列車(chē)在運行過(guò)程中需要監測轉向架上的電機溫度, 現在列車(chē)上大量使用的是鉑電阻式溫度傳感器, 這種傳感器在電機溫度的測量中可能出現因耐壓絕緣不夠而導致線(xiàn)路燒毀的問(wèn)題;同時(shí)由于鉑電阻體積很小, 容易發(fā)生引線(xiàn)斷裂、短路的故障。

使用熒光光纖溫度傳感器可以很好地解決以上問(wèn)題。一方面光纖傳感器沒(méi)有金屬元件, 絕緣性能良好;另一方面它只需要一根光纖就能進(jìn)行測量, 結構上更為牢固可靠。同時(shí), 熒光光纖傳感器成本較低, 測量電路結構較為簡(jiǎn)單, 十分適合于電機的溫度測量。

列車(chē)需要對車(chē)廂中的溫度進(jìn)行測量, 以達到防火監控的目的。目前列車(chē)上主要使用煙霧報警器和紅外報警器來(lái)進(jìn)行防火監控, 但這類(lèi)系統存在兩個(gè)方面的問(wèn)題:一是它們只能在火災發(fā)展到明火階段后才能發(fā)現, 無(wú)法將火災消滅在隱患階段;二是它們的可靠性較差, 常發(fā)生誤報, 例如乘客在車(chē)上吸煙時(shí)就會(huì )觸發(fā)煙霧報警器。

目前有一種基于光纖拉曼散射的分布式光纖拉曼溫度傳感器, 它可以利用一根普通光纜對數公里范圍內光纜周?chē)沫h(huán)境溫度進(jìn)行測量, 測量精度達到±1℃, 它還可以對測量點(diǎn)的位置進(jìn)行精確定位, 精度可以達到1m以?xún)?。利用該傳感器進(jìn)行消防監控, 可以在溫度發(fā)生異常時(shí)就進(jìn)行報警, 將事故消滅在萌芽階段。該傳感器目前已經(jīng)廣泛應用于管道泄漏監測、地鐵隧道消防監控、電纜溝消防監控, 在車(chē)廂防火監控中也有著(zhù)潛在的應用前景。

現在列車(chē)上測量車(chē)輪速度的傳感器主要有三種:光電式、霍爾式和磁電式, 其中光電式傳感器是通過(guò)光電碼盤(pán)來(lái)測量轉速。這種傳感器有絕緣耐壓和電磁干擾兩個(gè)方面的問(wèn)題:首先當車(chē)輪與軌道之間導電不良時(shí), 光電碼盤(pán)上會(huì )存在高電壓, 從而導致光電傳感器發(fā)生擊穿、燒毀的現象;其次光電速度傳感器的信號受到電磁干擾時(shí)會(huì )產(chǎn)生波動(dòng), 在停車(chē)或啟動(dòng)期間會(huì )發(fā)生速度跳變問(wèn)題。

光纖傳感器抗電磁干擾能力強, 耐壓等級高, 耐溫等級也要高于普通電子元器件, 十分適合于機車(chē)輪軸轉速的測量?？煽紤]采用基于光纖碼盤(pán)的光纖傳感器, 將光電碼盤(pán)替換為光纖碼盤(pán), 使測量電路遠離測量現場(chǎng), 可以極大地提高光電速度傳感器的耐壓等級和抗電磁干擾能力。

軌道裝備的智能診斷與維護檢修是軌道交通裝備智能化的重要方向。在軌道裝備的智能診斷中, 需要由各類(lèi)高精度的傳感器來(lái)獲取鐵路運行的大量實(shí)時(shí)信息, 這些信息匯總到鐵路指揮調度中心的專(zhuān)家系統里面, 進(jìn)行故障預警和故障診斷, 通過(guò)智能網(wǎng)絡(luò )支持列車(chē)的維護檢修。光纖光柵傳感器在列車(chē)健康狀況參數的實(shí)時(shí)監測中具有很大優(yōu)勢, 因為它可以測量許多參數, 同時(shí)也可以很方便地分布成網(wǎng), 對大量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。

轉向架是列車(chē)的重要部件, 其健康狀況關(guān)系到列車(chē)運行的平穩性與安全性。國內許多列車(chē)上都對轉向架的加速度、溫度等參數進(jìn)行測量, 以監測其健康情況。然而傳統的電類(lèi)傳感器在轉向架的健康監測中存在諸多缺點(diǎn), 如:轉向架上的電磁干擾環(huán)境較為惡劣, 電機啟動(dòng)和停止時(shí)會(huì )產(chǎn)生很強的電磁干擾;轉向架上有時(shí)會(huì )有高電壓存在;電類(lèi)傳感器需要屏蔽, 體積較大, 難以安裝于剎車(chē)片等關(guān)鍵部位的表面。

