光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通軌道占用檢查中應(yīng)用研究

陳立華，靖 林，趙 澤

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

目前軌道交通領(lǐng)域普遍采用軌道電路或計(jì)軸設(shè)備檢測(cè)列車(chē)占用情況，但上述設(shè)備需在軌旁設(shè)置大量電子設(shè)備，造價(jià)偏高且易遭受電磁干擾等外部環(huán)境影響。光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感技術(shù)，是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展最快的高科技檢測(cè)技術(shù)之一，利用光纖來(lái)感知和傳輸外界信息，具有抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離傳輸、易組網(wǎng)、高靈敏、高可靠等優(yōu)越性。為軌道交通領(lǐng)域軌道的占用檢查提供一種新可能。

2000 年北京交通大學(xué)的裴麗等人提出了一種FBG 壓力傳感器在列車(chē)實(shí)時(shí)追蹤中的應(yīng)用[1]。2008年北京交通大學(xué)的王燕花等人又提出了一種基于WDM 和TDM 串聯(lián)FBG 的高速列車(chē)定位系統(tǒng)[2]。上述文獻(xiàn)對(duì)FBG 傳感技術(shù)應(yīng)用于軌道占用檢查領(lǐng)域進(jìn)行了理論研究，但未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，缺乏工程化方案。

2009 年武漢理工大學(xué)潘建軍和汕頭大學(xué)的Chu-liang Wei 相繼提出了一種基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的列車(chē)計(jì)軸，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[3—4]。該研究采用光纖光柵傳感器取代傳統(tǒng)計(jì)軸設(shè)備，并取得了一定的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)式軌道占用檢查。

國(guó)外也有些利用光纖光柵傳感器測(cè)量列車(chē)速度、重量的相關(guān)研究[5—6]，但均未實(shí)現(xiàn)軌道占用檢查功能。

本文從軌道交通工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，提出一種基于FBG 傳感技術(shù)的軌道連續(xù)占用檢查方案，介紹現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)情況，并對(duì)工程化應(yīng)用前景進(jìn)行研究。

2 FBG應(yīng)變傳感原理

FBG 能夠很好地感知外界應(yīng)力應(yīng)變的變化，由FBG 模式耦合理論及相位匹配條件可推導(dǎo)出FBG 滿(mǎn)足公式（1）：

FBG 的中心波長(zhǎng)λB取決于光柵周期Λ 和有效折射率neff，當(dāng)FBG 受到軸向應(yīng)力時(shí)，介電常數(shù)與相對(duì)介電抗?jié)B張量有以下關(guān)系：

FBG 受均勻軸向應(yīng)力時(shí)，公式（1）可以進(jìn)一步改寫(xiě)為：

其中εz為縱向伸縮應(yīng)變，當(dāng)存在外界應(yīng)力時(shí)，相對(duì)介電抗?jié)B張量βij應(yīng)為應(yīng)力的函數(shù)，對(duì)βij進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并且刪除級(jí)數(shù)中的高次項(xiàng)，引入材料的彈光系數(shù)Pij，可得公式（6）：

結(jié)合公式（4），（6）可得公式（7）：

可以看出：FBG 波長(zhǎng)變化與其所受應(yīng)變有著良好的線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)待測(cè)物理量變化前后FBG反射光波長(zhǎng)的變化，即可推算待測(cè)物理量。

3 基于FBG傳感技術(shù)的軌道占用檢查方案

實(shí)現(xiàn)連續(xù)占用檢查，需減小FBG 傳感器間的距離，確保不會(huì)出現(xiàn)列車(chē)占用檢查的死區(qū)。為實(shí)現(xiàn)上述要求，需要較多的FBG 傳感器。因此本方案采用多根單纖的光纜，每根光纖中均刻錄了多個(gè)不同中心反射波長(zhǎng)的FBG 傳感器，各光纜的傳感器之間交錯(cuò)布置。如圖1 所示，不同光纜的FBG 傳感器監(jiān)測(cè)范圍不重疊，延長(zhǎng)了整個(gè)傳感傳輸裝置的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度。

