光纖光柵傳感技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應用研究

崔鵬 徐成成

摘 要：軌道交通具有速度快、運量大、安全舒適、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，是我國交通運輸發(fā)展的必然選擇。因此針對軌道交通領(lǐng)域的安全監(jiān)測尤為重要。本文概述了光纖光柵傳感原理，分析了其技術(shù)優(yōu)勢，介紹了測量應力、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)中的應用情況，為軌道交通安全監(jiān)測的發(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

軌道交通具有運量大、速度快、運營安全、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點，日益成為我國交通運輸發(fā)展的必然選擇。隨著軌道交通運營的高速化、密集化，安全問題已成為了軌道交通建設和發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，建立可靠的軌道交通健康狀況實時監(jiān)測與預警技術(shù)是保證運輸安全的有效手段。

軌道交通現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境惡劣，電磁干擾強。傳統(tǒng)的機械和電學類監(jiān)測技術(shù)易受外界環(huán)境影響、長期穩(wěn)定性能較差，影響監(jiān)測結(jié)果的可靠性。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，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、波長編碼、復用能力強等諸多優(yōu)點，能夠很好地克服傳統(tǒng)監(jiān)測手段的缺陷。

光纖光柵傳感以光信號形式傳輸，本質(zhì)上不受電磁干擾;傳感器可以做到較小體積，可實現(xiàn)對軌道交通結(jié)構(gòu)無損情況下的布設;采用波長編碼，可實現(xiàn)準分布式監(jiān)測;同時具有精度高、可靠性高等優(yōu)點，可進行應力應變、位移、加速度、溫度等多種參量的監(jiān)測。將光纖光柵傳感技術(shù)應用到軌道交通領(lǐng)域，實現(xiàn)軌道交通基礎(chǔ)設施及運營安全監(jiān)測，具有很好的應用前景。

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源器件。光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating， FBG）是應用最廣泛的光纖光柵。FBG的光纖纖芯折射率沿軸向均勻，對光信號具有濾波作用。光柵的反射中心波長為[2]：

式中，λB為光柵的中心反射波長，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，而應變或溫度對其影響最為顯著。FBG傳感器便是通過直接或間接改變應變或溫度以改變FBG反射中心波長，從而得到被測參量信息。FBG傳感機理如圖1所示。

在實際情況下，F(xiàn)BG中心波長與溫度和應變的關(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為軸向應變，?T為溫度變化量。

2 光纖光柵在軌道交通領(lǐng)域的應用

2.1 光纖光柵傳感器對軌道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測

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

（2）道岔密貼狀態(tài)監(jiān)測。道岔是機車車輛從一股道轉(zhuǎn)入或越過另一股道所必不可少的線路設備。尖軌是道岔轉(zhuǎn)轍器的主要部分，通過扳動尖軌，可引道列車進入正線或側(cè)線，因此尖軌和基本軌必須保持良好的密貼狀態(tài)。通過FBG位移傳感器可實現(xiàn)尖軌與基本軌的密貼監(jiān)測[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。當尖軌向基本軌靠近時，如果尖軌與基本軌尚未達到密貼狀態(tài)，則擋板不會對彈性桿有力的作用;直到尖軌與基本軌密貼之后，彈性桿會受到壓力，粘貼在彈性桿上的FBG分別受拉和受壓，通過二者波長變化差值所對應的彈性桿微應變即可判斷道岔基本軌與尖軌的密貼情況。

2.2 光纖光柵傳感器對軌道交通路基和邊坡的變形監(jiān)測

（1）路基沉降變形監(jiān)測。軌道交通路基沉降變形表現(xiàn)為路基面相對于參考點的下沉位移。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度懸臂梁梁構(gòu)成，兩根具有相同材料屬性、不同反射波長的FBG粘貼在等強度梁兩側(cè)，可起到增敏和互為溫度補償?shù)淖饔谩⑿ㄐ武摪糇鳛槲灰茀⒖键c固定于樁基礎(chǔ)或基床，將傳感器滑動殼固定在路基面，其上端面的配重與路面壓實在同一水平線上。當路基面沉降變形時，楔形棒與滑動殼產(chǎn)生相對位移，位移量通過楔形棒轉(zhuǎn)換成懸臂梁的彈性形變，通過FBG波長漂移差值可分析計算得到路基沉降變形量。

（2）邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測。邊坡深部變形滑移是表征邊坡整體穩(wěn)定狀態(tài)和變形趨勢的關(guān)鍵信息，對了解邊坡變形機理并及時發(fā)現(xiàn)預報邊坡變形災害有著重要意義。研究人員[5]提出了將光纖傳感技術(shù)與鉆孔測斜管結(jié)合，通過測量管變形監(jiān)測邊坡深部位移。將光纖光柵復合于測斜管上植入邊坡內(nèi)部，邊坡深部變形滑移會導致埋入鉆孔的測斜管發(fā)生變形并引起光纖光柵反射波長變化，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

軌道交通具有運量大、速度快、安全舒適、運費低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，隨著我國軌道交通建設的不斷發(fā)展，如何保證軌道交通設施運營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，介紹了在軌道交通領(lǐng)域的應用現(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)測的需求。

參考文獻：

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[2]MOREY W W，MELTZ G，GLENN W H.Fiber Optic Bragg Grating Sensors[J].Proc Spie，1990，1169（96）：98-107.

[3]李維來，代鑫，程健，等.光纖光柵鐵路道岔密貼監(jiān)測裝置，CN102303626A[P].2012.

[4]宋志強，張復榮，趙林，等.光纖光柵傳感器在路基沉降監(jiān)測中的應用研究[J].山東科學，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)測技術(shù)[J].工程勘察，2010，38（3）：6-10.