光纖傳感器在列車溫度測量和監測的應用解決方案

列車在運行過程中需要監測轉向架上的電機溫度, 現在列車上大量使用的是鉑電阻式溫度傳感器, 這種傳感器在電機溫度的測量中可能出現因耐壓絕緣不夠而導致線路燒毀的問題;同時由于鉑電阻體積很小, 容易發生引線斷裂、短路的故障。

使用熒光光纖溫度傳感器可以很好地解決以上問題。一方面光纖傳感器沒有金屬元件, 絕緣性能良好;另一方面它只需要一根光纖就能進行測量, 結構上更為牢固可靠。同時, 熒光光纖傳感器成本較低, 測量電路結構較為簡單, 十分適合于電機的溫度測量。

列車需要對車廂中的溫度進行測量, 以達到防火監控的目的。目前列車上主要使用煙霧報警器和紅外報警器來進行防火監控, 但這類系統存在兩個方面的問題:一是它們只能在火災發展到明火階段后才能發現, 無法將火災消滅在隱患階段;二是它們的可靠性較差, 常發生誤報, 例如乘客在車上吸煙時就會觸發煙霧報警器。

目前有一種基于光纖拉曼散射的分布式光纖拉曼溫度傳感器, 它可以利用一根普通光纜對數公里范圍內光纜周圍的環境溫度進行測量, 測量精度達到±1℃, 它還可以對測量點的位置進行精確定位, 精度可以達到1m以內^[6]。利用該傳感器進行消防監控, 可以在溫度發生異常時就進行報警, 將事故消滅在萌芽階段。該傳感器目前已經廣泛應用于管道泄漏監測、地鐵隧道消防監控、電纜溝消防監控, 在車廂防火監控中也有著潛在的應用前景。

現在列車上測量車輪速度的傳感器主要有三種:光電式、霍爾式和磁電式, 其中光電式傳感器是通過光電碼盤來測量轉速。這種傳感器有絕緣耐壓和電磁干擾兩個方面的問題:首先當車輪與軌道之間導電不良時, 光電碼盤上會存在高電壓, 從而導致光電傳感器發生擊穿、燒毀的現象;其次光電速度傳感器的信號受到電磁干擾時會產生波動, 在停車或啟動期間會發生速度跳變問題^[21]。

光纖傳感器抗電磁干擾能力強, 耐壓等級高, 耐溫等級也要高于普通電子元器件, 十分適合于機車輪軸轉速的測量。可考慮采用基于光纖碼盤的光纖傳感器, 將光電碼盤替換為光纖碼盤, 使測量電路遠離測量現場, 可以極大地提高光電速度傳感器的耐壓等級和抗電磁干擾能力。

軌道裝備的智能診斷與維護檢修是軌道交通裝備智能化的重要方向。在軌道裝備的智能診斷中, 需要由各類高精度的傳感器來獲取鐵路運行的大量實時信息, 這些信息匯總到鐵路指揮調度中心的專家系統里面, 進行故障預警和故障診斷, 通過智能網絡支持列車的維護檢修。光纖光柵傳感器在列車健康狀況參數的實時監測中具有很大優勢, 因為它可以測量許多參數, 同時也可以很方便地分布成網, 對大量信息進行實時監測。

轉向架是列車的重要部件, 其健康狀況關系到列車運行的平穩性與安全性。國內許多列車上都對轉向架的加速度、溫度等參數進行測量, 以監測其健康情況。然而傳統的電類傳感器在轉向架的健康監測中存在諸多缺點, 如:轉向架上的電磁干擾環境較為惡劣, 電機啟動和停止時會產生很強的電磁干擾;轉向架上有時會有高電壓存在;電類傳感器需要屏蔽, 體積較大, 難以安裝于剎車片等關鍵部位的表面。

光纖光柵傳感器非常適合于列車轉向架的健康監測^[22]。2007年香港理工大學的有關學者與香港地鐵公司合作, 在地鐵列車上安裝了一套列車健康監測系統。該系統使用了300多個光纖光柵傳感器, 對列車上所有轉向架的加速度、電機繞組溫度、電機軸端溫度、剎車片溫度、剎車片的應力等參數進行了測量, 并根據測量結果進行了故障預測, 很好地提高了列車運行的安全性與維修的及時性。

