绷带装刘建斌
【摘 要】随着我国铁路建设进入快速发展时期,对铁路安全运输提出了更高的要求,建立铁路异物侵限监测系统显得很有必要.由此提出用光纤布喇格光栅应力传感器替代传统的电类传感器,分析了光纤布喇格光栅应力传感器的工作原理.设计了基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统并分析了预警过程.所设计的铁路异物侵限监测系统实现了分布式测量、光缆传输、系统集成、实时监测、在线控制等功能,为列车安全运行提供了可靠保障.
【期刊名称】《交通科技》
【年(卷),期】2011(000)003
【总页数】3页(P126-128)
【关键词】光纤布喇格光栅应力传感器;铁路运输;异物侵限;实时监测包装箱制作
【作 者】刘建斌
【作者单位】静压试验中国石油庆阳石化分公司,庆阳,745115
【正文语种】中 文
从“十五”规划开始，我国铁路进入快速发展的新时期，但伴随铁路运输的自然灾害所造成的损失一直居高不下。这主要是因为我国大部分铁路都穿越于崎岖的高原、山区、丘陵地带，这些地带地质的不稳定性以及自然灾害对铁路的客货运输都造成巨大的威胁，这些灾害主要有山体滑坡、山石滚落、泥石流等。如1987年7月泥石流冲毁成昆铁路利子依达沟大桥，酿成一列客车坠落，300余人伤亡。2009年7月29日，襄樊至湛江1473次旅客列车运行到焦柳线广西境内时，因线路路堑发生坍塌落石，造成机车及机车后部分车辆脱轨，事故造成4人死亡，11人重伤，23人轻伤。2010年7月9日，因受持续暴雨影响，川黔铁路大河坝至新场区间线路右侧发生持续山体坍塌，坍塌量累计4 300多m3，泥石流上道2 200多m3，掩埋铁路80 m，造成这条线路中断，多趟列车受影响。随着我国经济快速发展，对铁路运输能力的大幅增加，大批的客运、货运专线正在建设之中，对铁路运输的安全性和可靠性的要求越来越高，因此对铁路两旁异物入侵的监测和预警进行研究是十分必要和迫切的。
1 铁路异物侵限监测概述
一般对于穿越地质灾害多发地区的铁路，为了防止山体滑坡，冲毁铁路，造成重大的经济损失和安全事故，在危岩陡坡路段建造了钢筋混凝土堤坝对边坡进行了加固，并在铁路两侧配以防护网，以防山上落石对铁路造成破坏。铁路异物侵限监测主要是指通过在铁路沿线设置防护网，并在防护网上安装相应的传感器，以实现对山石或其他异物对铁路入侵的实时监测和有效预警，以降低异物入侵对铁路运输造成的生命和财产损失。在铁路异物侵限监测与预警技术方面，国内外已开展了部分研究与应用。例如我国铁路部门在公铁并行段、公(桥梁)跨铁段等设置刚性防护网并在网上安装电网传感器，一旦异物撞坏防护网，通过电网感应的方式即可向调度中心告警。但这种传统的电网传感技术存在易受电磁干扰和雷击、电信号远距离传输可靠性差、后期使用维护费用高、传输电缆断裂或停电会产生误报等技术难题。近年来一种名为SNS被动防护网在铁路工程施工中得到了应用，SNS被动防护系统网采用锚杆、钢柱、支撑绳和拉锚绳等固定方式将钢丝绳网在坡面上形成栅栏形式的拦石网，从而实现拦截落石的一种边坡柔性防护系统。具有防护效果好、施工简单、绿环保、维护方便、使用寿命长等特点。但针对这种被动柔性防护网的防滚石侵限的自动监测技术还没有得到大规模的应用。
鉴于现有的铁路异物侵限监测系统的不足，本文设计了基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统。该系统的传感器采用光纤布喇格光栅应力传感器，该传感器是基于波长调制的传感器件，其与传统的电类传感器相比，具有抗电磁干扰和雷击、光信号传输距离远、可实现分布式测量、灵敏度高等优点。
2 光纤布喇格光栅应力传感器工作原理
光纤布喇格光栅(fiber bragg grating，FBG)出现于20世纪90年代，经过几十年的发展，已成为一种在光纤通信、光纤传感等光电子领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。它是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期性的强紫外激光照射掺杂光纤，从而使掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向周期性分布，称为光纤布喇格光栅[1-2]。
分火头