光纖光柵傳感器非常適合于列車(chē)轉向架的健康監測。2007年香港理工大學(xué)的有關(guān)學(xué)者與香港地鐵公司合作, 在地鐵列車(chē)上安裝了一套列車(chē)健康監測系統。該系統使用了300多個(gè)光纖光柵傳感器, 對列車(chē)上所有轉向架的加速度、電機繞組溫度、電機軸端溫度、剎車(chē)片溫度、剎車(chē)片的應力等參數進(jìn)行了測量, 并根據測量結果進(jìn)行了故障預測, 很好地提高了列車(chē)運行的安全性與維修的及時(shí)性。

列車(chē)上許多部件都是通過(guò)焊接組裝起來(lái)的, 這些焊點(diǎn)長(cháng)期使用會(huì )因振動(dòng)、腐蝕等原因而變得不可靠, 從而給鐵路行車(chē)安全帶來(lái)隱患。對一些關(guān)鍵焊點(diǎn)的應力進(jìn)行監測可以提早發(fā)現焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題。傳統的電阻應變片存在許多問(wèn)題, 首先它的體積比較大, 將它布置在車(chē)上時(shí)它本身就有脫落的危險;其次它的耐腐蝕性能不好, 長(cháng)期使用會(huì )因為水汽、生銹等原因而發(fā)生故障;此外它會(huì )受到電磁干擾的影響。使用光纖光柵傳感器就能解決這些問(wèn)題, 并且光纖光柵對于應變的靈敏度比電阻應變片靈敏得多。應用光纖光柵傳感器對車(chē)上一些關(guān)鍵焊點(diǎn)的應力進(jìn)行監測, 提高了列車(chē)運行的安全性。

光纖光柵傳感器還可裝在軌道上用于列車(chē)載荷的監測。地鐵公司在地鐵軌道上安裝光纖光柵傳感器, 對鋼軌的應力進(jìn)行實(shí)時(shí)監測, 從而實(shí)現以下幾個(gè)目的:監測輪軌的健康情況;監測列車(chē)的載荷, 從而估算列車(chē)上的交通流量;監測兩條鐵軌的載荷差別, 防止因載荷過(guò)于集中而造成輪軌損壞;監控列車(chē)進(jìn)站情況, 防止列車(chē)相撞。特別是在列車(chē)進(jìn)站的監測方面, 光纖光柵傳感器的可靠性比電磁式傳感器的可靠性要好, 可避免電磁式傳感器因受電磁干擾而產(chǎn)生虛報的現象。

我國是一個(gè)自然災害多發(fā)的國家, 每年發(fā)生的地震、洪水、風(fēng)暴、滑坡、泥石流、冰雪等自然災害給鐵路運輸帶來(lái)了嚴重的損失。通過(guò)鐵路防災監控系統, 可以提前對鐵路沿線(xiàn)災害的發(fā)生進(jìn)行預測, 并對災害發(fā)生后幫助指揮人員及時(shí)進(jìn)行響應, 將災害的損失降到最低。光纖傳感器由于其優(yōu)異的測量性能, 在鐵路的自然災害監測中有著(zhù)良好的應用前景。

鐵路橋梁、隧道在使用過(guò)程中需要對其結構進(jìn)行監測, 一方面監測其混凝土結構的開(kāi)裂情況, 可以提早采取措施防止危害進(jìn)一步擴大, 另一方面可以測量橋梁結構的振動(dòng)情況, 防止因振動(dòng)過(guò)大對橋梁結構健康產(chǎn)生危害。

傳統的電類(lèi)傳感器在鐵路建筑的健康監測方面有許多缺點(diǎn):信號傳輸的距離較遠, 對信號線(xiàn)的屏蔽要求較高;系統結構和布線(xiàn)都比較復雜, 不同的參數需要用不同的處理單元;體積較大, 難以埋入到結構中;在潮濕的環(huán)境下可靠性較差;在橋梁的健康監測中還有因閃電擊壞傳感器的問(wèn)題。

光纖光柵傳感器在鐵路建筑的健康監測方面優(yōu)勢十分明顯:信號傳輸距離遠, 不需要考慮電磁屏蔽;只需要使用少量信號處理單元, 就可以把幾公里范圍內的大量參數都采集到, 系統布線(xiàn)較為簡(jiǎn)單;體積小, 可以很輕松的埋入到混凝土和鋼筋中;耐腐蝕性能好, 不怕閃電。

目前光纖光柵傳感器已經(jīng)應用于鐵路橋梁隧道的健康監測領(lǐng)域。它可以對結構應力、溫度、位移、土壓、滲壓等參數進(jìn)行測量。隨著(zhù)光纖光柵傳感器性能的不斷提高, 它在鐵路建筑的健康監測領(lǐng)域將得到越來(lái)越廣泛的應用。

