光纤光栅传感技术在轨道交通车辆的应用

刘争平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043)

光纤光栅传感技术在轨道交通车辆的应用

刘争平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043)

光纤光栅作为一种特种光纤，其敏感变化参量为光的波长;利用布喇格Bragg光栅波长对温度、应变等物理量的敏感特性，制成光栅传感器。在介绍国内外光纤光栅传感器生产厂商概况和光纤光栅传感技术基本原理的基础上，论述光纤光栅传感器的技术优势。列举分析光纤光栅传感技术在轨道交通车辆的若干应用实例，展望光纤光栅传感系统在轨道交通车辆上的应用前景。实践表明，随着光纤光栅传感技术的不断发展，传统的电测试系统逐渐被光纤光栅测试系统所取代。

城市轨道交通;车辆;光纤光栅;传感器

近年来，国内外不少公司和专家对轨道交通车辆安全技术的研究趋向于车辆故障之前的预防和报警，其中光纤布喇格光栅(fiber bragg grating，FBG)传感技术因其独特的优势在众多领域内得到广泛应用，并取得快速发展。FBG技术始于国外，在欧洲和北美已相当成熟;也有军工转向民用的，而大量的应用是在基础设施的健康安全监测上，如桥梁、土木工程结构、重要意义的建筑物等。尽管FBG传感技术目前在城市轨道车辆(地铁、轻轨、中低速磁浮列车)、飞机、铁路客车等移动设施动态监测项目的应用不及基础设施健康安全监测项目广泛，但它从列车运行安全角度来看是十分急需和必要的，而且具有相当大的市场需求前景。

1 国内外概况

国外具有代表性的拥有光纤光栅FBG传感技术的公司有3家:美国微米光学 MICRON OPTICS(简称MOI)公司、比利时福斯FOS＆S光纤传感系统公司、法国奥斯莫斯OSMOS光纤传感技术公司，见表1。

表1 国外光纤光栅传感技术代表性厂商

国内光纤光栅传感技术的研发相对落后于国外。国内FBG传感器厂商对其研究多数停留在实验室范围，需要的传感器件多数委外。近几年来，研究和制作传感专用的布喇格光栅有了重大突破。以武汉理工大学光纤传感技术研究中心所拥有的全国唯一的光纤传感技术重点工业性试验基地为例，它在国内率先建立了批量生产光纤光栅传感器的流水线，开发了七大类，包括电流、电压、振动、应力、位移、温度等在内的30余种光纤光栅传感器，年产量6万余只。FBG传感技术、FBG传感系统和传感器件已成功地应用于武汉地铁、武汉天兴洲公铁两用长江大桥、京广铁路纸坊车站等工程项目。

2 光纤光栅传感技术优势

2.1 基本原理

FBG传感器的基本原理是:当光栅周围的温度、应变、位移、加速度、倾角等待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生布喇格光栅信号的波长位移;通过监测布喇格波长位移变化，即可获取待测物理量的变化［1］，见图1。

图1 光纤光栅传感器的基本原理

图2 光纤光栅传感系统的基本原理

以光纤光栅计轴传感器进行轮轴健康状态监测为例:当运行列车车轮通过设在轨旁传感器的钢轨时，所产生的应变会引起光栅波长改变，经解调后得到动态应变曲线，统计其应变脉冲峰，即为对应的轮轴数。正常轮轴在通过钢轨上的光纤计轴传感器时，其应变曲线光滑、无毛刺;而安装松动的轮轴在压迫钢轨上产生的应变曲线会不圆滑，可以辨认出松动所产生的高频振动毛刺。对于扁疤、失圆等缺陷车轮，其钢轨应变曲线会有双峰，这对检测车轮缺陷有很大的意义［2］。光纤计轴传感器检测轮轴的缺陷见图3。

