摘 要：概括了光纤传感器的性能特点,分析了光纤传感器在轨道交通领域的应用优势。光纤传感器的运用可提高列车运行的可靠性与安全性,在轨道交通领域有着良好的发展前景。
关键词：光纤传感器; 轨道交通; 温度传感器; 速度传感器; 健康监测; 灾害监测
Class Number TP21
1 引言
光纤自上世纪60年代问世以来,就被应用于传感领域。最初的光纤传感器仍是基于传统的测量原理,光纤只是用来传输远距离和难以接收到的信号[1]。近年来,随着光通信技术的发展,许多影响光通信质量的因素得到研究,大量新的光纤测量手段也不断涌现。目前,光纤传感器正朝着微型化、数字化、智能化、网络化的方向发展。
光纤传感器具有许多优异的性能:光纤中传输的是光信号,完全不受电磁干扰的影响,信号可以以较小的损耗传输很远的距离;光纤的材料石英玻璃是很好的绝缘体,光纤传感器的耐压等级很高;光纤传感器在测量现场不带电信号,没有产生电火花,起火爆炸的危险。光纤传感器还具有体积小、质量轻、灵敏度高、响应速度快等特点,非常适合在各种恶劣环境下实现高性能的参数测量。
随着机车向重载化、高速化的方向发展,其所处的电磁环境日益复杂。目前在轨道领域大量使用的传统型电类传感器,其在抗电磁干扰能力、绝缘耐压性能等方面越来越难满足需求,而这正是光纤传感器的优势所在。同时,随着我国铁路事业的发展,铁路灾害防治的问题也愈加突出;光纤传感器已经成功应用于桥梁、建筑的健康监测,其相关技术可以引入铁路灾害防治领域。目前光纤传感器作为一门新兴的技术,在轨道交通领域的应用还较为少见。本文结合轨道交通领域的测量需求,对光纤传感技术在轨道交通领域的应用前景进行探讨。
2 光纤传感器的基本原理介绍
光纤传感器是以光纤作为传感材料,外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量发生变化的传感器。这些被调制的物理特征参量包括光的强度、频率、波长、相位和偏振,其中后四种物理特征参量的调制使得光纤传感器对被测量十分敏感。
一个完整的光纤传感器系统包括光源、光纤、光纤器件、传感元件、探测器和信号处理等部分。
1) 典型的光纤传感器光源有发光二极管和半导体激光器;白炽灯也可用于某些化学传感器。
2) 光纤包括石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤,其中石英光纤和玻璃光纤主要用于红外波段,塑料光纤则主要用于可见光波段;在某些传感器中还需要用专门研制的特殊光纤。
3) 光纤器件是为了使信号被限制在纤芯范围内传输,或是为了改变光的某些参数使其更适合于测量的部件,典型的光纤器件有光纤耦合器、滤波器、衰减器等,在一些简单的光纤传感器中有时没有光纤器件。
4) 传感元件是根据被测信号来调制光纤传输光参数的部件,它有时候是光纤本身,如拉曼散射式光纤温度传感器;有时候是对光纤进行特殊的处理,使其对被测量敏感,如光纤光栅传感器;有时候是通过一些结构将被测量转变为机械形变来对光纤进行调制,如电致伸缩式电压传感器;还有的是通过外部的敏感元件来对传输光进行调制,如荧光式光纤温度传感器。
5) 探测器是用来对光信号进行检测的器件,一般包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电雪崩二极管、光电倍增管等;由于现有的光电探测器只能检测光强信号,有的传感器中还需要使用专门的光路结构来将光的频率、波长、相位、偏振态转变为光强来进行检测。
6) 信号处理单元接收光电探测器输出的电信号,将其还原为被测信号,并为传感系统的后续控制电路提供接口。
