高速鐵路軌道狀態監測中的光纖光柵傳感技術分析

王秋鵬

（西安鐵路職業技術學院，陜西西安，710026）

高速鐵路軌道狀態監測中的光纖光柵傳感技術分析

王秋鵬

（西安鐵路職業技術學院，陜西西安，710026）

本文分析光纖光柵傳感技術在高速鐵路軌道狀態監測中的具體應用情況及技術優勢等，予以合理優化措施，促進高速鐵路軌道狀態監測的發展。

高速鐵路；光纖光柵傳感技術；軌道狀態；監測

0 引言

光導纖維在應用中可稱作是光纖，通過全反射原理使得應用光模式進行傳播的電磁波能量被局限到界面當中，且順著光纖軸向促使光波往前推進。在光纖中的主要構成成分為纖芯、包層、涂覆層、增強纖維及保護套，而裸光纖主要構成成分有纖芯、包層以及涂覆層。在光纖在，其主體結構由纖芯、包層形成，成分為SiO2，直徑在125μm，此通道使得光波得以有效傳輸。因為所使用的添加材料存在一定差異性的，如果纖芯、包層在構成方面出現一點差異，也有可能造成纖芯、包層出現并不一致的折射率，由此光信號傳輸過程中，光纖發揮著一定的束縛作用。因為摻鍺光纖具有明顯非線性吸收效應，一部分通信光纖通過紫外全息曝光而成為光纖光柵，可稱作是光纖布拉格光柵（FBG），其纖芯具有的折射率通常會出現周期性改變。一般情況下，入射光經布拉格光柵的光波可以完全通過，并不會受到阻礙性的影響，但當入射光屬于特定波長類型時，在布拉格光柵處會形成一定反射，由此導致入射光被反射回光來的方向。若外界應力或是溫度對布拉格光柵造成一定影響的時候，往往導致柵格間隔發生一定改變，由此反射光實際波長會出現改變。由于布拉格光柵周期、纖芯有效折射率擾動使得光纖布拉格光柵受到一定的影響，從而導致其中心波長發生較為明顯改變，所以對布拉格波長進行嚴格監測，當其發生改變時，可以確定被測對象由于外界溫度、應變或是磁場發生改變而出現的變化情況。

1 光纖光柵傳感原理

因為光纖具有一定光敏性，由此使得光纖材料被制為光纖光柵，光敏性為經過摻雜光纖的激光因為光纖折射率會隨著光強空間分布而出現對應改變，且將變化情況及光強線性關系予以永久性保存，而且光纖纖芯發揮著窄帶濾波器的功能。

光纖光柵作為柵格周期出現改變的一種光波導，當柵格出現改變時，會使得光纖在縱向的折射率出現明顯變化，由此導致不同光波形耦合。采用一部分或是完全轉移功率至另一種光纖模式內，使得入射光頻譜發生變化。按照光柵、傳播常數存在的差異，而不同相位條件會使得入射至光纖纖芯的基模耦合為并不相同的傳輸模式，此模式可向前傳輸，也可向后傳輸，相關公式為：（其中A是單模光纖光柵具體周期；β1、β2屬于單模光纖光柵模式1、2時的具體傳播常數）。若想實現向后傳輸，應使得上述公司的向前傳輸模式予以耦合，且應滿足以下公式條件，即：其中，β01為單模光纖傳輸模式的傳播常數。如滿足上述公式得到較小光柵周期，此周期較短的光纖光柵可稱作是光纖光柵。

當紫外光源在經過柵格擋板形成照射情況下，光纖纖芯會出現折射率變化，因周期性縮短而產生光纖布拉格光柵，折射率改變處于10-5-10-3范圍。當光纖光柵出現折射率改變時，光譜內一小段會受到一定的影響，若寬帶光波通過光纖光柵時，因為光柵處存在折射率的改變，會使得一部分入射光形成反射，但并不會導致其他光波受到影響，此類效應會導致光纖光柵對于光波波長存在選擇性。

光纖光柵傳感理論是將麥克斯韋經典方程作為應用基礎，而光纖布拉格光柵反射波長公式為：λ = 2 neffA。通過圖1與λ= 2neffA說明，在寬帶光波信號入射至光纖內且于FBG內傳輸時，會于光柵位置形成模式耦合，當光波信號滿足于 λB= 2 neff?A公式時出現反射，neff表示光纖纖芯位置的等效折射率，A表示光柵周期。由此可知，FBG會因外界環境而導致中心波長出現改變。按照其改變前后不同中心波長變化，可通過數學關系表明外界因素對光柵造成的影響。：表明光纖光柵外部環境改變會通過反射光具體中心波長予以有效反映。

