光纖傳感器怎么測量軌道交通溫度和列車速度

列車在運(yùn)行過程中需要監(jiān)測轉(zhuǎn)向架上的電機(jī)溫度, 現(xiàn)在列車上大量使用的是鉑電阻式溫度傳感器, 這種傳感器在電機(jī)溫度的測量中可能出現(xiàn)因耐壓絕緣不夠而導(dǎo)致線路燒毀的問題;同時由于鉑電阻體積很小, 容易發(fā)生引線斷裂、短路的故障。

使用熒光光纖溫度傳感器可以很好地解決以上問題。一方面光纖傳感器沒有金屬元件, 絕緣性能良好;另一方面它只需要一根光纖就能進(jìn)行測量, 結(jié)構(gòu)上更為牢固可靠。同時, 熒光光纖傳感器成本較低, 測量電路結(jié)構(gòu)較為簡單, 十分適合于電機(jī)的溫度測量。

列車需要對車廂中的溫度進(jìn)行測量, 以達(dá)到防火監(jiān)控的目的。目前列車上主要使用煙霧報警器和紅外報警器來進(jìn)行防火監(jiān)控, 但這類系統(tǒng)存在兩個方面的問題:一是它們只能在火災(zāi)發(fā)展到明火階段后才能發(fā)現(xiàn), 無法將火災(zāi)消滅在隱患階段;二是它們的可靠性較差, 常發(fā)生誤報, 例如乘客在車上吸煙時就會觸發(fā)煙霧報警器。

目前有一種基于光纖拉曼散射的分布式光纖拉曼溫度傳感器, 它可以利用一根普通光纜對數(shù)公里范圍內(nèi)光纜周圍的環(huán)境溫度進(jìn)行測量, 測量精度達(dá)到±1℃, 它還可以對測量點的位置進(jìn)行精確定位, 精度可以達(dá)到1m以內(nèi)。利用該傳感器進(jìn)行消防監(jiān)控, 可以在溫度發(fā)生異常時就進(jìn)行報警, 將事故消滅在萌芽階段。該傳感器目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測、地鐵隧道消防監(jiān)控、電纜溝消防監(jiān)控, 在車廂防火監(jiān)控中也有著潛在的應(yīng)用前景。

現(xiàn)在列車上測量車輪速度的傳感器主要有三種:光電式、霍爾式和磁電式, 其中光電式傳感器是通過光電碼盤來測量轉(zhuǎn)速。這種傳感器有絕緣耐壓和電磁干擾兩個方面的問題:首先當(dāng)車輪與軌道之間導(dǎo)電不良時, 光電碼盤上會存在高電壓, 從而導(dǎo)致光電傳感器發(fā)生擊穿、燒毀的現(xiàn)象;其次光電速度傳感器的信號受到電磁干擾時會產(chǎn)生波動, 在停車或啟動期間會發(fā)生速度跳變問題。

光纖傳感器抗電磁干擾能力強(qiáng), 耐壓等級高, 耐溫等級也要高于普通電子元器件, 十分適合于機(jī)車輪軸轉(zhuǎn)速的測量。可考慮采用基于光纖碼盤的光纖傳感器, 將光電碼盤替換為光纖碼盤, 使測量電路遠(yuǎn)離測量現(xiàn)場, 可以極大地提高光電速度傳感器的耐壓等級和抗電磁干擾能力。

軌道裝備的智能診斷與維護(hù)檢修是軌道交通裝備智能化的重要方向。在軌道裝備的智能診斷中, 需要由各類高精度的傳感器來獲取鐵路運(yùn)行的大量實時信息, 這些信息匯總到鐵路指揮調(diào)度中心的專家系統(tǒng)里面, 進(jìn)行故障預(yù)警和故障診斷, 通過智能網(wǎng)絡(luò)支持列車的維護(hù)檢修。光纖光柵傳感器在列車健康狀況參數(shù)的實時監(jiān)測中具有很大優(yōu)勢, 因為它可以測量許多參數(shù), 同時也可以很方便地分布成網(wǎng), 對大量信息進(jìn)行實時監(jiān)測。

轉(zhuǎn)向架是列車的重要部件, 其健康狀況關(guān)系到列車運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性。國內(nèi)許多列車上都對轉(zhuǎn)向架的加速度、溫度等參數(shù)進(jìn)行測量, 以監(jiān)測其健康情況。然而傳統(tǒng)的電類傳感器在轉(zhuǎn)向架的健康監(jiān)測中存在諸多缺點, 如:轉(zhuǎn)向架上的電磁干擾環(huán)境較為惡劣, 電機(jī)啟動和停止時會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾;轉(zhuǎn)向架上有時會有高電壓存在;電類傳感器需要屏蔽, 體積較大, 難以安裝于剎車片等關(guān)鍵部位的表面。