表1 目前比较成熟的光纤传感器
光纤传感器可以测量许多参数,如位移、应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、角速度、电压、电流、气体浓度等。光纤传感器的测量原理也分许多种,比较常见的有荧光测量原理、半导体测量原理、光纤光栅测量原理、F-P腔测量原理、光纤微弯测量原理等。目前部分比较成熟的光纤传感器如表1所示。
3 光纤传感器在列车温度和速度测量方面的应用
3.1 高电压环境下电机温度的测量
列车在运行过程中需要监测转向架上的电机温度,现在列车上大量使用的是铂电阻式温度传感器,这种传感器在电机温度的测量中可能出现因耐压绝缘不够而导致线路烧毁的问题;同时由于铂电阻体积很小,容易发生引线断裂、短路的故障。
使用荧光光纤温度传感器[20]可以很好地解决以上问题。一方面光纤传感器没有金属元件,绝缘性能良好;另一方面它只需要一根光纤就能进行测量,结构上更为牢固可靠。同时,荧光光纤传感器成本较低,测量电路结构较为简单,十分适合于电机的温度测量。
3.2 列车车厢防火监控
列车需要对车厢中的温度进行测量,以达到防火监控的目的。目前列车上主要使用烟雾报警器和红外报警器来进行防火监控,但这类系统存在两个方面的问题:一是它们只能在火灾发展到明火阶段后才能发现,无法将火灾消灭在隐患阶段;二是它们的可靠性较差,常发生误报,例如乘客在车上吸烟时就会触发烟雾报警器。
目前有一种基于光纤拉曼散射的分布式光纤拉曼温度传感器,它可以利用一根普通光缆对数公里范围内光缆周围的环境温度进行测量,测量精度达到±1℃,它还可以对测量点的位置进行精确定位,精度可以达到1m以内[6]。利用该传感器进行消防监控,可以在温度发生异常时就进行报警,将事故消灭在萌芽阶段。该传感器目前已经广泛应用于管道泄漏监测、地铁隧道消防监控、电缆沟消防监控,在车厢防火监控中也有着潜在的应用前景。
3.3 高电压环境下轮轴转速的测量
现在列车上测量车轮速度的传感器主要有三种:光电式、霍尔式和磁电式,其中光电式传感器是通过光电码盘来测量转速。这种传感器有绝缘耐压和电磁干扰两个方面的问题:首先当车轮与轨道之间导电不良时,光电码盘上会存在高电压,从而导致光电传感器发生击穿、烧毁的现象;其次光电速度传感器的信号受到电磁干扰时会产生波动,在停车或启动期间会发生速度跳变问题[21]。
光纤传感器抗电磁干扰能力强,耐压等级高,耐温等级也要高于普通电子元器件,十分适合于机车轮轴转速的测量。可考虑采用基于光纤码盘的光纤传感器,将光电码盘替换为光纤码盘,使测量电路远离测量现场,可以极大地提高光电速度传感器的耐压等级和抗电磁干扰能力。
4 光纤光栅传感器在列车健康监测中的应用
轨道装备的智能诊断与维护检修是轨道交通装备智能化的重要方向。在轨道装备的智能诊断中,需要由各类高精度的传感器来获取铁路运行的大量实时信息,这些信息汇总到铁路指挥调度中心的专家系统里面,进行故障预警和故障诊断,通过智能网络支持列车的维护检修。光纤光栅传感器在列车健康状况参数的实时监测中具有很大优势,因为它可以测量许多参数,同时也可以很方便地分布成网,对大量信息进行实时监测。
4.1 列车转向架健康监测
转向架是列车的重要部件,其健康状况关系到列车运行的平稳性与安全性。国内许多列车上都对转向架的加速度、温度等参数进行测量,以监测其健康情况。然而传统的电类传感器在转向架的健康监测中存在诸多缺点,如:转向架上的电磁干扰环境较为恶劣,电机启动和停止时会产生很强的电磁干扰;转向架上有时会有高电压存在;电类传感器需要屏蔽,体积较大,难以安装于刹车片等关键部位的表面。
