光纤传感技术在高铁基础设施安全监测中的应用

徐玉胜

（中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳518034）

光纤传感技术在高铁基础设施安全监测中的应用

徐玉胜

（中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳518034）

在广深港客运专线莲花湖桥隧试验段应用光纤传感技术对钢轨横向位移、钢轨应变、桥梁上部结构与墩台相对位移等进行了监测。分析结果表明：列车经过时，钢轨轨腰与轨底处最大拉应变约为170×10-6，钢轨横向位移在1.0 mm以内，桥梁上部结构与墩台相对最大变形横向约为0.8 mm，纵向约为1.5 mm。分布式光纤传感器监测数据可以定性地反应温度作用下钢轨的应变状态，高铁基础设施现场安全监测宜采用光栅传感和分布式光纤传感相结合的方式。

光纤传感技术；高铁基础设施；安全监测

目前对高铁基础设施状态的安全监测及检测主要依靠天窗期开行综合检测列车和人工巡视。为了在高铁运营期间进行实时监测，需要在高铁基础设施上布设传感器。工程监测领域应用较为成熟的监测仪器有电阻式传感器和振弦式传感器。高铁线路的牵引动力电流以及轨道信号电流限制了电阻式传感器的应用，而振弦式传感器在长期监测时易出现零点漂移，也限制了其在高铁基础设施长期监测中的应用。光纤传感技术与传统的电类传感器和机械传感器相比，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、质量轻、体积小、兼备传感和传输功能、寿命长、可实现远距离的监测与传输、使用期限内维护费用低等优点，非常适合于高铁基础设施的长期实时监测。

1　光纤传感技术简介

光纤传感技术是一种以光纤为媒质，光为感知载体和信号传输载体的传感技术。当光波在光纤中传输时，一旦受到外界应力、温度等因素的影响，其传输光的波长、频移等参数会发生改变，通过对这些参数的监测，可获知光纤外面的环境信息。光纤传感技术采用的传感器按照传感范围可以划分为单点式光纤光栅传感器和分布式光纤传感器。

1.1单点式光纤光栅传感器

单点式光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化的相位光栅，当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，波长与待测应变或温度为一一对应关系，通过测量结构物变形前后反射光波长的变化，就可以获得对应应变或温度的变化。为了消除温度的影响，光纤光栅类传感器通常包含2个光纤光栅，并对称放置或其中1个悬空放置以实现温度补偿。光纤光栅传感器工作原理见图1。

图1　光纤光栅传感器工作原理

波长变化随应变和温度的变化规律为

式中：ΔλB为中心波长变化量；k为应变系数；Δε为应变量；α为光纤光栅温度系数；ΔT为温度变化量。

1.2分布式光纤传感器

分布式光纤传感器基于布里渊散射工作原理（见图2）。解调设备在光纤两端注入泵浦光和连续探测光，当2束光频率差等于光纤某点的布里渊频移时，弱的连续光信号将被强的脉冲泵浦光放大，使解调信号增大，解调灵敏度增高。当光纤某点发生应变或温度变化时，布里渊频移会发生相应变化，频移变化与应变或温度变化为一一对应关系，关系形式如式（1）。

图2　分布式光纤布里渊散射工作原理

2　应用案例

广深港客运专线莲花湖桥隧试验段位于东莞市长安镇和大岭山镇交界处，该段包括桥梁（10 m）、普通路基（70 m）和隧道（20 m）。考虑到影响高铁运营安全，现场主要对钢轨横向位移、钢轨应变、桥梁上部结构与墩台之间相对位移等项目进行监测。钢轨横向位移、桥梁上部结构与墩台相对位移采用光栅位移计传感器，钢轨应变监测采用了分布式光纤和光纤光栅传感器2种。光纤传感器布设如图3所示。光纤传感器检测项目见表1。

图3　光纤传感器布设示意

表1　光纤传感器检测项目

用于监测钢轨横向位移的光栅位移计一端通过膨胀螺丝固定在轨道板上，另一端通过特制夹具固定在钢轨轨底处。钢轨横向位移光栅位移计布设见图4。

监测钢轨应变的分布式光纤和光纤光栅传感器均布设在钢轨轨腰与轨底交界处，按照设定的预张拉量对分布式光纤和光纤光栅传感器张拉之后涂胶水固定。

监测桥梁上部结构与墩台相对位移的光栅位移计沿线路纵向和横向分别布设，光栅位移计一端通过膨胀螺丝固定在墩台上，另一端通过胶水固定在桥梁横向限位装置上。

图4　钢轨横向位移光栅位移计布设示意

3　测试数据分析

3.1钢轨横向位移

3.1.1列车经过时钢轨横向位移

列车经过时，按照1 kHZ频率采集数据，得到的钢轨变形见图5。可见，列车车轮经过测点时，钢轨横向位移最大，最大值约1.0 mm，整列列车经过之后，钢轨横向变形立即复原。

图5　列车经过时光栅位移计所测变形

3.1.2温度作用下钢轨横向位移

为了确定温度荷载对钢轨横向位移的影响，按照1次/10 min的采集频率采集数据。1 d内温度作用下钢轨变形量变化曲线见图6（a），温度变化曲线见图6（b）。

图6　钢轨温度变形与温度随时间变化趋势

由图6知，测试当天现场温度在19.5～35.5℃，温度作用下钢轨横向位移最大值约0.2 mm，表明该路段温度变化引起的钢轨横向位移较小。列车荷载对钢轨作用时间较短，列车经过后横向位移立刻恢复，钢轨横向位移主要是温度变化引起的热胀冷缩所致。