光纖光柵傳感器非常適合于列車轉(zhuǎn)向架的健康監(jiān)測。2007年香港理工大學(xué)的有關(guān)學(xué)者與香港地鐵公司合作, 在地鐵列車上安裝了一套列車健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了300多個光纖光柵傳感器, 對列車上所有轉(zhuǎn)向架的加速度、電機(jī)繞組溫度、電機(jī)軸端溫度、剎車片溫度、剎車片的應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行了測量, 并根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行了故障預(yù)測, 很好地提高了列車運(yùn)行的安全性與維修的及時性。

列車上許多部件都是通過焊接組裝起來的, 這些焊點長期使用會因振動、腐蝕等原因而變得不可靠, 從而給鐵路行車安全帶來隱患。對一些關(guān)鍵焊點的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測可以提早發(fā)現(xiàn)焊點的可靠性問題。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片存在許多問題, 首先它的體積比較大, 將它布置在車上時它本身就有脫落的危險;其次它的耐腐蝕性能不好, 長期使用會因為水汽、生銹等原因而發(fā)生故障;此外它會受到電磁干擾的影響。使用光纖光柵傳感器就能解決這些問題, 并且光纖光柵對于應(yīng)變的靈敏度比電阻應(yīng)變片靈敏得多。應(yīng)用光纖光柵傳感器對車上一些關(guān)鍵焊點的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測, 提高了列車運(yùn)行的安全性。

光纖光柵傳感器還可裝在軌道上用于列車載荷的監(jiān)測。地鐵公司在地鐵軌道上安裝光纖光柵傳感器, 對鋼軌的應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測, 從而實現(xiàn)以下幾個目的:監(jiān)測輪軌的健康情況;監(jiān)測列車的載荷, 從而估算列車上的交通流量;監(jiān)測兩條鐵軌的載荷差別, 防止因載荷過于集中而造成輪軌損壞;監(jiān)控列車進(jìn)站情況, 防止列車相撞。特別是在列車進(jìn)站的監(jiān)測方面, 光纖光柵傳感器的可靠性比電磁式傳感器的可靠性要好, 可避免電磁式傳感器因受電磁干擾而產(chǎn)生虛報的現(xiàn)象。

我國是一個自然災(zāi)害多發(fā)的國家, 每年發(fā)生的地震、洪水、風(fēng)暴、滑坡、泥石流、冰雪等自然災(zāi)害給鐵路運(yùn)輸帶來了嚴(yán)重的損失。通過鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng), 可以提前對鐵路沿線災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測, 并對災(zāi)害發(fā)生后幫助指揮人員及時進(jìn)行響應(yīng), 將災(zāi)害的損失降到最低。光纖傳感器由于其優(yōu)異的測量性能, 在鐵路的自然災(zāi)害監(jiān)測中有著良好的應(yīng)用前景。

鐵路橋梁、隧道在使用過程中需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測, 一方面監(jiān)測其混凝土結(jié)構(gòu)的開裂情況, 可以提早采取措施防止危害進(jìn)一步擴(kuò)大, 另一方面可以測量橋梁結(jié)構(gòu)的振動情況, 防止因振動過大對橋梁結(jié)構(gòu)健康產(chǎn)生危害。

傳統(tǒng)的電類傳感器在鐵路建筑的健康監(jiān)測方面有許多缺點:信號傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn), 對信號線的屏蔽要求較高;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布線都比較復(fù)雜, 不同的參數(shù)需要用不同的處理單元;體積較大, 難以埋入到結(jié)構(gòu)中;在潮濕的環(huán)境下可靠性較差;在橋梁的健康監(jiān)測中還有因閃電擊壞傳感器的問題。

光纖光柵傳感器在鐵路建筑的健康監(jiān)測方面優(yōu)勢十分明顯:信號傳輸距離遠(yuǎn), 不需要考慮電磁屏蔽;只需要使用少量信號處理單元, 就可以把幾公里范圍內(nèi)的大量參數(shù)都采集到, 系統(tǒng)布線較為簡單;體積小, 可以很輕松的埋入到混凝土和鋼筋中;耐腐蝕性能好, 不怕閃電。

目前光纖光柵傳感器已經(jīng)應(yīng)用于鐵路橋梁隧道的健康監(jiān)測領(lǐng)域。它可以對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度、位移、土壓、滲壓等參數(shù)進(jìn)行測量。隨著光纖光柵傳感器性能的不斷提高, 它在鐵路建筑的健康監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒌玫皆絹碓綇V泛的應(yīng)用。