鐵路邊坡落石對鐵路行車(chē)安全危害很大, 并且由于落石體積較小, 周?chē)h(huán)境復雜, 比較難以發(fā)現。傳統的邊坡落石解決辦法是依靠鐵路防護工人沿著(zhù)鐵路巡邏, 靠肉眼檢查, 這種方式無(wú)法做到實(shí)時(shí)測量?，F在光纖光柵已經(jīng)被用來(lái)進(jìn)行軌道落石的監測 。該傳感器利用落石對鐵軌的震動(dòng)進(jìn)行測量, 可以判斷落石的大小和遠近。在高危地段分段布置多個(gè)傳感器, 就可以及時(shí)發(fā)現軌道落石, 并及時(shí)排除。

泥石流對鐵路安全危害極大, 它可以沖垮橋梁、路基, 甚至可以淹沒(méi)或推翻列車(chē), 造成人員傷亡。過(guò)去人們對于泥石流的監測一直都沒(méi)有很好的方法, 而隨著(zhù)光纖傳感技術(shù)的發(fā)展, 現在人們找到了兩種方法可以對危險坡段的泥石流進(jìn)行實(shí)施監測。

一種方法是在山坡上布置光纖光柵位移傳感器網(wǎng)絡(luò ), 當山體發(fā)生滑坡時(shí), 位移傳感器就會(huì )檢測到表層山體相對于里層山體之間的位移, 從而發(fā)出報警信號。由于光纖光柵傳感器可以很方便地進(jìn)行級聯(lián), 可以測量大面積山坡的泥石流發(fā)生情況;同時(shí)光纖光柵能夠在惡劣的環(huán)境下長(cháng)期穩定可靠的工作, 十分適合于泥石流的監測。

另外一種方法是在山坡上布置基于布里淵散射的分布式光纖布里淵應力傳感器, 如圖5所示。這種傳感器利用光纖中的背向布里淵散射進(jìn)行測量, 可以同時(shí)測量光纖沿線(xiàn)的溫度和應力情況, 并且可以精確定位測量點(diǎn)的位置。將這種光纖固定山體上的錨桿中, 當山體發(fā)生滑坡時(shí), 碎石帶動(dòng)錨桿移動(dòng), 從而拉扯光纖產(chǎn)生應力。根據散射光的強度和返回時(shí)間, 即可知道山體滑坡發(fā)生的地點(diǎn)。該傳感器只需要使用普通光纖, 成本較為低廉, 同時(shí)其測量范圍遠遠大于光纖光柵傳感器, 可以達到幾公里甚至幾十公里。

軌道領(lǐng)域的輸電線(xiàn)結冰和軌道結冰會(huì )對鐵路行車(chē)安全產(chǎn)生危害。2008年初發(fā)生在我國南方的大范圍的冰雪災害, 致使高壓輸電線(xiàn)被積冰拉斷, 導致京廣線(xiàn)停運。2005年鄭州鐵路局發(fā)生大面積接觸網(wǎng)和軌道道岔接冰, 造成列車(chē)嚴重滯留。2010年武廣、滬寧高鐵也因冰雪災害降速運行。在北方, 嚴重結冰發(fā)生的概率更大, 每年都給鐵路交通運輸造成很大損失。

分布式光纖布里淵應力傳感器可用于輸電線(xiàn)的結冰監測。其方法是, 將測量光纜與輸電線(xiàn)安裝在一起, 當有結冰和積雪發(fā)生時(shí), 會(huì )導致測量光纜被拉伸, 通過(guò)應力測量即可知道輸電線(xiàn)纜是否有斷裂的危險, 并可準確地知道事故發(fā)生地點(diǎn)的位置。這種傳感器體積小、質(zhì)量輕, 不會(huì )給輸電線(xiàn)帶來(lái)額外的負荷;抗電磁干擾能力強, 可以傳輸很遠的距離;同時(shí)它準確判斷位置的能力也是電類(lèi)傳感器無(wú)法做到的。

分布式光纖傳感器也可以用于軌道結冰的監測。如圖6為公路路面結冰監測用分布式光纖拉曼溫度傳感器, 它通過(guò)檢測路面溫度來(lái)判斷路面是否有結冰發(fā)生的危險。將這種傳感器布置在軌道上的關(guān)鍵位置上, 便可用于軌道道岔結冰的輔助判斷。

目前我國的軌道交通正向著(zhù)智能化、網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。軌道系統智能控制與智能決策的前提就是信息量的及時(shí)、準確獲取。研究光纖傳感器在軌道交通領(lǐng)域的應用, 不僅能夠提高信息獲取的可靠性與準確性, 還能夠對傳統的測量領(lǐng)域進(jìn)行補充和延伸, 對于提升我國軌道交通裝備智能化以及交通系統智能化有著(zhù)積極意義。