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光纤传感技术在铁路中的应用
光纤传感技术在铁路中应用的调研报告
随着我同经济的飞速发展，列车载重量和行车速度不断提高为保障行车安全和提高运输放率，监测行车状态的实时性、稳定性和准确性尤为主要、目前，对线路状况的监视国内外主要依靠人工和轨道车巡检。
光纤传感技术是当前传感器领城研究方向。
在光导纤维中传播时，光波的波长、强度、相位、偏振态等特征参量因受外界温度、应力、振动、位移、扭转等因素的作用，发生直接或间接的变化，可用于探测周固物理场[1]。
经过长期研究，光纤传感技术可对压力、温度、振动、形变、速度、加速度、位移、水位、距离等参数进行准确检测，具有信号带宽宽、抗电磁干扰、精度高、灵敏度高、使用寿命长、易于网络化等优点。
凭借一系列的优点和多参数监测的功能，光纤传感技术在铁路行业和其他监测领域应用前景广阔
1光纤传感技术在轨道状态监测中的应用
重载和高速列车的大量开行使轨道应力水平、分布状态和作用方式明显改变，提速后列车荷载引起的动应力导致病害产生，或使已有病害更加严重，影响行车安全。
因此，应对路基和轨道等设施的状态进行监测与及时预报。
1.1轨道温度、应力、涨曲监测
轨道或轨道板的温度变化反映了其受力情况，温度梯度场的存在导致钢轨出现微裂纹，热胀冷缩的变化导致钢轨固定结合部出现不必要受力，因此对轨道温度监测非常必要，基于拉曼散射（ROTDR）或布里渊散射原理的光纤分布式测温技术可用于铁路线路长距离、大范用的温度和应力在线监测。
分布式光纤温传感器能够连续测量克纤沿线各处温度，测量距离可为几公里，空间定位精度达到米级，监测轨道温度的同时可确定温度异常点位置，并不间断自动测量，特别适用于大范用多点测量和监测轨道温度的线路[2]。
西南交通大学张兆亭等人[3]阐述了光纤光栅传感器对载荷和温度应力的测量原理及应变产生原因，建立光纤光栅中心反射波长漂移量与载荷和温度应力产生的钢轨应变的数学模型。
使用光纤光栅传感器进行温度应力和动态载荷下的钢轨应变监测实验，如图1所示，并通过匹配光栅方法消除温度变化的干扰。
实验结果表明光纤光栅应变传感器适用于钢轨应变的监测需要，具有良好的工作性能。
将光纤粘贴于钢轨上，还可以检测钢轨的涨道弯曲，如图2所示，随着钢轨的弯曲，光纤收到拉应力，产生应变，导致其内部光信号传输发生变化，通过解调光信号变化，可获得钢轨涨曲情况[4]。
图2光纤传感检测钢轨涨曲
1.2轨道振动监测
列车载重的提高使轨道动态载荷不断增大、冲击振动加剧和钢轨结构损伤加剧。
波磨指钢轨表面纵向出现的周期性波浪状不平顺，是一种常见的钢轨磨损。
钢轨出现波磨，列车通过时引起走行部位附加垂直振动，列车的横向振动引起横向冲击力，直接关系到列车脱轨系数。
在列车上安装光纤加速度传感器，采集车体振动信号，监测钢轨波磨及由其引起的列车横向振动。
由于偏载、线路不平顺、断轨、三角坑等原因，长大编组的重载列车横向振动更为严重。
当振动超过阈值，列车处在危险运行状态。
采用光纤加速度传感器可获取列车横向振动信息实现对振动的监测。
光纤加速度传感器结构示意图见图3。
石家庄铁道大学杜彦良等人［5］提出了用光纤加速度计采集列车振动的加速度信号，通过二次积分而得到车体振动的位移信号，从而计算出波磨量的大小。
其方案是在高增益掺稀土光纤写入FBG形成DFB（分布反馈布拉格）激光器结构，在外界泵浦激光的作用下形成光纤激光器并产生稳定的窄线宽稳定输出；采用圆