光纤光栅传感器非常适合于列车转向架的健康监测[22]。2007年香港理工大学的有关学者与香港地铁公司合作,在地铁列车上安装了一套列车健康监测系统。该系统使用了300多个光纤光栅传感器,对列车上所有转向架的加速度、电机绕组温度、电机轴端温度、刹车片温度、刹车片的应力等参数进行了测量,并根据测量结果进行了故障预测,很好地提高了列车运行的安全性与维修的及时性。
4.2 车厢关键焊点的健康监测
列车上许多部件都是通过焊接组装起来的,这些焊点长期使用会因振动、腐蚀等原因而变得不可靠,从而给铁路行车安全带来隐患。对一些关键焊点的应力进行监测可以提早发现焊点的可靠性问题。传统的电阻应变片存在许多问题,首先它的体积比较大,将它布置在车上时它本身就有脱落的危险;其次它的耐腐蚀性能不好,长期使用会因为水汽、生锈等原因而发生故障;此外它会受到电磁干扰的影响。使用光纤光栅传感器就能解决这些问题,并且光纤光栅对于应变的灵敏度比电阻应变片灵敏得多。如图1所示,香港理工大学的有关学者应用光纤光栅传感器对车上一些关键焊点的应力进行监测,提高了列车运行的安全性。
图1 光纤光栅传感器在变压器焊点监测中的应用
4.3 列车载荷监测
光纤光栅传感器还可装在轨道上用于列车载荷的监测。如图2所示,香港地铁公司在地铁轨道上安装光纤光栅传感器,对钢轨的应力进行实时监测,从而实现以下几个目的:监测轮轨的健康情况;监测列车的载荷,从而估算列车上的交通流量;监测两条铁轨的载荷差别,防止因载荷过于集中而造成轮轨损坏;监控列车进站情况,防止列车相撞。特别是在列车进站的监测方面,光纤光栅传感器的可靠性比电磁式传感器的可靠性要好,可避免电磁式传感器因受电磁干扰而产生虚报的现象。
图2 光纤光栅传感器在轨道应力监测中的应用
5 光纤传感器在铁道灾害防治中的应用
我国是一个自然灾害多发的国家,每年发生的地震、洪水、风暴、滑坡、泥石流、冰雪等自然灾害给铁路运输带来了严重的损失。通过铁路防灾监控系统,可以提前对铁路沿线灾害的发生进行预测,并对灾害发生后帮助指挥人员及时进行响应,将灾害的损失降到最低。光纤传感器由于其优异的测量性能,在铁路的自然灾害监测中有着良好的应用前景。
5.1 桥梁、隧道结构监测
铁路桥梁、隧道在使用过程中需要对其结构进行监测,一方面监测其混凝土结构的开裂情况,可以提早采取措施防止危害进一步扩大,另一方面可以测量桥梁结构的振动情况,防止因振动过大对桥梁结构健康产生危害。
传统的电类传感器在铁路建筑的健康监测方面有许多缺点:信号传输的距离较远,对信号线的屏蔽要求较高;系统结构和布线都比较复杂,不同的参数需要用不同的处理单元;体积较大,难以埋入到结构中;在潮湿的环境下可靠性较差;在桥梁的健康监测中还有因闪电击坏传感器的问题。
光纤光栅传感器在铁路建筑的健康监测方面优势十分明显:信号传输距离远,不需要考虑电磁屏蔽;只需要使用少量信号处理单元,就可以把几公里范围内的大量参数都采集到,系统布线较为简单;体积小,可以很轻松的埋入到混凝土和钢筋中;耐腐蚀性能好,不怕闪电。
目前光纤光栅传感器已经应用于铁路桥梁隧道的健康监测领域。它可以对结构应力、温度、位移、土压、渗压等参数进行测量。随着光纤光栅传感器性能的不断提高,它在铁路建筑的健康监测领域将得到越来越广泛的应用。
5.2 轨道落石监测
铁路边坡落石对铁路行车安全危害很大,并且由于落石体积较小,周围环境复杂,比较难以发现。传统的边坡落石解决办法是依靠铁路防护工人沿着铁路巡逻,靠肉眼检查,这种方式无法做到实时测量。现在光纤光栅已经被用来进行轨道落石的监测(如图3所示)。该传感器利用落石对铁轨的震动进行测量,可以判断落石的大小和远近。在高危地段分段布置多个传感器,就可以及时发现轨道落石,并及时排除。