光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率决定着光纤光栅中反射和透射光的波长值，而光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率受外界温度以及光纤光栅应变的影响，所以光纤光栅传感器的基本传感原理是外界温度的变化和光纤光栅上的应变引起光纤光栅中折射调制周期以及纤芯折射率的变化，从而对光纤光栅中发射或透射光波长值造成影响。
根据布喇格衍射原理，当多种波长的光束由光纤内入射到FBG上时，只有某一个波长的光被FBG反射并沿原路返回，其余所有波长的光都无损失地穿过FBG继续往前传输。被FBG反射的那一个波长称为布喇格波长λB，它由FBG的栅距Λ及有效折射率n eff决定，即下式：
当沿光纤光栅轴向施加应力时，光纤光栅产生轴向应变，假设光纤光栅处温度不变，只考虑轴向应变带来的影响，导致中心反射波长值发生变化。常见有贴片式的光纤布喇格光栅应力传感器，其结构如图 1所示，其工作原理一般为：将FBG粘贴于敏感元件表面的线槽内，当传感器的敏感元件受拉或受压时，粘贴在线槽内的FBG将随之受到纵向拉伸或压缩，光栅所受到的应变会改变有效折射率n eff和栅距Λ，进而引起FBG的布喇格波长变化，因此可以通过监测FBG的反射波长，实现结构的应变监测[3]。考虑对光纤布喇格光栅应力传感器进行温度补偿，以便消除温度对传感器性能的影响。
电工工具包图1 贴片式的光纤布喇格光栅应力传感器结构示意图
3 铁路异物侵限监测系统
铁路异物侵限监测系统由硬件系统和软件系统两部分组成，原理如图2所示，主要实现实时监测铁路防护网异物入侵致网破坏的情况，并即时将监测结果通知车辆调度中心，以便提前发现隐患，并告知正在运行车辆采取停车或紧急制动措施，从而减少生命和财产损失。硬件系统由宽带光源、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、通信模块和计算机等构成；软件系统由各种硬件设备的驱动、控制、信号处理、专家系统评估及通信等软件构成。
图2 铁路异物侵限监测系统原理图
3.1 传感系统
首先将防护网分成若干区域，每个区域设计若干个监测点，不同区域采用不同波长的光纤光栅应力传感器，同一区域采用全同光纤光栅应力传感器，传感器采用串接方式，将光纤布喇格光栅应力传感器布置于铁路两旁的防护网上。传感器可以焊接在防护网锚索钢绞线表面，也可布置在被动网的钢丝拉绳上。传感系统主要有宽带光源、若干光纤布喇格光栅应力传感器、传输光信号的传输光缆构成。
3.2 光纤光栅解调系统
光纤光栅解调系统采用的是基于可调F-P滤波器的波长解调仪[4]，宽带光源发出的光经传感光栅反射后，到达可调光纤F-P滤波器。F-P滤波器工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在其中的压电元件上调动腔间隔，使其窄通带在一定范围内扫描，当它与传感光栅的布喇格波长相匹配时，则让传感光栅反射的光信号通过。观测滤波器的透射光，并结合施加电压就可以判断传感光栅上所测物理量的大小。传感系统采集到的信号经过光纤光栅解调系统解调后，实现了光信号到电信号的转换，为后续的计算机处理以及预警提供了方便。
3.3 监测系统工作原理
当分布在各个区域防护网上的光纤布喇格光栅应力传感器所采集到的波长信号经埋入铁路沿线的传输光缆引入车辆调度中心，经过基于可调F-P滤波器的波长解调仪解调后的信号由光信号变成电信号，即实现了由波长信号转化为电压信号，此时的信号通过计算机接口模块送至计算机直接处理。所采集到的监测数据由计算机进行信号处理后形成铁路防护网异物侵限状况实时监测数据库。利用该数据库，铁路安全状况评估专家系统能依据各种静力指标综合评估防护网的状况，当应力测量值超过某一特定指标时，就发出报警。同时，在车辆调度中心设置实时监测数据显示屏，当有异物侵入防护网并对列车行车安全造成威
胁时，调度中心即发出调度命令，命令运行至该区间附近的列车采取停车或紧急制动措施，以避免恶性安全事故的发生。
4 结语
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本文通过选用光纤布喇格光栅应力传感器替代传统的电类传感器作为铁路异物侵限监测系统的传感模块，所设计的基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统实现了分布式测量、光缆传输、系统集成、实时监测、在线控制等功能，为列车安全运行提供了可靠保障。
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