基于光纤光栅压力传感器的轨道区段占用检测方法研究

陈志颖

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

轨道电路是以铁路线路的钢轨为导体构成的电路，用于检测轨道区段是否有车辆占用，同时起到信息传输的通道作用。在轨道电路中，可利用接收端的轨道继电器的下落状态来判别轨道电路的分路情况。

可当轨道电路出现轨面生锈或积污、轮对锈蚀、轨道电路参数调整不当等问题时[1]，就会造成车辆轮对无法有效地对所送电流进行分路，轨道继电器不能可靠落下，从而失去检测轨道电路占用与否的功能。当发生轨道电路分路不良，轨道电路占用检测技术无法对电路的分路状态进行判断，导致信号显示和轨道电路码续升级[2]，造成联锁系统失效，为铁路的安全运营带来严重的隐患。

由于分路不良是依附于轨道电路存在，且无法避免的技术问题，怎样解决轨道电路分路不良时的轨道区段占用检测问题，成为保证铁路信号系统可靠性和安全性的关键。针对此类问题，有很多解决方案被提出，如3V化轨道电路、智能监控盒、高压脉冲轨道电路、计轴与轨道电路结合、钢轨涂镀、钢轨打磨、熔覆堆焊等[3-6]，但这些方案都存在一定的局限性，不能从根本上解决轨道电路分路不良时的列车占用检测问题。因此本文在现有的轨道占用检测技术的基础上，依据现场实际需要，结合轨道电路的工作原理和轨道动力学分析结果，设计轨道占用检测的系统结构；监测FBG的中心波长漂移量，统计列车进出轨道区段的轮对轴数，通过轴数比较，解决轨道电路分路不良时的轨道区段占用检测问题。

光纤光栅是一种光纤无源器件，依靠协调波长与温度变化和应力应变的对应关系，以及可以接入光纤系统等优势，被应用于制作传感单元[7，8]。光纤光栅传感器具有灵敏度高、抗腐蚀、抗电磁干扰、可分布式测量等优点，许多学者对此开展了大量的理论和实验研究[9-11]。目前，光纤光栅压力传感器已广泛用于各类工程建设[12-14]，利用提前预埋等技术手段，可对构件的应变状况以及应力进行实时监测。针对轨道电路占用检测的需求，发挥光纤光栅压力传感器的优势，分析轨道电路工作原理及列车进入轨道区段时钢轨受力所产生的弯矩变化情况，设计传感器在轨道电路占用状态的检测系统结构，利用光纤光栅传感器的中心波长漂移量变化实现列车进、出轨道区段的轴数统计，确定轨道区段的占用状态。并结合实验，证实FBG的中心波长漂移量和纵向应力的改变成正比的线性关系，即和钢轨受力形变所产生的弯矩变化成正比，利用FBG的应力特性，可以感知列车轮对作用于钢轨所产生的纵向应力，能够有效用于轨道区段的占用检测，解决轨道电路分路不良问题。

1 轨道电路

轨道电路具有列车定位、检查轨道区段占用情况、向机车传递控制信息等功能[15]。其主体结构如图1所示。

图1 轨道电路结构

轨道电路的工作原理[16]如下：当设备完好且轨道区段空闲时，且联锁调整正确，此时信号机满足开放条件，信号开放。当轨道电路被列车占用时，由于分路电阻(轮对电阻)小于轨道继电器线圈电阻，轮对对送电端的电流分路，此时流经轨道继电器的电流小于门限值，使其失磁落下，此时信号机点红灯。

当轨道电路的轨面导电不佳，造成列车占用轨道区段时，轨道继电器也无法可靠落下，导致联锁失效，这称为轨道电路分路不良。造成分路不良的原因复杂，既包含电路设备本身，又包含列车和铁路线路的运营环境[17]。因此需要通过可靠的技术手段，解决轨道电路分路不良时，仍可有效的判断轨道区段的占用状态。