2.2 系统构成

图3 光纤计轴传感器检测轮轴的缺陷

光纤光栅传感系统是由传感用的光纤光栅、传感专用器材、光纤光栅传感信号解调装置、工控计算机、测控软件、数据库等组成，并与安全分析评估系统联网。针对不同监测对象而开发测控软件是系统的关键，因为不同监测仪器有不同的解算方法，相同监测仪器的运行模式不同，算法也不同。作为用于轨道交通车辆的光纤光栅传感实时监控系统，要求采集频率高、数据库容量大、重复稳定性能好，其系统构成见图4。

图4 光纤光栅传感系统构成

2.3 传感器件

光纤光栅是一种特种光纤，它的敏感变化参量为光的波长，利用Bragg光栅波长对温度、应变等物理量的敏感特性制成光栅传感器。FBG传感器就是一种刻写于250 μm直径光学纤维中、10 μm芯径里的一维光栅，轨道交通车辆常用的主要有温度、应变、加速度、倾斜力、载荷、振动、位移等光纤光栅传感器。光纤光栅传感信号解调装置性能以美国MOI公司的产品为例，所提供的60 nm超大带宽光栅解调仪的扫描频率达2 kHz，测量精度达 1 με(微应变)，具有超稳定的光性能［3］。

2.4 技术优势

近几十年以来，电传感器一直作为测量物理与机械现象的标准器件发挥着它的作用。作为测试设备无处不在，但它有着先天的缺陷，如信号传输过程中的损耗、容易受电磁辐射干扰、不能适应恶劣环境和气候条件等，而FBG传感器就是针对电传感器的缺陷而开发的一种新一代光纤传感器，有着很好的技术优势。

1)由于传感信号为波长调制，因而测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，具有测量精度高、扫描速度快等特点。例如，FBG应变传感器信号解调装置的测量精度可达1 με(微应变)，扫描频率达 2 kHz。

2)采用波分复用技术，在一根光纤中串联多个甚至数百个布喇格光栅进行大容量、实时和远程分布测量。与单个电传感器相比，极大地减小了整个测试系统的体积、质量以及复杂度［4］，而且传感距离可远达50 km之外。

3)光纤光栅传感器除了可贴在现有结构的表面外，还能很容易地埋入材料(如复合材料、混凝土等)中，对其内部的应变、温度进行高分辨率和大范围的实时测量，监测结构缺陷的形成与生长［5］。

4)作为无源器材，使用寿命长达20年。因光栅探头体积尺寸小(直径小于250 μm)，柔软纤细，特别适合狭小、复杂结构空间的测量。

5)光纤光栅具有传感、无电传输的特点，抗电磁辐射、抗腐蚀能力强，能适应恶劣环境和气候条件。

3 光纤光栅传感技术在轨道交通车辆上应用

下面列举光纤光栅传感技术在轨道交通车辆上的应用实例。

1)早在2007年，武汉理工大学光纤传感技术研究中心将光纤光栅传感技术应用于武汉轻轨1号线，动态检测车轮不圆顺，检测因车轮质量引起的钢轨应力改变，经数据处理后得到列车通过的轮轴数和轮轴状态。

2)香港理工大学与香港九广铁路公司合作，采用美国MOI公司的光纤光栅传感产品，重点监测路轨振动、车厢倾斜状态、转向架结构组件(牵引电机、轴承等)的温度变化，光纤光栅传感系统已被成功地安装应用在香港东铁线、西铁线、机场快线和轻铁线［6］。

3)法国阿尔斯通公司在开发新型材料的同时，将光纤光栅传感器埋入现代有轨电车和高速列车的转向架结构件中，用以监测新型复合材料的性能，取得了良好效果。

4)北京交通大学等单位基于光纤光栅传感技术，对中低速磁浮列车定位进行了研究。由于磁悬浮列车运行时列车悬浮在轨道上，车体与轨道分离，造成列车无法与布置在地面的光纤光栅传感器接触，也就无法感知传感器所受到的列车作用力。研究提出，将光纤光栅压力传感器布置在轨道梁接头的缝隙处，通过轨道的传递，使传感器来感知列车经过时产生的压力［7］。

