光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究

崔鵬 徐成成

摘 要：軌道交通具有速度快、運(yùn)量大、安全舒適、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展的必然選擇。因此針對(duì)軌道交通領(lǐng)域的安全監(jiān)測(cè)尤為重要。本文概述了光纖光柵傳感原理，分析了其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，介紹了測(cè)量應(yīng)力、位移等不同物理量的光纖光柵傳感器在軌道交通不同結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況，為軌道交通安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：軌道交通;光纖傳感;光纖光柵;結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、運(yùn)營(yíng)安全、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，日益成為我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展的必然選擇。隨著軌道交通運(yùn)營(yíng)的高速化、密集化，安全問(wèn)題已成為了軌道交通建設(shè)和發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，建立可靠的軌道交通健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)是保證運(yùn)輸安全的有效手段。

軌道交通現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣，電磁干擾強(qiáng)。傳統(tǒng)的機(jī)械和電學(xué)類監(jiān)測(cè)技術(shù)易受外界環(huán)境影響、長(zhǎng)期穩(wěn)定性能較差，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相比，光纖光柵傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、傳輸距離遠(yuǎn)、波長(zhǎng)編碼、復(fù)用能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的缺陷。

光纖光柵傳感以光信號(hào)形式傳輸，本質(zhì)上不受電磁干擾;傳感器可以做到較小體積，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)無(wú)損情況下的布設(shè);采用波長(zhǎng)編碼，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè);同時(shí)具有精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、位移、加速度、溫度等多種參量的監(jiān)測(cè)。將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用到軌道交通領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)，具有很好的應(yīng)用前景。

1 光纖光柵傳感基本原理

光纖纖芯和包層構(gòu)成的芯包結(jié)構(gòu)是光纖全反射的基礎(chǔ)。光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏性，使光纖折射率發(fā)生周期性變化而形成的一種光無(wú)源器件。光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating， FBG）是應(yīng)用最廣泛的光纖光柵。FBG的光纖纖芯折射率沿軸向均勻，對(duì)光信號(hào)具有濾波作用。光柵的反射中心波長(zhǎng)為[2]：

式中，λB為光柵的中心反射波長(zhǎng)，neff為光柵有效折射率，Λ為光柵周期。由式（1）可知改變neff或Λ都能改變FBG的反射波長(zhǎng)，而應(yīng)變或溫度對(duì)其影響最為顯著。FBG傳感器便是通過(guò)直接或間接改變應(yīng)變或溫度以改變FBG反射中心波長(zhǎng)，從而得到被測(cè)參量信息。FBG傳感機(jī)理如圖1所示。

在實(shí)際情況下，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系可表示為：

式中，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖的熱光系數(shù)，Pe為光纖材料的有效彈光系數(shù)，?ε為軸向應(yīng)變，?T為溫度變化量。

2 光纖光柵在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 光纖光柵傳感器對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)

（1）輪軌力監(jiān)測(cè)。鋼軌是軌道最重要的組成部件，直接承受機(jī)車車輛的荷載作用。如圖2（a）所示，在輪對(duì)垂向力的作用下，鋼軌會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，將光纖光柵應(yīng)變傳感器安裝在鋼軌軌底，受鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力的作用，傳感器產(chǎn)生形變引起光柵反射波長(zhǎng)的漂移，通過(guò)分析反射波長(zhǎng)的變化情況，可提取到鋼軌所受動(dòng)彎應(yīng)力值，這也是列車輪軸計(jì)數(shù)、超偏載監(jiān)測(cè)、車輪健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

