基于分布式FBG 的钢轨动静态载荷监测研究*

张先辉，史 璐，刘苏州，毛超群，梁大开

(南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京210016)

0 引 言

随着近年来高速动车组的大量运营，人们对铁道在轨设备的安全可靠运行提出了更高的要求［1］。钢轨作为铁道安全运行中的重要一环，在服役和维护过程中会不可避免地受到各种形式高强度的动/静态载荷，而钢轨在长期受到这种动/静态载荷作用下则会导致结构的损伤和结构承载性能的下降［2，3］。这些损伤的产生机理和发生方式复杂和隐蔽，损坏的类型和程度难以判断，对钢轨结构的可靠性和安全性影响巨大，如果不及时发现并采取相应的措施，将导致钢轨结构破坏的积累，造成巨大的人员伤亡和财产损失。

光纤Bragg 光栅(FBG)传感器以其体积小、抗电磁干扰、高可靠性、耐腐蚀和易于构建分布式测量网络等优点大量应用于钢轨结构损伤监测领域［4～6］。国内外学者已开展了许多关于FBG 传感器及其在铁道领域损伤监测方面的研究工作。Tam H Y 等人［7］构建了基于FBG 传感器的车体结构状态监测系统，实现了对车体振动、温度和应力的在线监测。HoSL等人［8］将FBG 传感器应用于火车车轮损伤监测，研究发现车轮缺陷会对轨道产生周期性的冲击力，以此可以实现对车轮损伤的监测。以上研究主要侧重于列车车体损伤监测的研究，而未开展专门针对FBG 传感器在钢轨载荷监测方面的研究工作。

本文提出了一种基于FBG 传感器的钢轨在动/静态载荷监测系统，从而为将FBG 应用于钢轨损伤监测与传感器优化布局提供可靠依据。

1 FBG 传感器感知原理

在光纤纤芯传播的光将在每个光栅面处发生散射，如果不满足Bragg 条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐变得不同直到最后相互抵消，因此，当光栅周围环境的应力、应变、温度或其他待测物理量发生变化时，将会导致光栅周期和有效折射率的变化，这种变化将会引起FBG传感器中心波长的漂移，通过对FBG 传感器中心波长变化的监测，即可获得待测物理量(应变、温度)的变化情况［9］。FBG 传播模式，如图1 所示。

图1 FBG 传感原理Fig 1 Sensing principle of FBG

2 实验系统

静态载荷作用下钢轨结构FBG 传感器响应特性试验系统如图2 所示。试验对象为一段钢轨试件，其轨长为1 200 cm，底宽为11.6 cm，头部宽为7.2 cm，腰宽为2.2 cm。

图2 钢轨静载响应特性光纤监测系统Fig 2 Optical fiber monitoring system of response characteristics of rail static load

如图3 所示，在钢轨正面腰部的轨长中轴线与轨高中轴线的交汇点处水平布设传感器FBG1，沿轨长中轴线左右相距20 cm 水平地布设传感器FBG2，FBG3，将这3 支FBG传感器串接为第一路接入FBG 解调仪。同理，在钢轨另一面腰部同样位置纵向布设传感器FBG4，FBG5，FBG6，将这3 支FBG 传感器串接为第二路接入FBG 解调仪。

静载条件下钢轨响应信号由粘贴于试件腰部的FBG传感器感知，所得的反射光谱中心波长偏移信息再由FBG解调仪负责采集与调制。试验中分别采用千斤顶模拟列车车轮载荷等典型受载工况。

图3 钢轨静载监测系统FBG 传感器布局Fig 3 FBG sensor layout of static load monitoring system of rail

动态载荷作用下钢轨结构FBG 传感器应变实时响应特性试验系统如图4 所示。钢轨的动态载荷一般来自于列车车轮的滚动载荷，试验研究中采用车辙仪来回滚压模拟列车车轮滚动压载钢轨的典型实际工况。试验中控制轮胎巡回滚动速度，模拟轮对载荷为3 tf，车辙仪系统自带压力传感器、加速度传感器，可以实时反馈至控制系统。

图4 钢轨动载响应特性光纤监测系统Fig 4 Optical fiber monitoring system of response characteristics of rail dynamic load

试验对象为一块金属钢条，其几何尺寸为39.5 cm×5 cm×0.7 cm，将其沿长度方向平均分为三等份。在试件背面L/3，2L/3 处沿中轴线水平布设第一路FBG 传感器。在试件的侧面L/3，2L/3 处沿中轴线水平布设第二路FBG 传感器，如图5 所示。

图5 钢轨动载监测系统FBG 传感器布局Fig 5 FBG sensor layout of rail dynamic load monitoring system

3 试验结果与讨论

3.1 静载作用下钢轨应变监测结果分析

为考察FBG 传感器在钢轨结构中对载荷F 大小变化的敏感特性，在钢轨表面布设6 支FBG 传感器分两路接入FBG 解调仪，构成分布式FBG 传感器网络，通过千斤顶单点连续加载，得到各传感器中心波长与加载载荷F 对应变化曲线，如图6 所示。

图6 显示对于钢轨腰部正反两面两路FBG 传感器中心波长均随着加载载荷F 的增大而呈良好线性递减趋势。这表明FBG 传感器能够很好地实现对钢轨静载应变的监测。各传感器灵敏度K 约为:KFBG1=－0.33 pm/MPa，KFBG4=－0.30 pm/MPa，KFBG2=－0.19 pm/MPa，KFBG5=－0.14 pm/MPa，KFBG3=－0.18 pm/MPa，KFBG6=－0.13 pm/MPa。