形平膜片的结构封装加速度传感器实现对外界振动信号的感测；通过解调仪解调
和专用算法实现波磨和横向振动的识别与预警。
整个系统采用波分复用的方案。
总体方案如图2所示。
H.Y.Tam等人⑹将基于光纤光栅传感器的结构状态监测系统装在轨道上，监
测所有通过车辆的振动情况和轮轨接触面的响应情况，测量通过车辆的速度、质
量、加速度、倾角等参数，传感器布置如图5所示
图5光纤光栅传感器阵列测量通过车辆的温度、应变、倾角和加速度
1.3道岔监测
目前，道岔密贴监测是借助转辙机中的缺口检测装置。
缺口检测装置采用机械传动，只能检测开关量不能检测位移量，误报警时不能识别，道岔密贴检测光
纤位移传感系统提供了安全可靠的监测途径。
利用其镜面反射原理，将机械位移转换为反射体的移动，接收到的光功率随反射体移动变化而变化，通过测量光电转换电路的输出电压实现位移测量监测道岔是否密贴。
西安交通大学韦兆碧等人［7】设计研制了一种应用于铁路道轨密贴检测的光纤位移传感系统，如图6和图7所示，解决了传统的缺口检测装置只能检测到开关量不能检测具体位移量，有误报警不能立刻识别的缺点，为铁路系统道轨密贴检测提供了一种新的安全可靠的途径。
图6转辙机内部结构
图7光纤位移传感器的结构
除了密贴监测外，武汉理工大学黄小妹⑹还利用光纤布喇格光栅做了道岔的应变、温度、位移检测。
她利用ANSYS软件对钢轨的结构进行了力学分析，确定了光纤布喇格光栅应变片在钢轨上的安装位置，采用了光纤布喇格光栅应变片、温度片和位移片进行检测，并且介绍了光纤布喇格光栅应变传感器、温度传感器、位移传感器的制作方法；进行了现场测试，如图8所示，对光纤布喇格光栅传感器的现场监测结果进行了数据分析并且找出了钢轨应变、钢轨温度、钢轨与轨道
板的相对位移、轨道板与桥面的相对位移等的相互关系。
图8应变和温度传感器现场安装
中科院张文涛等人在公开号为CN102392395A的专利中公开了一种用于高速铁路道岔的具有自检测功能的心轨［9］，如图9所示，将光纤安装于异形轨，用于感知异形轨的变形和裂纹，其光纤布设于异形轨的尖部下方的沿异形轨纵向的凸台上；用安装于异形轨轨腰光纤磨耗传感器监测异形轨的磨耗情况，其原理是
用光纤光栅感知传感器内弓形结构的变形。
该发明，通过复合光纤解决了钢轨变
形和裂纹实时白动检测、信号长距离传输的问题，且工艺简单、施工方便。
10-异形轨，20-安装于凸台的光纤，30-弓形光纤光栅磨耗传感器，50-普通轨，60-轮缘
图9具有自检测功能的心轨断面示意图
2其他方面检测
2.1轮轨作用力检测
杭州电子科技大学的周雪芳［10］将光纤粘贴于钢轨上，用于检测钢轨的受力，如图10所示。
她基于轮轨力学的基本模型，结合光纤Bragg光栅（FBG）传感技术原理，构建品质稳定且可进行动态行为监测的无温度效应式FBG感测系统，并
在实际的钢轨上进行了试验研究。
研究结果表明：
FBG传感技术用于高速铁轨
的监测具有可行性，且光纤具有体积小、柔韧度高、重量轻等优点，可以简单地附挂在待测物体上，加上其高效能的信号传输和可抗电磁波干扰、耐高温、抗腐蚀等特性，使其应用到高速轨道的安全监测上成为可能。
图10钢轨某截面3只FBG应变传感器布置图
2.2轮轨缺陷检测
列车车轮的健康状况是另一个保证火车安全运行的重要因素，车轮不圆或者
倾斜都会成为安全隐患，但现在基本依靠人工查看车轮的机械性能。
S.L.HO等人［11］将光纤光栅传感器安装在轨道上监测车轮的缺陷，如果车轮存在缺陷，如轮缘凹陷、车轮擦伤、车轮不圆，这些缺陷会对轨道产生周期性的冲击力。