3.2钢轨应变

3.2.1列车经过时钢轨应变

由于列车运行速度非常快，为了捕捉到列车经过时钢轨应变的变化，按照1 kHz频率动态采集数据。列车经过时某测点的钢轨应变变化见图7。

图7　列车经过时光纤光栅传感器所测钢轨应变

由图7可知，列车车轮经过测点时传感器所测应变出现明显波峰，单节车辆前后车轮经过测点时间间隔为0.31 s，按照列车速度300 km/h计算，车厢长度为25.8 m，与单节车厢实际长度25 m接近，表明布设光纤光栅传感器可以准确测出列车荷载对钢轨横向位移的影响。光纤光栅传感器所测数据显示列车有8节车厢经过，列车经过时光纤光栅传感器所测钢轨最大拉应变约为170×10-6，最大压应变约为20×10-6，根据计算相应的钢轨竖向变形量在0.05～-0.40 mm。列车经过之后，钢轨的应变变化量迅速减小至3× 10-6以内，表明单次列车荷载作用下钢轨没有产生塑性变形。

3.2.2温度力作用下钢轨应变

钢轨应变主要由钢轨横向压力、列车荷载和温度共同作用引起，由钢轨横向位移数据分析可知钢轨变形受横向力影响较小，列车荷载对钢轨的影响主要在列车经过时，列车经过后不产生塑性变形，因此，钢轨应变主要由现场温度变化引起。1 d内不同时刻温度力作用下钢轨应变见图8。

图8　不同时刻温度力作用下钢轨应变

结合图6（b）分析，现场布设在钢轨上的温度传感器显示02：28钢轨温度为19.5℃，在12：12升高至35.5℃，14：54所测温度约为35.5℃，此后温度开始降低，在17：27降至21℃。现场光纤监测数据表明温度升高后钢轨产生压应变，随着温度的升高压应变一直增大，温度降低后压应变减小。现场钢轨温度升高1℃产生的压应变约为15×10-6。

3.3桥梁上部结构与墩台相对位移

3.3.1列车经过时桥梁上部结构与墩台相对位移

列车经过时以1 kHz的采集频率对布设在桥梁上部结构与墩台之间的光栅位移计进行数据采集，所测变形见图9。

图9　列车经过时桥梁上部结构与墩台间纵向与横向变形

由图9可知，桥梁上部结构与墩台之间的纵向和横向均产生变形，列车经过时横向变形最大值约0.8 mm，纵向变形最大值约1.5 mm。列车经过之后，纵向变形和横向变形迅速减小至0.2 mm以内，表明单次列车荷载对桥梁结构影响较小。

3.3.2温度作用下桥梁上部结构与墩台相对位移

1d内按照1次/10 min的采集频率对布设的纵向和横向光栅位移计进行数据采集，列车及温度作用下桥梁上部结构与墩台相对位移见图10。结合图6（b）分析，在列车开通运行之后，温度升高，桥梁上部结构和墩台之间纵向和横向相对位移均有所变大，横向、纵向均在0.5 mm以内，说明在短时间内列车荷载及温度的变化对桥梁上部结构与墩台相对位移量的影响非常小，在可控范围内。

图10　温度作用下桥梁上部结构与墩台相对位移

4　结论

将光纤传感监测技术在广深港客运专线莲花湖桥隧试验段进行了应用，并对现场应用情况进行总结并对监测数据进行了分析。得出如下结论：

1）光栅传感器监测精度高，可对钢轨应变、钢轨横向位移以及桥梁上部结构与桥墩相对位移进行实时动态监测，能够及时监测到这些参数的微小变化，非常适合高铁运营时期的动态实时监测。

2）分布式光纤传感器可明显监测到温度荷载作用下钢轨的应变变化情况，为高铁钢轨应变监测提供了一种定性的监测方式。

3）列车荷载作用下钢轨横向变形、钢轨应变以及桥梁上部结构与桥墩相对位移均非常小，并且列车经过后变形很快恢复，表明列车荷载对现场基础设施影响较小。

4）光纤传感器的测试数据可准确反应各测试项目的实际变化规律，表明现场传感器的布设和测试方法均比较适合高铁基础实施的在线安全监测。

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Application of Optical Fiber Sensing Technology in Safety Monitoring for High Speed Railway Infrastructure

XU Yusheng
（Shenzhen Research and Design Institute，China Academy of Railway Sciences，Shenzhen Guangdong 518034，China）

T he optical fiber sensing technologywas applied in Lianhua Lake bridge/tunnel test section of Guangzhou-Shenzhen-Hongkong passengers dedicated railway.T he rail lateral displacement，rail strain，and relative movement between bridge upperstructure and piers were monitored.T he anelysis results showed the maximum tensile strain was 170×10-6at the rail waist/bottom，the rail lateral displacement was within 1.0 mm，and the maximum relative movement between bridge upperstructure and piers was 0.8 mm in the lateral direction and 1.5 mm in the longitudinal direction.T he monitoring data from distributed optical fiber sensors may be used to qualitatively analyze rail strain which is affected by temperature.As for the safety monitoring of high-speed rail infrastructure，the combination of grating sensors and distributed optical fiber sensors is suggested.

Optical fiber sensing technology；High speed rail infrastructure；Safety monitoring

U213.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.36

1003-1995（2016）09-0143-05

（责任审编李付军）

2016-05-25；

2016-07-15

徐玉胜（1967—），男，副研究员。