基于FBG的钢轨温度力检测研究

王月太 姬文宝 康潇钰 张曦

摘 要：目前钢轨多数采用无缝钢轨，而环境温度的变化会使得钢轨的温度发生变化，钢轨温度变化产生的温度力，会使钢轨发生涨轨或断轨，会给列车运行造成严重威胁，所以钢轨的温度力检测是保证高速铁路运行安全的重要保障。本文针对钢轨应变、温度和温度力监测需求，提出来基于光纤光栅钢轨温度力检测方法，就该检测方法，提出合适的解调方法和复用技术，设计出基于FBG的钢轨温度力检测系统结构。

关键词：光纤光栅;钢轨温度力向力;钢轨应变

中图分类号：U211文献标识码：A

为了提高高速铁路的运行安全，高速铁路中轨道结构的安全是关键性环节。无缝线路和普通线路相比，在速度、噪音、钢轨和列车损耗上具有很大优势，因此在我国高速铁路上有广泛的应用。我国采用无缝线路是跨区间的，因此会在长达十公里的线路上的钢轨没有轨缝，不能自由伸缩，这样钢轨随着温度变化时，钢轨的结构或构件产生伸或缩，而当伸缩受到限制时，结构或构件内部产生应力，这种应力就是钢轨的温度力。它的纵向内应力无法得到释放，如果释放不了钢轨的内应力，当超过钢轨的自身承受力时就会发生断轨，这将会对铁路运行安全造成极大的威胁[1]。针对铁路无缝线路中钢轨温度力测量困难的问题，从无缝线路钢轨温度力测量模型出发，研究了基于光纤光栅的钢轨温度力测量方法，将钢轨轴向测量和竖向测量结合在一起，解决光纤光栅传感器自身温度补偿问题和无缝线路因温度变化而带来的应变测量困难问题。

1 光纤光栅传感基本原理

由上式可得到温度力引起的应变，再根据温度力与应变的线性关系即可得到温度力的大小。

3 光纤光栅传感系统的解调技术

获得测量参量需要进行解调，通过测量得到光纤光栅的波长变化量，再根据光纤光栅的传感原理，便可计算得到外界参量（温度和应变）的变化。

常用的分布式解调方法有：可调谐F-P（Fabry—Perot，法布里—珀罗）滤波器解调法、和线阵CCD（Charge-coupledDevice，图形控制器）探测法[4-5]。

可调谐F-P滤波法系统中的滤波器体积小、价格低，可调谐F-P滤波法光能利用率高、操作简单，而且波长变化对应与电信号，方便计算，实现准确测量。线阵CCD探测法的红外CCD的价格较为昂贵，这将大大增加系统的成本。因此，本系统采用可调谐F-P滤波器法对波长进行解调。

4 光纤光栅传感系统的复用技术

光纤光栅传感器的分布式测量是由复用技术来实现的。常用的复用技术有：波分复用、时分复用、空分复用。

波分复用技术将各个FBG传感器串联在一根光纤上，该复用方法无串音，并且信噪比高、光能利用率高，但该复用技术中的FBG传感器的波长不同，因此数量受光源带宽限制。

波分复用中各FBG传感器采用串联，通过不同的时间间隔来实现同一信道的傳输，因此FBG传感器的数量不受频带限制，但是由于FBG波长一样该技术信噪比低。

空分复用技术FBG传感器采用并联连接，通过光开关来实现复用，串扰小、信噪比高、样速率高，但该技术由于光开关选通光路，因此光能利用率低。

本系统需要对不同的传感器进行检测，所以，本系统的传感网络采用波分复用加空分复用的方式。

5 检测系统

本系统的实现主要应用到光纤光栅受力传感器和光纤光栅温度传感器，通过使拥有多个光纤布拉格光栅光路同时连接在一个传感器上，通过增加传感器连接数量，优化信息的传输。该系统将应变器对称地设置在被测钢轨轨腰两侧，两个应变计对称设置在被测钢轨轨底两侧上表面，通过钢轨受力检测，再经过系统流程检测，得到钢轨温度力受力分析情况。

当列车通过时传感器时，在温度受力检测点FBG选择性的反射特定的窄带光，钢轨扣件产生伸缩，结构产生内应力，通过光纤光栅传送到波长解调仪，然后通过光探测器进行光信号转电信号，再经过计算机处理显示达到对钢轨温度力参量进行辨识的目的。其次是温度传感器，使不同波长的传感器相互串联同时检测多个点的温度，两种传感器在配合下工作，达到检测的目的。系统的总体结构框图包括软件设备与硬件设备。硬件设备包括FBG、传输光纤、解调仪、终端盒、总控机等，如图2所示。

6 结语

随着高铁的发展，铁路运输的在运输行业的作用越加重要，铁路安全的要求也越来越高。光纤光栅传感器是新式的传感器，在其他行业已广泛使用。相信在不久的将来将会大范围地应用到铁路运输中，为提高铁路运输的安全提供有力的保障。

参考文献：

[1]广钟岩，高慧安.铁路无缝线路[M].北京：中国铁道出版社，2005：12-15.

[2]潘建军.光纤传感轨道监测的研究与应用[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3]张旭苹.全分布式光纤传感技术[M].北京：科学出版社，2013.

[4]周倩，宁提纲.纤光栅传感器信号解调方法的研究[J].光通信技术，2010，8：8-11.

[5]贾振安，葛朋，乔学光.分布式光纤光栅传感系统的波长检测技术[J].光通信技术，2008，3：32-35.

作者简介：王月太（1989—），女，甘肃兰州人，工学硕士，讲师，研究方向：交通信息工程及控制。