光纖光柵傳感技術(shù)在軌道狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用研究.pdf

1、鐵路系統(tǒng)中的軌道是鐵路運(yùn)營(yíng)最基礎(chǔ)的設(shè)施。通過(guò)對(duì)軌道狀態(tài)檢測(cè)可以得到大量的保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全和提高效率的信息。但是，軌道惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境會(huì)影響現(xiàn)有軌道檢測(cè)設(shè)備如軌道電路、電磁計(jì)軸器等的可靠性，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)如分路不良、紅光帶、計(jì)軸錯(cuò)誤等故障，從而影響鐵路運(yùn)營(yíng)的安全和效率。光纖光柵本質(zhì)上具有制作簡(jiǎn)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(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(cè)信息。這是光纖光

2、柵傳感技術(shù)在軌道狀態(tài)檢測(cè)中應(yīng)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(cè)的解決方案。在本論文對(duì)兩種方案的傳感原理及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)定位的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及軟硬件構(gòu)架的具體實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析及處理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，而且得出了重要的結(jié)果。 本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下： 一．對(duì)光纖光柵的制作原理進(jìn)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(yīng)用中，F(xiàn)BG適于檢測(cè)波長(zhǎng)，能提供絕對(duì)波長(zhǎng)參量變化信息；FCG適于檢測(cè)光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)低成本的動(dòng)態(tài)測(cè)量。 二．對(duì)FBG和FCG的應(yīng)變傳感特性進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：FBG和FCG的傳感輸出量與輸入應(yīng)變量之間有著良好的線性關(guān)系和高的靈敏系數(shù)，中心波長(zhǎng)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(yīng)變的譜形移動(dòng)的靈敏度約為1 pm/μ

4、ε。 三．按照FBG和FCG的應(yīng)變傳感原理，傳感檢測(cè)的最優(yōu)位置應(yīng)兼顧信噪比和應(yīng)變場(chǎng)沿光柵方向的方向?qū)?shù)。依據(jù)約束條件，利用Ansys軟件進(jìn)行有限元分析結(jié)果表明，鋼軌底部中間沿中線方向?yàn)樽罴褭z測(cè)位置，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的固定裝置。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)一列140km/h的客車通過(guò)檢測(cè)處時(shí)，F(xiàn)BG傳感器檢測(cè)到的波長(zhǎng)峰值偏移量達(dá)到150pm，F(xiàn)CG傳感器檢測(cè)到的電壓變化量到達(dá)150mv。 四，依據(jù)FBG和FCG檢測(cè)信號(hào)特點(diǎn)，分別為它們?cè)O(shè)計(jì)