分路不良時的列車占用檢測問題。因此本文在現(xiàn)有的軌道占用檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)場實際需要，結(jié)合軌道電路的工作原理和軌道動力學(xué)分析結(jié)果，設(shè)計軌道占用檢測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；監(jiān)測FBG的中心波長漂移量，統(tǒng)計列車進(jìn)出軌道區(qū)段的輪對軸數(shù)，通過軸數(shù)比較，解決軌道電路分路不良時的軌道區(qū)段占用檢測問題。

光纖光柵是一種光纖無源器件，依靠協(xié)調(diào)波長與溫度變化和應(yīng)力應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，以及可以接入光纖系統(tǒng)等優(yōu)勢，被應(yīng)用于制作傳感單元[7，8]。光纖光柵傳感器具有靈敏度高、抗腐蝕、抗電磁干擾、可分布式測量等優(yōu)點，許多學(xué)者對此開展了大量的理論和實驗研究[9-11]。目前，光纖光柵壓力傳感器已廣泛用于各類工程建設(shè)[12-14]，利用提前預(yù)埋等技術(shù)手段，可對構(gòu)件的應(yīng)變狀況以及應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測。針對軌道電路占用檢測的需求，發(fā)揮光纖光柵壓力傳感器的優(yōu)勢，分析軌道電路工作原理及列車進(jìn)入軌道區(qū)段時鋼軌受力所產(chǎn)生的彎矩變化情況，設(shè)計傳感器在軌道電路占用狀態(tài)的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用光纖光柵傳感器的中心波長漂移量變化實現(xiàn)列車進(jìn)、出軌道區(qū)段的軸數(shù)統(tǒng)計，確定軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。并結(jié)合實驗，證實FBG的中心波長漂移量和縱向應(yīng)力的改變成正比的線性關(guān)系，即和鋼軌受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化成正比，利用FBG的應(yīng)力特性，可以感知列車輪對作用于鋼軌所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，能夠有效用于軌道區(qū)段的占用檢測，解決軌道電路分路不良問題。

1 軌道電路

軌道電路具有列車定位、檢查軌道區(qū)段占用情況、向機(jī)車傳遞控制信息等功能[15]。其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌道電路結(jié)構(gòu)

軌道電路的工作原理[16]如下：當(dāng)設(shè)備完好且軌道區(qū)段空閑時，且聯(lián)鎖調(diào)整正確，此時信號機(jī)滿足開放條件，信號開放。當(dāng)軌道電路被列車占用時，由于分路電阻(輪對電阻)小于軌道繼電器線圈電阻，輪對對送電端的電流分路，此時流經(jīng)軌道繼電器的電流小于門限值，使其失磁落下，此時信號機(jī)點紅燈。

當(dāng)軌道電路的軌面導(dǎo)電不佳，造成列車占用軌道區(qū)段時，軌道繼電器也無法可靠落下，導(dǎo)致聯(lián)鎖失效，這稱為軌道電路分路不良。造成分路不良的原因復(fù)雜，既包含電路設(shè)備本身，又包含列車和鐵路線路的運營環(huán)境[17]。因此需要通過可靠的技術(shù)手段，解決軌道電路分路不良時，仍可有效的判斷軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。

2 基于光纖光柵壓力傳感器的軌道電路占用檢測方法

為提高列車定位的準(zhǔn)確性，解決軌道電路分路不良時，判斷軌道區(qū)段的占用狀態(tài)的問題，本文提出基于光纖光柵壓力傳感裝置的軌道電路占用檢測方法。

2.1 光纖光柵應(yīng)力特性

光纖光柵縱向應(yīng)變壓力傳感器主要基于光纖Bragg光柵縱向應(yīng)變特性所設(shè)計，是一種將前向?qū)РＪ今詈系胶笙驅(qū)РＪ降墓饫w，相當(dāng)于反射型帶通濾波光纖器件，是目前最常見的一類光纖光柵壓力傳感器[18]。

光纖Bragg光柵可以分為啁啾光纖光柵和均勻光纖光柵，后者最為常用，選其作為研究對象。均勻光纖光柵的柵格是以周期neffΛ沿軸向均勻分布，且在徑向各處的折射率neff均相等，Λ為光柵的空間周期。FBG的周期性的折射率微擾只會對一段很窄的光譜產(chǎn)生影響，當(dāng)寬帶光波信號在FBG中傳播時，F(xiàn)BG僅僅會將一段特定波長的光波信號反射回來，而其他波段的光波繼續(xù)沿光纖傳輸，不受影響，這成為諧振波長反射現(xiàn)象[19]。