圖1 FBG傳感原理示意圖

2 光纖光柵傳感技術在在高速鐵路監測中的應用

我國高速鐵路保持時速350km/h時，通常會設計無砟軌道。由于大跨度橋梁、長大隧道等極易發生問題，因此于此類特殊地段應對軌道結構狀態予以有效監測。按照軌道結構的不同種類，其所監測關注部位具有一定差別。通常監測時會涉及以下內容:①環境因素，包括溫濕度、風速等;②軌道結構構成部位形成的溫度場;③鋼軌結構層之間存在的相對位移;④鋼軌存在的應變情況，軌道板、底座板等結構有關鋼筋及在混凝土內部或時表面存在的應變情況;⑤寬接縫、砂漿層等結構間離縫值、梁縫伸縮情況。應按照監測工點情況合理制定監測方案，并對監測點進行合理布置。

2.1 傳感器安裝

對傳感器進行安裝時，需要花費較長現場施工時間。如需對軌道結構內的混凝土、鋼筋產生的應變信息等予以有效監測，應提前在軌道結構實施混凝土澆筑前予以傳感器裝備的現場預埋，確保整個監測方案與施工的整個周期相適應。對軌道結構實施傳感器的預埋時，需確保傳感器引線能夠伸出軌道結構外保持一定長度。而引線則需應用厚實鎧裝層類型的延長光纖，防止混凝土澆筑導致引線出現斷裂，使得傳感器難以存活。將伸出軌道結構的引線予以外套橡膠管進行有效保護，混凝土澆筑過程中不可對傳感器安裝處予以嚴重振搗。應在軌道結構各個監測工點合理安裝環境溫度傳感器，注意傳感器需放到塔式防輻射罩內，防止因陽光直射導致溫度監測不準確。傳感器與地面的距離應至少保持1.2m，防止在測量時應地面輻射溫度而出現誤差。

2.2 光纖熔接

當安裝傳感器成功后，應依據通道配置表將通道內每個傳感器進行首尾連接，并將此傳感器連接串的一端和主光纜的一芯相連。在和主光纜進行連接時，應通過光纜串接盒完成，此通道相應主光纜纖芯與傳感器串進行熔接則可，其他截斷的主光纜纖芯，可于截斷位置進行重新熔接。在施工過程中，由于熔接工作需要耗費大量時間和精力，而且有可能熔接接頭出現質量問題而導致返工，因此熔接時需保持嚴謹細致的態度。

2.3 傳輸光纜鋪設

當傳感器安裝完成，并予以熔接后，應鋪設傳輸光纜使得各個監測工點處傳感器、光纖光柵解調儀等設備進行連接。對高速鐵路軌道狀態進行監測時，需使得傳輸光纜在線纜槽中進行埋設。而引出線下到機房中，如使用架空走線，需放置標示牌到光纜旁，表明其用途、責任人單位及聯系方式;若通過埋地走線，需將光纜的外面套上PE管，且予以防水處理，防止冬季光纜外出現積水結冰現象，導致光纖被凍裂。

2.4 數據采集設備與無線傳輸模塊

傳感器需要通過傳輸光纖與監測機房相連，機房中的設備有機柜、終端盒、顯示器、無線模塊等。傳感器信號經傳輸光纖被連接到終端盒中，通過光纖光柵解調儀使得光信號被解調成數字信息，并存儲到主機硬盤內，應用無線模塊定時方式，使得此類信息回傳到遠端主服務器，且予以有效處理分析。

2.5 數據處理與安全預警系統

主服務器端的綜合管理平臺軟件可以對數據予以分類管理。將現場傳回的數據予以有效篩除，將異常數據刪除。通過數據軟件予以整理，且與預置報警限值相比較，通過特定算法確定報警情況，當對警情予以核實后，可將報警信息發送到高速鐵路運營維護部門及服務器管理人員處。

3 總結

通過對光纖光柵傳感技術原理進行分析，且對高速鐵路軌道結構狀態監測中的光纖光柵傳感技術應用進行了解，使得光纖光柵傳感技相關的各個裝置項目得到合理按照，通過采集數據的處于，確認監測警情，且根據警情予以及時處理，利于提高高速鐵路軌道的安全性。

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Analysis of fiber Bragg grating sensing technology for track condition monitoring of high speed railway

Wang Qiupeng,
(Xi’an Institute of Railway Technology,Xi’an Shaanxi,710026)

Based on the analysis of fiber grating sensing technology application in high speed railway track state monitoring and technical advantages, reasonable optimization measures to promote the development of high speed railway track monitoring.

high speed railway; fiber grating sensing technology; track state; monitoring