光纤传感器在铁路的应用探索

　　摘要：本文概述了光纤传感原理,介绍了目前光纤传感器的研究成果及在国内外铁路领域中的研究与应用情况,为当前的工程测量及对隧道桥梁的维护提供了一种新的解决办法。并分析了光纤光栅测试技术在铁路领域的潜在应用及发展前景。
　　关键词：光纤传感器;隧道;桥梁;实时监测
　　光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。
　　作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。
　　光纤传感器采用波长调制方式,通过探测信号波长的漂移量来测量被测参数的变化。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,不受电磁干扰,寿命长,尺寸小,安装方便,耐腐蚀,可实现实时和分布式测量,复用能力强,多只传感器可以串接在一根光纤上,测试精度高、重复稳定性好、远程信号传输性能优越,可埋入复合材料或结构中来实现光纤智能材料和结构内部应变分布的实时监测。
　　光纤传感技术一问世就收到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用（例：电力、石油、石化、土木、隧道、航空、生物、医学等），成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。形象的说，光纤传感器产品就是一把可以测量温度、应变、应力、位移、压力等各种物理量的，可以耐受恶劣环境。不受强电磁干扰的“多功能光尺”。
　　一、光纤传感技术的理论基础
　　光纤光栅是利用光学材料的光敏性：即外界入射光与纤芯相互作用而引起后者折射率永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间光栅，其实质是在纤芯内形成的一个窄带滤光器或反光镜。
　　当光栅周围的温度、应变、应力或其他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,从而产生光栅Bragg信号的波长位移,通过监测Bragg波长位移情况,即可获得待测物理量的变化情况。
　　根据耦合模理论,当一宽谱光源光入射进入光纤后,由于光纤光栅的波长选择性作用,满足布拉格波长条件的光被反射沿原路返回,其余所有波长的光都无损失地透射。反射的中心波长,即Bragg波长为：
　　λB=2neffΛ(1)
　　式中neff为光纤纤芯有效折射率;Λ为光栅的栅距(每个写入光栅之间的距离,也称光栅周期)。该式表明反射的中心波长信号λB与光栅周期Λ和纤芯的有效折射率有关,当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光中心波长的变化。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为
　　ΔλB/λB=(αf+ξ)ΔT+(1-Pe)Δε(2)
　　式中αf为光纤的热膨胀系数,αf=(1/Λ)x(dΛ/dT);ξ为光纤材料的热光系数,ξ=（1/n）x（dn/dT）;Pe为光纤材料的弹光系数,Pe=（-1/nd）x（nd/dε）;ΔT为温度变化量;Δε为应变变化量。因此,通过波长位移测量即可获得应变和温度的变化数据。
　　二、光纤传感的技术优势
　　光纤传输，可靠性高；传输距离远；体积小，安装简便；使用寿命长；测试终端无需供电；全光测量，抗电磁干扰；可用于恶劣环境，不对被测设备造成二次影响。
　　三、光纤传感在隧道安全监测中的应用
　　隧道是铁路、公路、城市地铁等交通工程项目建设的关键部分,隧道安全监测主要包括其结构安全的监测和火灾安全监测两方面。
　　在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。根据温度的变化情况对隧道火情进行判断是最有效的监测手段。由于要求对隧道沿线的温度进行准确的定量、定位,一些传统的测温技术已经远远不能满足工程的需要。我国率先将光纤光栅传感技术引入隧道火灾报警领域,并成功在沪蓉西高速公路的数座隧道中应用。
　　常见的隧道监控系统解决方案：