鐵路邊坡落石對鐵路行車安全危害很大, 并且由于落石體積較小, 周圍環(huán)境復(fù)雜, 比較難以發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)的邊坡落石解決辦法是依靠鐵路防護(hù)工人沿著鐵路巡邏, 靠肉眼檢查, 這種方式無法做到實時測量?，F(xiàn)在光纖光柵已經(jīng)被用來進(jìn)行軌道落石的監(jiān)測 。該傳感器利用落石對鐵軌的震動進(jìn)行測量, 可以判斷落石的大小和遠(yuǎn)近。在高危地段分段布置多個傳感器, 就可以及時發(fā)現(xiàn)軌道落石, 并及時排除。

泥石流對鐵路安全危害極大, 它可以沖垮橋梁、路基, 甚至可以淹沒或推翻列車, 造成人員傷亡。過去人們對于泥石流的監(jiān)測一直都沒有很好的方法, 而隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)在人們找到了兩種方法可以對危險坡段的泥石流進(jìn)行實施監(jiān)測。

一種方法是在山坡上布置光纖光柵位移傳感器網(wǎng)絡(luò), 當(dāng)山體發(fā)生滑坡時, 位移傳感器就會檢測到表層山體相對于里層山體之間的位移, 從而發(fā)出報警信號。由于光纖光柵傳感器可以很方便地進(jìn)行級聯(lián), 可以測量大面積山坡的泥石流發(fā)生情況;同時光纖光柵能夠在惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠的工作, 十分適合于泥石流的監(jiān)測。

另外一種方法是在山坡上布置基于布里淵散射的分布式光纖布里淵應(yīng)力傳感器, 如圖5所示。這種傳感器利用光纖中的背向布里淵散射進(jìn)行測量, 可以同時測量光纖沿線的溫度和應(yīng)力情況, 并且可以精確定位測量點的位置。將這種光纖固定山體上的錨桿中, 當(dāng)山體發(fā)生滑坡時, 碎石帶動錨桿移動, 從而拉扯光纖產(chǎn)生應(yīng)力。根據(jù)散射光的強(qiáng)度和返回時間, 即可知道山體滑坡發(fā)生的地點。該傳感器只需要使用普通光纖, 成本較為低廉, 同時其測量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖光柵傳感器, 可以達(dá)到幾公里甚至幾十公里。

軌道領(lǐng)域的輸電線結(jié)冰和軌道結(jié)冰會對鐵路行車安全產(chǎn)生危害。2008年初發(fā)生在我國南方的大范圍的冰雪災(zāi)害, 致使高壓輸電線被積冰拉斷, 導(dǎo)致京廣線停運(yùn)。2005年鄭州鐵路局發(fā)生大面積接觸網(wǎng)和軌道道岔接冰, 造成列車嚴(yán)重滯留。2010年武廣、滬寧高鐵也因冰雪災(zāi)害降速運(yùn)行。在北方, 嚴(yán)重結(jié)冰發(fā)生的概率更大, 每年都給鐵路交通運(yùn)輸造成很大損失。

分布式光纖布里淵應(yīng)力傳感器可用于輸電線的結(jié)冰監(jiān)測。其方法是, 將測量光纜與輸電線安裝在一起, 當(dāng)有結(jié)冰和積雪發(fā)生時, 會導(dǎo)致測量光纜被拉伸, 通過應(yīng)力測量即可知道輸電線纜是否有斷裂的危險, 并可準(zhǔn)確地知道事故發(fā)生地點的位置。這種傳感器體積小、質(zhì)量輕, 不會給輸電線帶來額外的負(fù)荷;抗電磁干擾能力強(qiáng), 可以傳輸很遠(yuǎn)的距離;同時它準(zhǔn)確判斷位置的能力也是電類傳感器無法做到的。

分布式光纖傳感器也可以用于軌道結(jié)冰的監(jiān)測。如圖6為公路路面結(jié)冰監(jiān)測用分布式光纖拉曼溫度傳感器, 它通過檢測路面溫度來判斷路面是否有結(jié)冰發(fā)生的危險。將這種傳感器布置在軌道上的關(guān)鍵位置上, 便可用于軌道道岔結(jié)冰的輔助判斷。

目前我國的軌道交通正向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。軌道系統(tǒng)智能控制與智能決策的前提就是信息量的及時、準(zhǔn)確獲取。研究光纖傳感器在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用, 不僅能夠提高信息獲取的可靠性與準(zhǔn)確性, 還能夠?qū)鹘y(tǒng)的測量領(lǐng)域進(jìn)行補(bǔ)充和延伸, 對于提升我國軌道交通裝備智能化以及交通系統(tǒng)智能化有著積極意義。