由试验结果推导出的振动指标，可以有效的判断车轮的不圆整性。
此外，光纤光栅传感器还可以安装在钢轨的两侧，用来监测车轮的不平衡性，以免由于
两侧轮载相差过大导致列车脱轨。
D.RAnderson将多模光纤安装在轨道上检测扁平轮轨。
分散的相干光束会在光纤末端产生一个特征斑点，扁平轮轨在钢轨上运动时产生的有规律的冲击振动会引起多模光纤斑点的变化，可通过检测其变化频率与能量来判别轮轨的伤损程度［12］o
ChuliangWei等人［13,14］研发了一套利用光纤光栅技术的实时车轮健康监测系统，该系统通过光纤光栅监测轮轨相互作用时的轨道应力，通过轨道应力来演算
出直接反应车轮状况的条件指标。
通过300天的现场试验，结果证明该系统能有效的反应车轮的伤损状况。
为了证明该系统的可靠性，采用两参数威布尔分布模型对9个车轮的条件指标进行了分析，结果证明了该系统的可靠性。
但是在有砟轨道上，由于不均匀沉降等因素一起的轨道不平顺会加剧轨道的振动，影响钢轨
的应力，最终影响该系统的测试结果。
姜德生等人在专利（CN201951493U）［15］“光纤光栅传感列车车轮踏面在线监测装置”中设计了一种由光纤光栅敏感元件和弹性体元件组成的检测列车车
轮踏面装置。
所述的弹性元件是一块置于钢轨底部的不锈钢板，它被两对夹块卡在钢轨上，每对夹块通过一根螺栓连接并利用螺栓的预紧力使弹性元件和钢轨密贴，光纤光栅敏感元件被粘结剂固化于不锈钢板表面，两端光纤从保护管中引出，如图11所示。
在一段监测区域的每两根枕木之间的钢轨上都安装上本实用新型中的光纤光栅传感装置，组成一个传感器阵列。
当列车车轮通过该监测区域时，由于轮轨之间形成稠合作用，利用传感阵列就可以连续地监测整个踏面的状况。
1-螺母，2-夹块，3-弹性元件，4-钢轨，5-螺栓，图11光纤光栅检测装置结构示意图
2.3扣件健康状况的检测
DianFan等人设计了如图12的实验。
实验中光纤应变传感器被贴在铁轨低部受力产生应变最大的位置，一般选择在两枕木之间，传感器可以测得该段铁轨在车辆经过时产生的应变。
传感器A选择安装在道钉安装稳固的区段中部位置，传感器C选在可能出现安全隐患的区段端部安装，该位置铁轨和枕木结合较松。
如图13所示是某机车依次通过A、C两传感器时产生的应变曲线，机车先通过传感器A其产生的曲线清晰平滑，传感器C产生的曲线上随着机车的前进明显叠加了许多异常的应变冲击，这是由于C位置轨道不稳固易受邻近轨段影响产
生应变。
通过比较不同测量点的曲线，或同一测量点不同时间段的曲线可判断铁轨该时刻的健康状况［16］。
图12试验系统结构图
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图13健康段与缺陷段应变图
2.4路基沉降监测
路基沉降是影响行车安全的重要因素。
影响路基沉阵的因素包括水浸、冰冻、土质等自然因素，列车荷载作用、路基原始设计、施工方法等因素，以及自然沉降时间是否充足、人为破坏等因素。
目前，路基沉降监测方法主要有沉降板法、沉降水杯法、铁环分层沉降仪法和剖面沉降仪法，主要依靠人工观测，检测速度
慢、测量时间长和不直观，并且只能在天窗时间作业。
山东省科学院激光研究所宋志强等人［17］在内蒙古某在建铁路段开展了光纤传感路基沉降监测现场试验。
其方案是，将基于光纤布拉格光栅（FBG）位移传感
器通过沉降板同定在路基的长螺旋钻孔灌注桩（CFG）上，垂直安装，其上端面的水泥保护配重与路面压实在同一水平线上。
当路基面沉降时，FBG位移传感器
即可检测到沉降量。