5)轨道交通火灾的可能发生地点很多，集中在车辆、站台、设备区、地下隧道、高架及路面轨道等处。由于轨道交通环境的复杂性，对火灾探测的传感器要求较为苛刻。传统的火灾探测器(如电子类)，难于充分发挥作用和胜任使用，在轨道车辆运用中会对电子类传感器造成电磁干扰，使其不能正常工作;而高精度、高分辨率、抗电磁干扰的分布式光纤温度传感器，就非常适合在恶劣、潮湿的环境中使用［8］。

4 结语

综上所述，光纤光栅传感技术的应用面广泛，用于轨道车辆的技术成熟，发展前景宽广，FBG传感系统已成为轨道交通车辆领域的研究热点和应用推广项目［9-10］。

1)当今新型轨道交通工具不断涌现，而国产化光纤光栅传感器件有生产价格优势，这必将带来广阔的市场前景。

2)成百个光纤光栅传感器安设在轨道交通车辆的各个部位上，以采集关键部位的状态参数，为列车运行安全提供了可靠的保障。

3)光纤光栅传感技术特别适合应用在恶劣环境和气候条件下，可对轨道交通车辆进行长期动态监测。

4)随着光纤光栅传感技术的不断发展，传统的电测试系统将逐渐被光纤光栅测试系统所取代。

［1］张强，赵信洋，刘学毅，等.光纤光栅传感器在桥上无缝道岔模型试验中的应用［J］.铁道建筑，2010(12):94-96.

［2］武汉理工大学.双光路双区光纤异物侵限监测系统［R］.武汉，2009.

［3］美国 MOI光学公司.光纤光栅传感器及安装［M］.北京，2007.

［4］A new way to monitor using fibreoptics［EB/OL］.(2008-03-28).［2013-05-05］http//www.emeraldinsight.com/0260-2288.htm.

［5］张岩，康熊.光纤光栅传感器在铁路领域的研究与应用［J］.铁道机车车辆，2008，28(4):45-49.

［6］美国MOI光学公司，香港九广铁路公司.香港城市轨道通勤列车动态健康监测系统［G］.香港，2007.

［7］刘云，简水生，裴丽，等.基于光纤光栅传感的新型磁悬浮列车定位方法的研究［J］.铁道学报，2005，27(5):72-76.

［8］宋立新，韩红远.分布式光纤测温在地铁火灾预警系统中的应用［J］.都市快轨交通，2012，23(6).

［9］Monitoring engineering，osmos technology［EB/OL］.［2011-01-18］(2013--05-05).http://www.Osmos-Canad.com.

［10］Application of FBG giber optic sensing technology in rail traffic industry［EB/OL］.［2009-12-09］(2013-05-05).http://www.fos-s.com.

Fiber Bragg Grating(FBG)Sensing Technology Applied to Rail Transit Vehicles

Liu Zhengping
(China Railway Yiyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Xi＇an 710043)

Abstract:This paper elaborates advantages of FBG sensing technological on the basis of introducing FBG sensor manufacturers from home and abroad and the basic principles of FBG sensing technology.FBG is a kind of particular fiber optics，whose changeable parameter of sensitivity is equal to optical wave length.FBG sensors are made up of the sensitive property of their wavelength to physical parameters，such as temperature，strain etc.Several practical examples are given about the application of FBG sensing technology to rail transit vehicles.The prospect of adopting FBG sensing system for rail transit vehicles is highlighted.With the continuous development of FBG sensing technology，the traditional electrical testing methods will be replaced by it gradually.

Key words:urban rail transit;vehicles;fiber grating;sensor

U270.7

A

1672-6073(2013)06-0103-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.025

收稿日期:2013-05-29

2013-07-04

作者简介:刘争平，男，工程硕士，处长，高级工程师，专业方向为车辆工程，liucs292@163.com

(编辑:郭 洁)