將光柵反射的峰值波長λB稱為FBG中心波長，則中心波長可表示為

λB=2neffΛ

(1)

式(1)表明，光波信號沿FBG的通道傳播時，由于模式耦合作用的影響，滿足式(1)的信號將被反射。式中neff是光纖纖芯的等效折射率，Λ是光柵周期，可以表示為

(2)

其中，λUV是紫外線光源的波長；θ是兩束相干光束間的夾角。

當(dāng)光纖光柵受到橫向或縱向應(yīng)力作用時，會對光纖Bragg光柵造成彈光效應(yīng)和周期的伸縮，這些都會使FBG的中心波長發(fā)生變化。在實際使用中，將FBG的傳感特性用微分方程來表示

(3)

式中，λB為FBG中心波長；ΔλB為FBG中心波長偏移量；Λ為光纖光柵周期；ΔΛ為光纖光柵的周期變化量；neff為等效折射率；Δneff為等效折射率變化量。

假設(shè)溫度場及其他外界條件恒定不變，光纖光柵只受到縱向應(yīng)力的作用，則由縱向應(yīng)力所致的周期變化可表示為

(4)

其中，εz為縱向應(yīng)力方向的應(yīng)變張量。

沿縱向產(chǎn)生的光纖光柵折射率變化可表示為

(5)

式中，P11、P12為彈光系數(shù)；v為光纖纖芯的泊松比。

將式(4)、式(5)代入式(3)中并進(jìn)行化簡，可得由縱向應(yīng)變引起的FBG中心波長相對位移量

(6)

式中，Pe為有效彈光系數(shù)。

2.2 光纖Bragg光柵壓力傳感器受力分析

在相鄰兩軌枕間，順序分別在靠近兩軌枕處安裝4個光纖Bragg光柵壓力傳感器，如圖2(a)所示。軌道的振動位移可反映是否有列車經(jīng)過，當(dāng)鋼軌受到壓力產(chǎn)生形變時，鋼軌彎矩將會產(chǎn)生變化，從而引起FBG的中心波長漂移。因此通過對FBG中心波長的偏移量進(jìn)行檢測，則可達(dá)到檢測軌道電路占用與否的目的。

在圖2(a)中F表示鋼軌所受壓力，L表示相鄰兩軌枕間距離，x表示列車輪對距離軌枕的距離，1～4表示4個光纖Bragg光柵壓力傳感器，p為1，4傳感器點離最近軌枕的距離，q為1、2傳感器點之間和3、4傳感器點之間的距離。

圖2 鋼軌受力測試示意

對鋼軌的不同點進(jìn)行施壓，鋼軌受力產(chǎn)生形變，導(dǎo)致每個點產(chǎn)生不同的彎矩變化，依據(jù)斯尼德橋原理[20]，定義1～4四個光纖Bragg光柵壓力傳感器所在點的彎矩M1～M4的彎矩變化函數(shù)為∑M=(M1-M2)-(M3-M4)，得到

(7)

分析得到該段鋼軌的彎矩函數(shù)如圖2(b)所示，在2、3之間測量時，縱向壓力和彎矩函數(shù)成正比，由式(7)可知，F(xiàn)BG的中心波長漂移量和彎矩函數(shù)成正比。設(shè)這4個FBG點的中心波長漂移量分別是Δλ1～Δλ4，則FBG的中心波長漂移函數(shù)可表示為

Δλ=(Δλ1-Δλ2)-(Δλ3-Δλ4)

(8)

分析FBG的應(yīng)力特性可知，F(xiàn)BG的中心波長漂移量和外力所產(chǎn)生的形變成正比，作用力的強(qiáng)度將直接影響FBG波長的漂移范圍。

2.3 軌道電路占用的判斷

經(jīng)過上述分析可知，鋼軌的形變過程與受力過程同步，當(dāng)鋼軌的形變恢復(fù)時，F(xiàn)BG的中心波長漂移立即恢復(fù)，因此利用中心波長的漂移量變化，可以準(zhǔn)確又實時的判斷列車經(jīng)過情況。