采用波分复用技术可对路基沉降进行多点准分布式监视，对
不同路段的路基沉降量、沉降速度和整段线路的沉阵不均匀性进行分析。
FBG
位移传感器安装示意图见图14。
图14FBG位移传感器安装示意图
三峡大学陈光富等人［18］采用分布式布里渊光纤传感技术检测铁路路基沉降，他们采用BOTDR技术，探讨了该技术的基本原理，阐述了该技术实际应用中光缆的选型、参数率定、铺设及注意事项，并对该技术的应用前景进行了展望，可
为铁路建设提供重要的技术支持。
赵栋等人在公开号为CN102418334A专利中公开了一种路基沉降远程白动监测系统及其监测方法［19］。
如图15所示，该系统中，利用安装在圆筒状外壳内的光分路器、光纤位移编码装置和传动装置进行检测，外壳和传动装置将路基沉降的位移量转换为沿光纤传输的光学编码，并由传输光缆远程传输至监测终端，在监测终端中进行光电转换、分析处理、存储、显示、报警等操作，最终实现对路基沉降的实时、远程、自动监测，其适用于地形复杂、自然环境恶劣的路基沉降监测领域。
图15沉降检测系统系统结构图
2.5综合检测
M.L.Filograno等人［20］用布拉格光纤光栅（FGB）监测列车的各种参量，并在西班牙的马德里-巴塞罗那高铁上进行了现场试验。
他们选择了六个连续区域，总共安装了22个光纤光栅，其位置如图16所示，进行了一年的测量。
该试验中，通过不同位置的光纤光栅检测不同的物理量来实现对车轴计数、车型、车速、加
速度、动荷载、车轮缺陷的检测。
测试结果表明，在相同条件下，轮轨的相互作用与记录的信号相对应，钢轨的变形反映了列车的轮轨健康程度。
图16光纤光栅在钢轨上的分布图
黑龙江大学刘盛春等人在公开号为CNI01830237A的发明专利中，公开了一种基于光纤传感网络的重载运输线路安全实时监测系统和方法[21]。
该系统中，
利用光纤光栅应变传感器、加速度传感器、以及温度传感器对钢轨和铁路桥梁结构进行检测，可被用于判断钢轨无焊缝处的断裂情况、钢轨和车轮的情况以及铁路桥梁的结构安全状态。
具体方案是将具有不同反射波长的n个钢轨光纤光栅
应变传感器、i个钢轨光纤光栅应变和加速度组合传感器、m个桥梁光纤光栅应变和温度组合传感器用传输光纤串连在一起组成监测区域，宽带光源发出的光经过耦合器入射到监测区域，当重载列车通过监测区域的钢轨时，轮轨之间的运行状态将引起光纤光栅反射波长的变化，计算机依据反射波长的变化情况，判断钢轨无缝焊接处的断裂情况、列车车轮及钢轨、路基的伤病情况、由温度导致的钢轨热胀冷缩产生的内部应变情况和桥梁的结构安全状态。
3结论
光纤传感技术经过20多年的发展，解决了许多实际应用中的问题。
其优越性越来越明显：
首先光信号传输不仅损耗小能远距离传输，而且当车辆在轨道上运行时，光纤不会受到周围的电磁干扰。
其次由于光纤质量轻巧，相对弯曲度好，柔韧性高，故很适合铺设传感网络。
再者，光纤传感技术能实现实时、自动监测。
最后，光纤的成本低廉和容易操作性为以后的维护工作奠定了一定的基础。
因此
近年来光纤传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器，在铁路安全监测方面的应用研究已越来越引起人们的重视，而且，凭借自身优点和多参数监测能力，在铁路行业监测领域应用前景广阔。
但是，光纤传感器在其今后的发展中，还有许多实际工程应用方面的问题急需解决，以实现光纤传感器的市场化应用。
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