2 基于光纤光栅压力传感器的轨道电路占用检测方法

为提高列车定位的准确性，解决轨道电路分路不良时，判断轨道区段的占用状态的问题，本文提出基于光纤光栅压力传感装置的轨道电路占用检测方法。

2.1 光纤光栅应力特性

光纤光栅纵向应变压力传感器主要基于光纤Bragg光栅纵向应变特性所设计，是一种将前向导波模式耦合到后向导波模式的光纤，相当于反射型带通滤波光纤器件，是目前最常见的一类光纤光栅压力传感器[18]。

光纤Bragg光栅可以分为啁啾光纤光栅和均匀光纤光栅，后者最为常用，选其作为研究对象。均匀光纤光栅的栅格是以周期neffΛ沿轴向均匀分布，且在径向各处的折射率neff均相等，Λ为光栅的空间周期。FBG的周期性的折射率微扰只会对一段很窄的光谱产生影响，当宽带光波信号在FBG中传播时，FBG仅仅会将一段特定波长的光波信号反射回来，而其他波段的光波继续沿光纤传输，不受影响，这成为谐振波长反射现象[19]。

将光栅反射的峰值波长λB称为FBG中心波长，则中心波长可表示为

λB=2neffΛ

(1)

式(1)表明，光波信号沿FBG的通道传播时，由于模式耦合作用的影响，满足式(1)的信号将被反射。式中neff是光纤纤芯的等效折射率，Λ是光栅周期，可以表示为

(2)

其中，λUV是紫外线光源的波长；θ是两束相干光束间的夹角。

当光纤光栅受到横向或纵向应力作用时，会对光纤Bragg光栅造成弹光效应和周期的伸缩，这些都会使FBG的中心波长发生变化。在实际使用中，将FBG的传感特性用微分方程来表示

(3)

式中，λB为FBG中心波长；ΔλB为FBG中心波长偏移量；Λ为光纤光栅周期；ΔΛ为光纤光栅的周期变化量；neff为等效折射率；Δneff为等效折射率变化量。

假设温度场及其他外界条件恒定不变，光纤光栅只受到纵向应力的作用，则由纵向应力所致的周期变化可表示为

(4)

其中，εz为纵向应力方向的应变张量。

沿纵向产生的光纤光栅折射率变化可表示为

(5)

式中，P11、P12为弹光系数；v为光纤纤芯的泊松比。

将式(4)、式(5)代入式(3)中并进行化简，可得由纵向应变引起的FBG中心波长相对位移量

(6)

式中，Pe为有效弹光系数。

2.2 光纤Bragg光栅压力传感器受力分析

在相邻两轨枕间，顺序分别在靠近两轨枕处安装4个光纤Bragg光栅压力传感器，如图2(a)所示。轨道的振动位移可反映是否有列车经过，当钢轨受到压力产生形变时，钢轨弯矩将会产生变化，从而引起FBG的中心波长漂移。因此通过对FBG中心波长的偏移量进行检测，则可达到检测轨道电路占用与否的目的。

在图2(a)中F表示钢轨所受压力，L表示相邻两轨枕间距离，x表示列车轮对距离轨枕的距离，1～4表示4个光纤Bragg光栅压力传感器，p为1，4传感器点离最近轨枕的距离，q为1、2传感器点之间和3、4传感器点之间的距离。

图2 钢轨受力测试示意

对钢轨的不同点进行施压，钢轨受力产生形变，导致每个点产生不同的弯矩变化，依据斯尼德桥原理[20]，定义1～4四个光纤Bragg光栅压力传感器所在点的弯矩M1～M4的弯矩变化函数为∑M=(M1-M2)-(M3-M4)，得到

(7)

分析得到该段钢轨的弯矩函数如图2(b)所示，在2、3之间测量时，纵向压力和弯矩函数成正比，由式(7)可知，FBG的中心波长漂移量和弯矩函数成正比。设这4个FBG点的中心波长漂移量分别是Δλ1～Δλ4，则FBG的中心波长漂移函数可表示为

Δλ=(Δλ1-Δλ2)-(Δλ3-Δλ4)

(8)