選取一個閉塞分區(qū)進(jìn)行研究，在該區(qū)段的入口和出口處，分別安裝如圖2(a)分布的兩組光纖Bragg光柵壓力傳感器，根據(jù)監(jiān)測中心波長的漂移量變化趨勢，對列車進(jìn)出該區(qū)段的輪對軸數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并對進(jìn)口和出口所計軸數(shù)進(jìn)行比較，從而判斷軌道電路所處的狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)出的所計軸數(shù)相同時，則軌道區(qū)段處于占用狀態(tài)；當(dāng)所計軸數(shù)不同時，則軌道區(qū)段屬于空閑狀態(tài)。

所設(shè)計的軌道區(qū)段占用檢測系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)主要包含光纖Bragg光柵壓力傳感器、光纖Bragg光柵信號解調(diào)器、A/D信號采集器、微控制單元等。當(dāng)列車的第一個輪對行駛?cè)朐搮^(qū)段，首先利用區(qū)段入口處的4個光纖Bragg光柵壓力傳感器進(jìn)行感知，由于壓力所致，F(xiàn)BG的中心波長漂移會隨軌道的彎矩變化而變化。每一個輪對經(jīng)過時，4個FBG傳感器的中心波長就會由零開始逐漸上升，到一個點保持一段時間，再逐漸下降變?yōu)榱?。每?dāng)中心波長經(jīng)過這樣一次變化時，進(jìn)行一次輪軸計數(shù)，即通過式(8)中Δλ的變化量對列車軸數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。光纖Bragg光柵信號解調(diào)器是用于解調(diào)這8個FBG壓力傳感器反射回的反射光譜，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。得到解調(diào)信號后，由A/D波長信號采集模塊進(jìn)行采集，經(jīng)過微控制單元處理計算每個FBG的中心波長漂移量，通過漂移量的變化統(tǒng)計列車進(jìn)出該區(qū)段的軸數(shù)，確定軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。

圖3 軌道占用檢測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 光纖光柵縱向應(yīng)力特性實驗與結(jié)果

為證實縱向應(yīng)力與FBG中心漂移量的關(guān)系，從理論上分析光纖Bragg光柵的縱向應(yīng)力特性能否應(yīng)用于軌道區(qū)段的占用檢測，本文將通過壓力變化，對光纖光柵壓力傳感器的中心波長隨縱向應(yīng)力變化的情況進(jìn)行實驗。

實驗選取紫外光照射經(jīng)過氫敏處理的普通單模光纖所形成的光纖光柵壓力傳感器，該FBG傳感器在正常無壓力情況下的Bragg波長為1 549.653 nm，反射率大于85%，3DB帶寬為0.369 nm。通過對該FBG傳感器施壓，逐步對其縱向應(yīng)變量進(jìn)行改變，可以獲得光纖Bragg光柵壓力傳感器的中心波長隨縱向應(yīng)力改變量的變化關(guān)系，如圖4所示。通過對該圖進(jìn)行分析，可以看出，F(xiàn)BG的中心波長漂移量和縱向應(yīng)力的改變成正比，即和鋼軌受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化成正比。當(dāng)平均發(fā)生0.5‰的應(yīng)變改變時，會有0.538 nm的波長漂移。這種成正比的線性關(guān)系可以很好地應(yīng)用于檢測縱向應(yīng)力改變。

圖4 FBG中心波長隨縱向應(yīng)變量變化關(guān)系曲線

4 結(jié)論

針對軌道電路分路不良時，軌道電路占用檢測技術(shù)無法對電路的分路狀態(tài)進(jìn)行判斷的問題，提出一種基于光纖光柵壓力傳感器的軌道區(qū)段占用檢測方法。通過分析軌道電路的工作原理和軌道動力學(xué)原理，并結(jié)合光纖光柵縱向應(yīng)力特性的實驗，可得出以下結(jié)論。

(1)通過設(shè)計軌道占用檢測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析列車進(jìn)入軌道區(qū)段時鋼軌受力所產(chǎn)生的彎矩變化情況，利用分布在軌道區(qū)段進(jìn)、出口兩端的FBG壓力傳感器中心波長漂移量的檢測，進(jìn)行列車在軌道區(qū)段進(jìn)、出口的軸數(shù)統(tǒng)計，此方法可有效確定軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。

(2)通過光纖Bragg光柵縱向應(yīng)力特性實驗，證實FBG的中心波長漂移量和縱向應(yīng)力的改變成正比的線性關(guān)系，即和鋼軌受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化成正比。利用FBG的應(yīng)力特性，可以感知列車輪對進(jìn)入軌道區(qū)段時作用于鋼軌所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，證實本文提出的方法可解決軌道電路分路不良時軌道區(qū)段的占用檢測問題。