列車上許多部件都是通過焊接組裝起來的, 這些焊點長期使用會因振動、腐蝕等原因而變得不可靠, 從而給鐵路行車安全帶來隱患。對一些關鍵焊點的應力進行監測可以提早發現焊點的可靠性問題。傳統的電阻應變片存在許多問題, 首先它的體積比較大, 將它布置在車上時它本身就有脫落的危險;其次它的耐腐蝕性能不好, 長期使用會因為水汽、生銹等原因而發生故障;此外它會受到電磁干擾的影響。使用光纖光柵傳感器就能解決這些問題, 并且光纖光柵對于應變的靈敏度比電阻應變片靈敏得多。如圖1所示, 香港理工大學的有關學者應用光纖光柵傳感器對車上一些關鍵焊點的應力進行監測, 提高了列車運行的安全性。

光纖光柵傳感器還可裝在軌道上用于列車載荷的監測。如圖2所示, 香港地鐵公司在地鐵軌道上安裝光纖光柵傳感器, 對鋼軌的應力進行實時監測, 從而實現以下幾個目的:監測輪軌的健康情況;監測列車的載荷, 從而估算列車上的交通流量;監測兩條鐵軌的載荷差別, 防止因載荷過于集中而造成輪軌損壞;監控列車進站情況, 防止列車相撞。特別是在列車進站的監測方面, 光纖光柵傳感器的可靠性比電磁式傳感器的可靠性要好, 可避免電磁式傳感器因受電磁干擾而產生虛報的現象。

我國是一個自然災害多發的國家, 每年發生的地震、洪水、風暴、滑坡、泥石流、冰雪等自然災害給鐵路運輸帶來了嚴重的損失。通過鐵路防災監控系統, 可以提前對鐵路沿線災害的發生進行預測, 并對災害發生后幫助指揮人員及時進行響應, 將災害的損失降到最低。光纖傳感器由于其優異的測量性能, 在鐵路的自然災害監測中有著良好的應用前景。

鐵路橋梁、隧道在使用過程中需要對其結構進行監測, 一方面監測其混凝土結構的開裂情況, 可以提早采取措施防止危害進一步擴大, 另一方面可以測量橋梁結構的振動情況, 防止因振動過大對橋梁結構健康產生危害。

傳統的電類傳感器在鐵路建筑的健康監測方面有許多缺點:信號傳輸的距離較遠, 對信號線的屏蔽要求較高;系統結構和布線都比較復雜, 不同的參數需要用不同的處理單元;體積較大, 難以埋入到結構中;在潮濕的環境下可靠性較差;在橋梁的健康監測中還有因閃電擊壞傳感器的問題。

光纖光柵傳感器在鐵路建筑的健康監測方面優勢十分明顯:信號傳輸距離遠, 不需要考慮電磁屏蔽;只需要使用少量信號處理單元, 就可以把幾公里范圍內的大量參數都采集到, 系統布線較為簡單;體積小, 可以很輕松的埋入到混凝土和鋼筋中;耐腐蝕性能好, 不怕閃電。

目前光纖光柵傳感器已經應用于鐵路橋梁隧道的健康監測領域。它可以對結構應力、溫度、位移、土壓、滲壓等參數進行測量。隨著光纖光柵傳感器性能的不斷提高, 它在鐵路建筑的健康監測領域將得到越來越廣泛的應用。

鐵路邊坡落石對鐵路行車安全危害很大, 并且由于落石體積較小, 周圍環境復雜, 比較難以發現。傳統的邊坡落石解決辦法是依靠鐵路防護工人沿著鐵路巡邏, 靠肉眼檢查, 這種方式無法做到實時測量。現在光纖光柵已經被用來進行軌道落石的監測 (如圖3所示) 。該傳感器利用落石對鐵軌的震動進行測量, 可以判斷落石的大小和遠近。在高危地段分段布置多個傳感器, 就可以及時發現軌道落石, 并及時排除。