分析FBG的应力特性可知，FBG的中心波长漂移量和外力所产生的形变成正比，作用力的强度将直接影响FBG波长的漂移范围。

2.3 轨道电路占用的判断

经过上述分析可知，钢轨的形变过程与受力过程同步，当钢轨的形变恢复时，FBG的中心波长漂移立即恢复，因此利用中心波长的漂移量变化，可以准确又实时的判断列车经过情况。

选取一个闭塞分区进行研究，在该区段的入口和出口处，分别安装如图2(a)分布的两组光纤Bragg光栅压力传感器，根据监测中心波长的漂移量变化趋势，对列车进出该区段的轮对轴数进行计数，并对进口和出口所计轴数进行比较，从而判断轨道电路所处的状态。当进出的所计轴数相同时，则轨道区段处于占用状态；当所计轴数不同时，则轨道区段属于空闲状态。

所设计的轨道区段占用检测系统如图3所示，系统主要包含光纤Bragg光栅压力传感器、光纤Bragg光栅信号解调器、A/D信号采集器、微控制单元等。当列车的第一个轮对行驶入该区段，首先利用区段入口处的4个光纤Bragg光栅压力传感器进行感知，由于压力所致，FBG的中心波长漂移会随轨道的弯矩变化而变化。每一个轮对经过时，4个FBG传感器的中心波长就会由零开始逐渐上升，到一个点保持一段时间，再逐渐下降变为零。每当中心波长经过这样一次变化时，进行一次轮轴计数，即通过式(8)中Δλ的变化量对列车轴数进行统计。光纤Bragg光栅信号解调器是用于解调这8个FBG压力传感器反射回的反射光谱，将光信号转化为电信号。得到解调信号后，由A/D波长信号采集模块进行采集，经过微控制单元处理计算每个FBG的中心波长漂移量，通过漂移量的变化统计列车进出该区段的轴数，确定轨道区段的占用状态。

图3 轨道占用检测的系统结构示意

3 光纤光栅纵向应力特性实验与结果

为证实纵向应力与FBG中心漂移量的关系，从理论上分析光纤Bragg光栅的纵向应力特性能否应用于轨道区段的占用检测，本文将通过压力变化，对光纤光栅压力传感器的中心波长随纵向应力变化的情况进行实验。

实验选取紫外光照射经过氢敏处理的普通单模光纤所形成的光纤光栅压力传感器，该FBG传感器在正常无压力情况下的Bragg波长为1 549.653 nm，反射率大于85%，3DB带宽为0.369 nm。通过对该FBG传感器施压，逐步对其纵向应变量进行改变，可以获得光纤Bragg光栅压力传感器的中心波长随纵向应力改变量的变化关系，如图4所示。通过对该图进行分析，可以看出，FBG的中心波长漂移量和纵向应力的改变成正比，即和钢轨受力形变所产生的弯矩变化成正比。当平均发生0.5‰的应变改变时，会有0.538 nm的波长漂移。这种成正比的线性关系可以很好地应用于检测纵向应力改变。

图4 FBG中心波长随纵向应变量变化关系曲线

4 结论

针对轨道电路分路不良时，轨道电路占用检测技术无法对电路的分路状态进行判断的问题，提出一种基于光纤光栅压力传感器的轨道区段占用检测方法。通过分析轨道电路的工作原理和轨道动力学原理，并结合光纤光栅纵向应力特性的实验，可得出以下结论。

(1)通过设计轨道占用检测的系统结构，分析列车进入轨道区段时钢轨受力所产生的弯矩变化情况，利用分布在轨道区段进、出口两端的FBG压力传感器中心波长漂移量的检测，进行列车在轨道区段进、出口的轴数统计，此方法可有效确定轨道区段的占用状态。

(2)通过光纤Bragg光栅纵向应力特性实验，证实FBG的中心波长漂移量和纵向应力的改变成正比的线性关系，即和钢轨受力形变所产生的弯矩变化成正比。利用FBG的应力特性，可以感知列车轮对进入轨道区段时作用于钢轨所产生的纵向应力，证实本文提出的方法可解决轨道电路分路不良时轨道区段的占用检测问题。