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：目前鋼軌多數采用無縫鋼軌，而環境溫度的變化會使得鋼軌的溫度發生變化，鋼軌溫度變化產生的溫度力，會使鋼軌發生漲軌或斷軌，會給列車運行造成嚴重威脅，所以鋼軌的溫度力檢測是保證高速鐵路運行安全的重要保障。本文針對鋼軌應變、溫度和溫度力監測需求，提出來基于光纖光柵鋼軌溫度力檢測方法，就該檢測方法，提出合適的解調方法和復用技術，設計出基于FBG的鋼軌溫度力檢測系統結構。

關鍵詞：光纖光柵;鋼軌溫度力向力;鋼軌應變

中圖分類號：U211文獻標識碼：A

為了提高高速鐵路的運行安全，高速鐵路中軌道結構的安全是關鍵性環節。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勢，因此在我國高速鐵路上有廣泛的應用。我國采用無縫線路是跨區間的，因此會在長達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，鋼軌的結構或構件產生伸或縮，而當伸縮受到限制時，結構或構件內部產生應力，這種應力就是鋼軌的溫度力。它的縱向內應力無法得到釋放，如果釋放不了鋼軌的內應力，當超過鋼軌的自身承受力時就會發生斷軌，這將會對鐵路運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，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合在一起，解決光纖光柵傳感器自身溫度補償問題和無縫線路因溫度變化而帶來的應變測量困難問題。

1 光纖光柵傳感基本原理

由上式可得到溫度力引起的應變，再根據溫度力與應變的線性關系即可得到溫度力的大小。

3 光纖光柵傳感系統的解調技術

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

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

可調諧F-P濾波法系統中的濾波器體積小、價格低，可調諧F-P濾波法光能利用率高、操作簡單，而且波長變化對應與電信號，方便計算，實現準確測量。線陣CCD探測法的紅外CCD的價格較為昂貴，這將大大增加系統的成本。因此，本系統采用可調諧F-P濾波器法對波長進行解調。

4 光纖光柵傳感系統的復用技術

光纖光柵傳感器的分布式測量是由復用技術來實現的。常用的復用技術有：波分復用、時分復用、空分復用。

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

波分復用中各FBG傳感器采用串聯，通過不同的時間間隔來實現同一信道的傳輸，因此FBG傳感器的數量不受頻帶限制，但是由于FBG波長一樣該技術信噪比低。

空分復用技術FBG傳感器采用并聯連接，通過光開關來實現復用，串擾小、信噪比高、樣速率高，但該技術由于光開關選通光路，因此光能利用率低。

本系統需要對不同的傳感器進行檢測，所以，本系統的傳感網絡采用波分復用加空分復用的方式。

5 檢測系統

本系統的實現主要應用到光纖光柵受力傳感器和光纖光柵溫度傳感器，通過使擁有多個光纖布拉格光柵光路同時連接在一個傳感器上，通過增加傳感器連接數量，優化信息的傳輸。該系統將應變器對稱地設置在被測鋼軌軌腰兩側，兩個應變計對稱設置在被測鋼軌軌底兩側上表面，通過鋼軌受力檢測，再經過系統流程檢測，得到鋼軌溫度力受力分析情況。

當列車通過時傳感器時，在溫度受力檢測點FBG選擇性的反射特定的窄帶光，鋼軌扣件產生伸縮，結構產生內應力，通過光纖光柵傳送到波長解調儀，然后通過光探測器進行光信號轉電信號，再經過計算機處理顯示達到對鋼軌溫度力參量進行辨識的目的。其次是溫度傳感器，使不同波長的傳感器相互串聯同時檢測多個點的溫度，兩種傳感器在配合下工作，達到檢測的目的。系統的總體結構框圖包括軟件設備與硬件設備。硬件設備包括FBG、傳輸光纖、解調儀、終端盒、總控機等，如圖2所示。

6 結語

隨著高鐵的發展，鐵路運輸的在運輸行業的作用越加重要，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，在其他行業已廣泛使用。相信在不久的將來將會大范圍地應用到鐵路運輸中，為提高鐵路運輸的安全提供有力的保障。

參考文獻：

[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.光纖傳感軌道監測的研究與應用[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[3]張旭蘋.全分布式光纖傳感技術[M].北京：科學出版社，2013.

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

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

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