光纖光柵傳感技術在軌道狀態(tài)檢測中的應用研究.pdf

1、鐵路系統(tǒng)中的軌道是鐵路運營最基礎的設施。通過對軌道狀態(tài)檢測可以得到大量的保證鐵路運營安全和提高效率的信息。但是，軌道惡劣的現(xiàn)場環(huán)境會影響現(xiàn)有軌道檢測設備如軌道電路、電磁計軸器等的可靠性，嚴重時出現(xiàn)如分路不良、紅光帶、計軸錯誤等故障，從而影響鐵路運營的安全和效率。光纖光柵本質(zhì)上具有制作簡單、穩(wěn)定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、易于同光纖集成構成網(wǎng)絡等諸多優(yōu)點，再加上成熟的封裝工藝，使其能在惡劣的條件下提供穩(wěn)定可靠的檢測信息。這是光纖光

2、柵傳感技術在軌道狀態(tài)檢測中應用研究的前提所在。 本研究課題研究了光纖Bragg光柵（FBG）和光纖啁啾光柵（FCG）兩種傳感檢測的解決方案。在本論文對兩種方案的傳感原理及其實驗驗證，檢測定位的優(yōu)化設計，系統(tǒng)總體方案設計及軟硬件構架的具體實現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析及處理進行了詳細的闡述，而且得出了重要的結果。 本項目的主要研究內(nèi)容及結果如下： 一．對光纖光柵的制作原理進行分析。依據(jù)經(jīng)典的“耦合模理論”和“傳輸矩陣法”，利用數(shù)值

3、仿真的方法分析FBG和FCG的光譜特性。它們的特性表明：在傳感應用中，F(xiàn)BG適于檢測波長，能提供絕對波長參量變化信息；FCG適于檢測光強，實現(xiàn)低成本的動態(tài)測量。 二．對FBG和FCG的應變傳感特性進行理論分析和實驗驗證。結果表明：FBG和FCG的傳感輸出量與輸入應變量之間有著良好的線性關系和高的靈敏系數(shù)，中心波長為1300nm的FBG的軸向形變的靈敏度為1.0344pm/με，F(xiàn)CG的隨軸向應變的譜形移動的靈敏度約為1 pm/μ

4、ε。 三．按照FBG和FCG的應變傳感原理，傳感檢測的最優(yōu)位置應兼顧信噪比和應變場沿光柵方向的方向?qū)?shù)。依據(jù)約束條件，利用Ansys軟件進行有限元分析結果表明，鋼軌底部中間沿中線方向為最佳檢測位置，并設計了相應的固定裝置。試驗結果顯示，當一列140km/h的客車通過檢測處時，F(xiàn)BG傳感器檢測到的波長峰值偏移量達到150pm，F(xiàn)CG傳感器檢測到的電壓變化量到達150mv。 四，依據(jù)FBG和FCG檢測信號特點，分別為它們設計