图6 传感器中心波长与加载载荷对应关系Fig 6 Corresponding relation between FBG center wavelength and load

针对钢轨腰部正反两面两路FBG 传感器进行分析发现，在加载载荷位置正下方处传感器FBG1，FBG4 中心波长偏移量变化最大，而传感器FBG1 左右两侧各20 cm 处的FBG2，FBG3，以 及FBG4 左 右 两 侧 各20 cm 处 的FBG5，FBG6 中心波长偏移量变化较小。在距离相同的情况下，各传感器灵敏度关系为:KFBG2≈KFBG3，KFBG5≈KFBG6。这表明在钢轨静载监测系统中FBG 传感器具有良好的距离敏感特性，FBG 传感器距离加载载荷位置越近，则灵敏度越高。

对比研究沿钢轨长轴水平方向布设的FBG 传感器和垂直于钢轨长轴布设的FBG 传感器两路FBG 传感器还可以发现，各个传感器灵敏度关系为:KFBG1＞KFBG4，KFBG2＞KFBG5，这表明在钢轨静载监测系统中FBG 传感器具有良好的方向敏感特性，垂直于光纤轴向上的应变响应灵敏度要比平行于光纤轴向方向更高。

3.2 动载作用下钢轨载荷监测结果分析

为研究钢轨在受动态连续载荷作用时FBG 传感器应变敏感特性，在试件表面布设4 支FBG 传感器分成两路接入FBG 解调仪，FBG 解调仪采样频率为250 Hz。通过车辙仪连续循环加载，加载载荷45 kgf，恒温32 ℃状态下FBG 传感网络所监测到的钢轨动态响应信号，其中各传感器中心波长偏移量变化曲线如图7 所示。

由图7 可得，各传感器所监测到的FBG 传感器中心波长偏移量关系为:ΔλFBG7≈ΔλFBG8＞ΔλFBG9≈ΔλFBG10。这是由于FBG7，FBG8 粘贴于钢轨底面，FBG9，FBG10 粘贴于钢轨侧面。根据弯曲理论可知，底面变形量要大于中性面的变形量，实验与理论一致。试验表明:通过FBG 传感器网络的合理布局，FBG 传感器能够实现对动载作用下钢轨载荷的有效监测。

FBG 传感器在监测载荷变化之外，也能对监测环境温度变化进行监测。如图8 所示为车辙仪施加循环载荷15 kgf，初始温度为32 ℃，并长时间运行状态下FBG 传感网络监测到的钢轨动态响应信号的实时过程。

图7 恒温循环载荷下传感器中心波长变化曲线Fig 7 Curve of FBG center wavelength change under isothermal and cyclic loading conditions

图8 升温循环载荷下传感器中心波长变化曲线Fig 8 Curve of FBG center wavelength change under heating cyclic loading condition

将响应信号局部放大可以发现，响应信号随动态载荷呈现周期性等幅度振荡，这是由于车辙仪施加在试件上的循环载荷引起的应变变化所致。而响应信号的总体过程呈现出线性增长的趋势，则是由于长时间车辙仪滚轮和轨道试件的摩擦所导致的钢轨局部温度变化引起。因此，响应信号整体所呈现出来的递增现象为钢轨温度变化过程所致，而响应信号局部的周期性变化过程则表征了钢轨所受循环载荷作用下的应变响应历程。以上分析表明:FBG 传感网络能够实现对钢轨在动态载荷作用下的应变和温度有效监测。

4 结 论

1)FBG 传感器中心波长偏移量随静态加载载荷增大而呈线性减小趋势。距离加载点越近，传感器中心波长偏移量越大。对比两路FBG 传感器可以发现，在垂直于光纤轴向上的应变响应灵敏度要比平行于光纤轴向方向更高，表明FBG 传感器呈现良好的应变—方向敏感特性，这为钢轨应变监测中FBG 的优化布局提供可靠依据。

2)动态载荷作用下FBG 传感网络能够能够实现对循环载荷作用下的实时应变和温度监测。

［1］ 王燕花，简水生，任文华，等.基于WDM 和TDM 的串联FBG高速列车定位系统［J］.光电子·激光，2008，19(8):1084－1087.

［2］ 张 岩，康 熊.光纤光栅传感器在铁路领域中的研究与运用［J］.铁道机车车辆，2008，28(4):45－49.

［3］ 张兆亭，闫连山，王 平，等.基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究［J］.铁道学报，2012，34(5):65－69.

［4］ 姜德生，何 伟.光纤光栅传感器的应用概括［J］.光电子·激光，2006，13(4):420－430.

［5］ 张晓丽，梁大开，芦吉云，等.高可靠性光纤布拉格光栅传感器网络设计［J］.中国激光，2014，41(3):0305006.

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［7］ Tam H Y，Lee T，Ho S L，et al.Utilization of fiber-optic Bragg grating sensing systems for health monitoring in railway applications［D］.Hong Kong:The Hong Kong Polytechnic University，2007.

［8］ Ho S L，Leo K K，Lee K Y，et al.A comprehensive condition monitoring of modem railway［C］∥The Institution of Engineering and Technology International Conference on Railway Condition Monitoring，Birmingham，2006.

［9］ 饶云江，王义平，朱 涛.光纤光栅原理及应用［M］.北京:科学出版社，2006.