圖1 傳感傳輸裝置中FBG傳感器分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of FBG sensor distribution in sensing transmission device

通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀監(jiān)測(cè)FBG 傳感器的應(yīng)變量，進(jìn)而判斷軌道區(qū)段占用情況。解調(diào)儀采用并行光譜同步探測(cè)技術(shù)，產(chǎn)生波長(zhǎng)連續(xù)變化的掃描窄帶光，經(jīng)多路光纖分路器陣列的輸出端同步發(fā)射到各個(gè)傳感器通道，再由多路光纖分路器陣列的接受端將各路光纖傳感通道原路反射回的光譜信號(hào)送到光電轉(zhuǎn)換陣列，最后由嵌入式多通道數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)對(duì)各個(gè)傳感通道的光譜信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和運(yùn)算。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案及環(huán)境

本次實(shí)驗(yàn)采用N16 平車(chē)作為試驗(yàn)用車(chē)輛，自重21.6 T 包含前組輪、后組輪共計(jì)4 個(gè)輪對(duì)，單輪承重約為2.5 T，其中前組輪軸間距為1.75 m，后組輪軸間距也為1.75 m，前、后組輪之間的軸距為7.55 m，如圖2 所示，采用人力推行的方式進(jìn)行單節(jié)車(chē)廂的模擬試驗(yàn)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境示意圖Fig.2 Schematic diagram of on-site test environment

試驗(yàn)線(xiàn)路鋼軌類(lèi)型為43 kg/m，軌枕間距約為0.6 m。共安裝66 個(gè)傳感器，安裝傳感器的實(shí)驗(yàn)區(qū)域長(zhǎng)度約為50 m。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

當(dāng)線(xiàn)路空閑時(shí)，將各FBG 傳感器的反射中心波長(zhǎng)置為零點(diǎn)，記為λ0。無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)域時(shí)，F(xiàn)BG傳感器實(shí)時(shí)的反射中心波長(zhǎng)在λ0上下0 ～3 pm 左右震蕩，峰值為5 pm。

實(shí)驗(yàn)車(chē)輛以5 km/h 的速度通過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)域，將FBG 傳感器的反射中心波長(zhǎng)偏離λ0的最大值記為λ1，并將此時(shí)λ0與λ1的差的絕對(duì)值記為Δλ。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 On-site test data nm

續(xù)表

將以上各傳感器感知有車(chē)、無(wú)車(chē)時(shí)的波長(zhǎng)變化值與傳感器安裝的實(shí)際物理位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)，繪制出的傳感器靈敏度曲線(xiàn)，如圖3 所示。

從本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，Δλ 的最大值為76 pm，最小值為10 p m，平均值為27 p m。Δ λ 的最小值要大于空閑狀態(tài)時(shí)反射中心波長(zhǎng)變化峰值，系統(tǒng)可以有效的區(qū)分軌道占用和軌道空閑狀態(tài)。

5 結(jié)論與展望

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明本文提出的基于FBG 傳感技術(shù)的軌道占用檢查方案具有可行性，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)式的占用檢查，并兼具抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，為鐵路軌道的占用檢查裝置的發(fā)展提供了一種新的方向。

由于單個(gè)光纖中可刻錄的FBG 傳感器數(shù)量一般為十幾個(gè)到幾十個(gè)，即使多根光纖復(fù)用，依然難以滿(mǎn)足長(zhǎng)距離的軌道占用檢查。目前，隨著弱光纖光柵的發(fā)展，通過(guò)時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)用相結(jié)合的方式[7]，已經(jīng)可以在單根光纖中刻錄上千個(gè)光柵，為基于光纖光柵傳感技術(shù)的軌道占用檢查方案提供了新的方向。

圖3 光柵傳感器靈敏度分布曲線(xiàn)Fig.3 Sensitivity distribution curve of grating sensor