基于FBG的鋼軌溫度力檢測研究

王月太 姬文寶 康瀟鈺 張曦

摘 要：目前鋼軌多數(shù)采用無縫鋼軌，而環(huán)境溫度的變化會(huì)使得鋼軌的溫度發(fā)生變化，鋼軌溫度變化產(chǎn)生的溫度力，會(huì)使鋼軌發(fā)生漲軌或斷軌，會(huì)給列車運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅，所以鋼軌的溫度力檢測是保證高速鐵路運(yùn)行安全的重要保障。本文針對鋼軌應(yīng)變、溫度和溫度力監(jiān)測需求，提出來基于光纖光柵鋼軌溫度力檢測方法，就該檢測方法，提出合適的解調(diào)方法和復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于FBG的鋼軌溫度力檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：光纖光柵;鋼軌溫度力向力;鋼軌應(yīng)變

中圖分類號：U211文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

為了提高高速鐵路的運(yùn)行安全，高速鐵路中軌道結(jié)構(gòu)的安全是關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。無縫線路和普通線路相比，在速度、噪音、鋼軌和列車損耗上具有很大優(yōu)勢，因此在我國高速鐵路上有廣泛的應(yīng)用。我國采用無縫線路是跨區(qū)間的，因此會(huì)在長達(dá)十公里的線路上的鋼軌沒有軌縫，不能自由伸縮，這樣鋼軌隨著溫度變化時(shí)，鋼軌的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生伸或縮，而當(dāng)伸縮受到限制時(shí)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力就是鋼軌的溫度力。它的縱向內(nèi)應(yīng)力無法得到釋放，如果釋放不了鋼軌的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)超過鋼軌的自身承受力時(shí)就會(huì)發(fā)生斷軌，這將會(huì)對鐵路運(yùn)行安全造成極大的威脅[1]。針對鐵路無縫線路中鋼軌溫度力測量困難的問題，從無縫線路鋼軌溫度力測量模型出發(fā)，研究了基于光纖光柵的鋼軌溫度力測量方法，將鋼軌軸向測量和豎向測量結(jié)合在一起，解決光纖光柵傳感器自身溫度補(bǔ)償問題和無縫線路因溫度變化而帶來的應(yīng)變測量困難問題。

1 光纖光柵傳感基本原理

由上式可得到溫度力引起的應(yīng)變，再根據(jù)溫度力與應(yīng)變的線性關(guān)系即可得到溫度力的大小。

3 光纖光柵傳感系統(tǒng)的解調(diào)技術(shù)

獲得測量參量需要進(jìn)行解調(diào)，通過測量得到光纖光柵的波長變化量，再根據(jù)光纖光柵的傳感原理，便可計(jì)算得到外界參量（溫度和應(yīng)變）的變化。

常用的分布式解調(diào)方法有：可調(diào)諧F-P（Fabry—Perot，法布里—珀羅）濾波器解調(diào)法、和線陣CCD（Charge-coupledDevice，圖形控制器）探測法[4-5]。

可調(diào)諧F-P濾波法系統(tǒng)中的濾波器體積小、價(jià)格低，可調(diào)諧F-P濾波法光能利用率高、操作簡單，而且波長變化對應(yīng)與電信號，方便計(jì)算，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量。線陣CCD探測法的紅外CCD的價(jià)格較為昂貴，這將大大增加系統(tǒng)的成本。因此，本系統(tǒng)采用可調(diào)諧F-P濾波器法對波長進(jìn)行解調(diào)。

4 光纖光柵傳感系統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)

光纖光柵傳感器的分布式測量是由復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。常用的復(fù)用技術(shù)有：波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用。

波分復(fù)用技術(shù)將各個(gè)FBG傳感器串聯(lián)在一根光纖上，該復(fù)用方法無串音，并且信噪比高、光能利用率高，但該復(fù)用技術(shù)中的FBG傳感器的波長不同，因此數(shù)量受光源帶寬限制。

波分復(fù)用中各FBG傳感器采用串聯(lián)，通過不同的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)同一信道的傳輸，因此FBG傳感器的數(shù)量不受頻帶限制，但是由于FBG波長一樣該技術(shù)信噪比低。

空分復(fù)用技術(shù)FBG傳感器采用并聯(lián)連接，通過光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)復(fù)用，串?dāng)_小、信噪比高、樣速率高，但該技術(shù)由于光開關(guān)選通光路，因此光能利用率低。

本系統(tǒng)需要對不同的傳感器進(jìn)行檢測，所以，本系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)采用波分復(fù)用加空分復(fù)用的方式。

5 檢測系統(tǒng)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要應(yīng)用到光纖光柵受力傳感器和光纖光柵溫度傳感器，通過使擁有多個(gè)光纖布拉格光柵光路同時(shí)連接在一個(gè)傳感器上，通過增加傳感器連接數(shù)量，優(yōu)化信息的傳輸。該系統(tǒng)將應(yīng)變器對稱地設(shè)置在被測鋼軌軌腰兩側(cè)，兩個(gè)應(yīng)變計(jì)對稱設(shè)置在被測鋼軌軌底兩側(cè)上表面，通過鋼軌受力檢測，再經(jīng)過系統(tǒng)流程檢測，得到鋼軌溫度力受力分析情況。

當(dāng)列車通過時(shí)傳感器時(shí)，在溫度受力檢測點(diǎn)FBG選擇性的反射特定的窄帶光，鋼軌扣件產(chǎn)生伸縮，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，通過光纖光柵傳送到波長解調(diào)儀，然后通過光探測器進(jìn)行光信號轉(zhuǎn)電信號，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理顯示達(dá)到對鋼軌溫度力參量進(jìn)行辨識的目的。其次是溫度傳感器，使不同波長的傳感器相互串聯(lián)同時(shí)檢測多個(gè)點(diǎn)的溫度，兩種傳感器在配合下工作，達(dá)到檢測的目的。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖包括軟件設(shè)備與硬件設(shè)備。硬件設(shè)備包括FBG、傳輸光纖、解調(diào)儀、終端盒、總控機(jī)等，如圖2所示。

6 結(jié)語

隨著高鐵的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)脑谶\(yùn)輸行業(yè)的作用越加重要，鐵路安全的要求也越來越高。光纖光柵傳感器是新式的傳感器，在其他行業(yè)已廣泛使用。相信在不久的將來將會(huì)大范圍地應(yīng)用到鐵路運(yùn)輸中，為提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩峁┯辛Φ谋Ｕ稀?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].北京：中國鐵道出版社，2005：12-15.

[2]潘建軍.光纖傳感軌道監(jiān)測的研究與應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3]張旭蘋.全分布式光纖傳感技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[4]周倩，寧提綱.纖光柵傳感器信號解調(diào)方法的研究[J].光通信技術(shù)，2010，8：8-11.

[5]賈振安，葛朋，喬學(xué)光.分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的波長檢測技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2008，3：32-35.

作者簡介：王月太（1989—），女，甘肅蘭州人，工學(xué)碩士，講師，研究方向：交通信息工程及控制。