　　在通信与电力设备附近安装光纤温度传感器，与基于视频监控的火焰、烟雾探测形成技术互补，提高火灾探测的准确度；
　　在隧道内轨旁，按照铁轨接头长度距离安装激光位移测量设备，对轨距进行准确在线监测；
　　在视频监测点位置安装光纤振动传感器，对隧道内部火车行驶、人员行走及异常落物产生的振动信号进行实时捕捉跟踪，触发监控系统的相应工作模式；也可用于在线监测铁轨的振动响应。
　　隧道监控系统可为隧道的安全管理提供智能化手段，从而达到保障列车的安全进出、自动检测、防止入侵等目的，可集成接触网监测管理系统及隧道通风、照明、供水等控制系统，提高隧道整体监控与管理水平。
　　中铁隧道集团有限公司在新建北京地铁5号线崇文门站过程中,考虑到崇文门站需要从既有运营地铁下穿过,为控制开挖引起的土层沉降,需要对施工中采用的超前大管棚的应变进行测试。在大管棚施工前,将光纤传感器埋设在2根管棚内,并对光纤传感器进行相应的保护措施以保证其工作正常,管棚施工时附带光纤传感器一起顶入土层中,管棚的应变通过附着在管棚上的光纤传感器反映出来。通过测试发现光纤传感技术能够在复杂恶劣环境下精确测试管棚应变。
　　四、在铁路桥梁工程中的应用
　　光纤传感器在桥梁健康监测方面的应用主要有以下3个方面:对采用新型复合材料的桥梁结构进行监测,掌握材料和结构的工作性能;对交通枢纽或具有重大意义的大型桥梁进行健康监测,掌握桥梁的正常运行状态;对有一定损伤的旧桥进行监测,从而了解其健康状况并采取针对性的维护和加固措施。国内外的许多学者利用光纤光栅传感系统对铁路桥梁进行结构健康监测,结果表明光纤光栅传感器比其他传统传感器具有更好的稳定性和可靠性,更适合于铁路桥梁结构健康监测。
　　1992年Fuhr和Huston等人在Vermont大学附近的一座铁路桥梁中埋入和粘贴了单模和多模光纤以及部分光纤束和光缆,以检测该铁路桥梁在列车经过时的振动情况,从而了解该桥的工作情况,确定所通过列车的类型,达到控制列车流量的目的。
　　T1H1T1Chan等人利用光纤光栅传感器对香港青马大桥(世界上最长的吊桥,同时支撑着铁路和公路交通运输)进行结构健康监测,他们将40个光纤光栅传感器分成3组,分别安装在缆索、摇轴支座和桁架梁上,测量桥上不同部位的应变,并将光纤光栅传感器的性能与传统的结构监测系统———风监测和结构健康监测系统(WASHMS,该系统自1997年5月青马大桥启用起就已投入运行)进行比较,从而得出利用光纤光栅传感器进行结构健康监测是完全可行的,所得试验结果与WASHMS测得的数据完全一致。传感器的布置与安装见图8和图9。
　　
　　图9光纤光栅传感器安装在(1)缆索(2)摇轴支座(3)桁架梁
　　
　　
　　图8青马大桥传感器布置
　　我国的芜湖长江大桥是由钢桁斜拉桥、连续钢桁梁和混凝土引桥组成的公铁两用桥,铁路桥总长度约为101624km。在对芜湖长江大桥健康监测施工过程中,研究人员首次选择先进的光纤应变传感器对大桥连续钢桁梁进行长期应变监测,保证传感器与钢梁同步变形,防止传感器安装位置的钢板腐蚀和螺母的松动,从而确保光纤应变传感器长期稳定可靠工作。长期监测结果表明光纤应变传感器性能稳定,应力监测结果准确可靠,可以实现对整个运营过程中因结构受力状态变化而引起的应力变化的绝对测量。
　　韩国铁道研究院在铁路桥梁健康监测方面也有研究,他们将基于光纤光栅传感的加速度计安装在箱梁的表面监测其性能,还将光纤光栅传感器埋入混凝土箱梁内部,通过静态疲劳试验监测箱梁内部应变。
　　黄艳红等人通过对青藏铁路桥梁自然环境和桥梁损伤的分析,以及对桥梁损伤探测技术的研究,认为光纤光栅测试技术能同时进行温度和应变的双参数测量,可靠性好,抗干扰能力强,电绝缘性能好,耐腐蚀,适用于青藏铁路桥梁损伤检测。
　　在斜拉桥斜拉索索力监测方面,1996年瑞典在Winterther的Storchenbrucke斜拉索桥梁上应用光纤传感器成功地解决了斜拉桥索力的长期实时监测问题。我国的张戍社等人设计了一种用于斜拉索索力在线监测的新型光纤光栅传感系统,该系统具有结构简单、稳定性和线性度好、信噪比高、灵敏度高、不受电磁和雷电干扰、不怕腐蚀、寿命长等优良特性,与计算机监控相结合实现索力远距离在线监测。
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