泥石流對鐵路安全危害極大, 它可以沖垮橋梁、路基, 甚至可以淹沒或推翻列車, 造成人員傷亡。過去人們對于泥石流的監測一直都沒有很好的方法, 而隨著光纖傳感技術的發展, 現在人們找到了兩種方法可以對危險坡段的泥石流進行實施監測。

一種方法是在山坡上布置光纖光柵位移傳感器網絡, 如圖4所示。當山體發生滑坡時, 位移傳感器就會檢測到表層山體相對于里層山體之間的位移, 從而發出報警信號。由于光纖光柵傳感器可以很方便地進行級聯, 可以測量大面積山坡的泥石流發生情況;同時光纖光柵能夠在惡劣的環境下長期穩定可靠的工作, 十分適合于泥石流的監測。

另外一種方法是在山坡上布置基于布里淵散射的分布式光纖布里淵應力傳感器^[7], 如圖5所示。這種傳感器利用光纖中的背向布里淵散射進行測量, 可以同時測量光纖沿線的溫度和應力情況, 并且可以精確定位測量點的位置。將這種光纖固定山體上的錨桿中, 當山體發生滑坡時, 碎石帶動錨桿移動, 從而拉扯光纖產生應力。根據散射光的強度和返回時間, 即可知道山體滑坡發生的地點。該傳感器只需要使用普通光纖, 成本較為低廉, 同時其測量范圍遠遠大于光纖光柵傳感器, 可以達到幾公里甚至幾十公里。

軌道領域的輸電線結冰和軌道結冰會對鐵路行車安全產生危害。2008年初發生在我國南方的大范圍的冰雪災害, 致使高壓輸電線被積冰拉斷, 導致京廣線停運。2005年鄭州鐵路局發生大面積接觸網和軌道道岔接冰, 造成列車嚴重滯留。2010年武廣、滬寧高鐵也因冰雪災害降速運行。在北方, 嚴重結冰發生的概率更大, 每年都給鐵路交通運輸造成很大損失。

分布式光纖布里淵應力傳感器可用于輸電線的結冰監測。其方法是, 將測量光纜與輸電線安裝在一起, 當有結冰和積雪發生時, 會導致測量光纜被拉伸, 通過應力測量即可知道輸電線纜是否有斷裂的危險, 并可準確地知道事故發生地點的位置。這種傳感器體積小、質量輕, 不會給輸電線帶來額外的負荷;抗電磁干擾能力強, 可以傳輸很遠的距離;同時它準確判斷位置的能力也是電類傳感器無法做到的。

分布式光纖傳感器也可以用于軌道結冰的監測。如圖6為公路路面結冰監測用分布式光纖拉曼溫度傳感器, 它通過檢測路面溫度來判斷路面是否有結冰發生的危險。將這種傳感器布置在軌道上的關鍵位置上, 便可用于軌道道岔結冰的輔助判斷。

本文對光纖傳感器在軌道交通領域的應用進行了概述, 分析了光纖傳感器在列車參數測量領域的優勢, 并深入討論了光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器在列車健康監測領域和鐵道災害防治領域中的應用現狀和前景。研究結果表明, 光纖傳感器在軌道領域有很好的應用前景, 例如, 由于光纖傳感器具有良好的抗電磁干擾性能和絕緣性能, 十分適合于列車溫度、速度的測量;由于光纖光柵傳感器具有靈敏度高、體積小、能夠串聯組網的優點, 可以用于列車健康監測和橋梁、隧道的健康監測;由于分布式光纖傳感器成本較低、可長距離連續測量, 可解決鐵路沿線的泥石流監測和鐵路電力傳輸網的結冰監測問題。

目前我國的軌道交通正向著智能化、網絡化的方向發展^[23]。軌道系統智能控制與智能決策的前提就是信息量的及時、準確獲取。研究光纖傳感器在軌道交通領域的應用, 不僅能夠提高信息獲取的可靠性與準確性, 還能夠對傳統的測量領域進行補充和延伸, 對于提升我國軌道交通裝備智能化以及交通系統智能化有著積極意義。