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

1、鐵路系統(tǒng)中的軌道是鐵路運營最基礎(chǔ)的設(shè)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(shè)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(gòu)成網(wǎng)絡(luò)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(shù)在軌道狀態(tài)檢測中應(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(shè)計，系統(tǒng)總體方案設(shè)計及軟硬件構(gòu)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(jié)果。 本項目的主要研究內(nèi)容及結(jié)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(yīng)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(yīng)變傳感特性進行理論分析和實驗驗證。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，傳感檢測的最優(yōu)位置應(yīng)兼顧信噪比和應(yīng)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(jié)果表明，鋼軌底部中間沿中線方向為最佳檢測位置，并設(shè)計了相應(yīng)的固定裝置。試驗結(jié)果顯示，當(dāng)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(shè)計