（2）道岔密貼狀態(tài)監(jiān)測(cè)。道岔是機(jī)車車輛從一股道轉(zhuǎn)入或越過(guò)另一股道所必不可少的線路設(shè)備。尖軌是道岔轉(zhuǎn)轍器的主要部分，通過(guò)扳動(dòng)尖軌，可引道列車進(jìn)入正線或側(cè)線，因此尖軌和基本軌必須保持良好的密貼狀態(tài)。通過(guò)FBG位移傳感器可實(shí)現(xiàn)尖軌與基本軌的密貼監(jiān)測(cè)[3]。如圖2（b）所示，將傳感器固定在基本軌上，尖軌上固定一塊擋板。當(dāng)尖軌向基本軌靠近時(shí)，如果尖軌與基本軌尚未達(dá)到密貼狀態(tài)，則擋板不會(huì)對(duì)彈性桿有力的作用;直到尖軌與基本軌密貼之后，彈性桿會(huì)受到壓力，粘貼在彈性桿上的FBG分別受拉和受壓，通過(guò)二者波長(zhǎng)變化差值所對(duì)應(yīng)的彈性桿微應(yīng)變即可判斷道岔基本軌與尖軌的密貼情況。

2.2 光纖光柵傳感器對(duì)軌道交通路基和邊坡的變形監(jiān)測(cè)

（1）路基沉降變形監(jiān)測(cè)。軌道交通路基沉降變形表現(xiàn)為路基面相對(duì)于參考點(diǎn)的下沉位移。研究人員[4]研制了一種FBG沉降位移傳感器，能夠?qū)崟r(shí)反映路基面的沉降狀況。傳感器結(jié)構(gòu)及傳感原理如圖3（a）所示。傳感器由表面為楔形的鋼棒及等強(qiáng)度懸臂梁梁構(gòu)成，兩根具有相同材料屬性、不同反射波長(zhǎng)的FBG粘貼在等強(qiáng)度梁兩側(cè)，可起到增敏和互為溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。將楔形鋼棒作為位移參考點(diǎn)固定于樁基礎(chǔ)或基床，將傳感器滑動(dòng)殼固定在路基面，其上端面的配重與路面壓實(shí)在同一水平線上。當(dāng)路基面沉降變形時(shí)，楔形棒與滑動(dòng)殼產(chǎn)生相對(duì)位移，位移量通過(guò)楔形棒轉(zhuǎn)換成懸臂梁的彈性形變，通過(guò)FBG波長(zhǎng)漂移差值可分析計(jì)算得到路基沉降變形量。

（2）邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。邊坡深部變形滑移是表征邊坡整體穩(wěn)定狀態(tài)和變形趨勢(shì)的關(guān)鍵信息，對(duì)了解邊坡變形機(jī)理并及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)邊坡變形災(zāi)害有著重要意義。研究人員[5]提出了將光纖傳感技術(shù)與鉆孔測(cè)斜管結(jié)合，通過(guò)測(cè)量管變形監(jiān)測(cè)邊坡深部位移。將光纖光柵復(fù)合于測(cè)斜管上植入邊坡內(nèi)部，邊坡深部變形滑移會(huì)導(dǎo)致埋入鉆孔的測(cè)斜管發(fā)生變形并引起光纖光柵反射波長(zhǎng)變化，基于此原理得到深部變形的位置和土體滑移量，如圖3（b）所示。

3 總結(jié)與展望

軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全舒適、運(yùn)費(fèi)低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，如何保證軌道交通設(shè)施運(yùn)營(yíng)安全可靠顯得尤為重要。本文分析了光纖光柵傳感技術(shù)的原理和特點(diǎn)，介紹了在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了不同結(jié)構(gòu)類型的FBG傳感器在軌道、路基、邊坡等方向的應(yīng)用案例。綜上所述，光纖光柵傳感技術(shù)能夠很好地滿足于軌道交通安全監(jiān)測(cè)的需求。

參考文獻(xiàn)：

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[4]宋志強(qiáng)，張復(fù)榮，趙林，等.光纖光柵傳感器在路基沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].山東科學(xué)，2011，24（5）：18-21.

[5]朱鴻鵠，殷建華，洪成雨，等.基于光纖傳感的邊坡工程監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].工程勘察，2010，38（3）：6-10.