图3 用于轨道落石监测的光纤光栅传感器
5.3 泥石流监测
泥石流对铁路安全危害极大,它可以冲垮桥梁、路基,甚至可以淹没或推翻列车,造成人员伤亡。过去人们对于泥石流的监测一直都没有很好的方法,而随着光纤传感技术的发展,现在人们找到了两种方法可以对危险坡段的泥石流进行实施监测。
一种方法是在山坡上布置光纤光栅位移传感器网络,如图4所示。当山体发生滑坡时,位移传感器就会检测到表层山体相对于里层山体之间的位移,从而发出报警信号。由于光纤光栅传感器可以很方便地进行级联,可以测量大面积山坡的泥石流发生情况;同时光纤光栅能够在恶劣的环境下长期稳定可靠的工作,十分适合于泥石流的监测。
图4 用于泥石流监测的光纤光栅位移传感器网络
另外一种方法是在山坡上布置基于布里渊散射的分布式光纤布里渊应力传感器[7],如图5所示。这种传感器利用光纤中的背向布里渊散射进行测量,可以同时测量光纤沿线的温度和应力情况,并且可以精确定位测量点的位置。将这种光纤固定山体上的锚杆中,当山体发生滑坡时,碎石带动锚杆移动,从而拉扯光纤产生应力。根据散射光的强度和返回时间,即可知道山体滑坡发生的地点。该传感器只需要使用普通光纤,成本较为低廉,同时其测量范围远远大于光纤光栅传感器,可以达到几公里甚至几十公里。
图5 用于山体滑坡监测的
分布式光纤布里渊应力传感器
5.4 结冰监测
轨道领域的输电线结冰和轨道结冰会对铁路行车安全产生危害。2008年初发生在我国南方的大范围的冰雪灾害,致使高压输电线被积冰拉断,导致京广线停运。2005年郑州铁路局发生大面积接触网和轨道道岔接冰,造成列车严重滞留。2010年武广、沪宁高铁也因冰雪灾害降速运行。在北方,严重结冰发生的概率更大,每年都给铁路交通运输造成很大损失。
分布式光纤布里渊应力传感器可用于输电线的结冰监测。其方法是,将测量光缆与输电线安装在一起,当有结冰和积雪发生时,会导致测量光缆被拉伸,通过应力测量即可知道输电线缆是否有断裂的危险,并可准确地知道事故发生地点的位置。这种传感器体积小、质量轻,不会给输电线带来额外的负荷;抗电磁干扰能力强,可以传输很远的距离;同时它准确判断位置的能力也是电类传感器无法做到的。
分布式光纤传感器也可以用于轨道结冰的监测。如图6为公路路面结冰监测用分布式光纤拉曼温度传感器,它通过检测路面温度来判断路面是否有结冰发生的危险。将这种传感器布置在轨道上的关键位置上,便可用于轨道道岔结冰的辅助判断。
图6 公路结冰监测用分布式光纤拉曼温度传感器
6 结语
本文对光纤传感器在轨道交通领域的应用进行了概述,分析了光纤传感器在列车参数测量领域的优势,并深入讨论了光纤光栅传感器和分布式光纤传感器在列车健康监测领域和铁道灾害防治领域中的应用现状和前景。研究结果表明,光纤传感器在轨道领域有很好的应用前景,例如,由于光纤传感器具有良好的抗电磁干扰性能和绝缘性能,十分适合于列车温度、速度的测量;由于光纤光栅传感器具有灵敏度高、体积小、能够串联组网的优点,可以用于列车健康监测和桥梁、隧道的健康监测;由于分布式光纤传感器成本较低、可长距离连续测量,可解决铁路沿线的泥石流监测和铁路电力传输网的结冰监测问题。
目前我国的轨道交通正向着智能化、网络化的方向发展[23]。轨道系统智能控制与智能决策的前提就是信息量的及时、准确获取。研究光纤传感器在轨道交通领域的应用,不仅能够提高信息获取的可靠性与准确性,还能够对传统的测量领域进行补充和延伸,对于提升我国轨道交通装备智能化以及交通系统智能化有着积极意义。
