高速铁路轨道状态监测中的光纤光栅传感技术分析

王秋鹏

（西安铁路职业技术学院，陕西西安，710026）

高速铁路轨道状态监测中的光纤光栅传感技术分析

王秋鹏

（西安铁路职业技术学院，陕西西安，710026）

本文分析光纤光栅传感技术在高速铁路轨道状态监测中的具体应用情况及技术优势等，予以合理优化措施，促进高速铁路轨道状态监测的发展。

高速铁路；光纤光栅传感技术；轨道状态；监测

0 引言

光导纤维在应用中可称作是光纤，通过全反射原理使得应用光模式进行传播的电磁波能量被局限到界面当中，且顺着光纤轴向促使光波往前推进。在光纤中的主要构成成分为纤芯、包层、涂覆层、增强纤维及保护套，而裸光纤主要构成成分有纤芯、包层以及涂覆层。在光纤在，其主体结构由纤芯、包层形成，成分为SiO2，直径在125μm，此通道使得光波得以有效传输。因为所使用的添加材料存在一定差异性的，如果纤芯、包层在构成方面出现一点差异，也有可能造成纤芯、包层出现并不一致的折射率，由此光信号传输过程中，光纤发挥着一定的束缚作用。因为掺锗光纤具有明显非线性吸收效应，一部分通信光纤通过紫外全息曝光而成为光纤光栅，可称作是光纤布拉格光栅（FBG），其纤芯具有的折射率通常会出现周期性改变。一般情况下，入射光经布拉格光栅的光波可以完全通过，并不会受到阻碍性的影响，但当入射光属于特定波长类型时，在布拉格光栅处会形成一定反射，由此导致入射光被反射回光来的方向。若外界应力或是温度对布拉格光栅造成一定影响的时候，往往导致栅格间隔发生一定改变，由此反射光实际波长会出现改变。由于布拉格光栅周期、纤芯有效折射率扰动使得光纤布拉格光栅受到一定的影响，从而导致其中心波长发生较为明显改变，所以对布拉格波长进行严格监测，当其发生改变时，可以确定被测对象由于外界温度、应变或是磁场发生改变而出现的变化情况。

1 光纤光栅传感原理

因为光纤具有一定光敏性，由此使得光纤材料被制为光纤光栅，光敏性为经过掺杂光纤的激光因为光纤折射率会随着光强空间分布而出现对应改变，且将变化情况及光强线性关系予以永久性保存，而且光纤纤芯发挥着窄带滤波器的功能。

光纤光栅作为栅格周期出现改变的一种光波导，当栅格出现改变时，会使得光纤在纵向的折射率出现明显变化，由此导致不同光波形耦合。采用一部分或是完全转移功率至另一种光纤模式内，使得入射光频谱发生变化。按照光栅、传播常数存在的差异，而不同相位条件会使得入射至光纤纤芯的基模耦合为并不相同的传输模式，此模式可向前传输，也可向后传输，相关公式为：（其中A是单模光纤光栅具体周期；β1、β2属于单模光纤光栅模式1、2时的具体传播常数）。若想实现向后传输，应使得上述公司的向前传输模式予以耦合，且应满足以下公式条件，即：其中，β01为单模光纤传输模式的传播常数。如满足上述公式得到较小光栅周期，此周期较短的光纤光栅可称作是光纤光栅。

当紫外光源在经过栅格挡板形成照射情况下，光纤纤芯会出现折射率变化，因周期性缩短而产生光纤布拉格光栅，折射率改变处于10-5-10-3范围。当光纤光栅出现折射率改变时，光谱内一小段会受到一定的影响，若宽带光波通过光纤光栅时，因为光栅处存在折射率的改变，会使得一部分入射光形成反射，但并不会导致其他光波受到影响，此类效应会导致光纤光栅对于光波波长存在选择性。

光纤光栅传感理论是将麦克斯韦经典方程作为应用基础，而光纤布拉格光栅反射波长公式为：λ = 2 neffA。通过图1与λ= 2neffA说明，在宽带光波信号入射至光纤内且于FBG内传输时，会于光栅位置形成模式耦合，当光波信号满足于 λB= 2 neff⋅A公式时出现反射，neff表示光纤纤芯位置的等效折射率，A表示光栅周期。由此可知，FBG会因外界环境而导致中心波长出现改变。按照其改变前后不同中心波长变化，可通过数学关系表明外界因素对光栅造成的影响。：表明光纤光栅外部环境改变会通过反射光具体中心波长予以有效反映。

图1 FBG传感原理示意图

2 光纤光栅传感技术在在高速铁路监测中的应用

我国高速铁路保持时速350km/h时，通常会设计无砟轨道。由于大跨度桥梁、长大隧道等极易发生问题，因此于此类特殊地段应对轨道结构状态予以有效监测。按照轨道结构的不同种类，其所监测关注部位具有一定差别。通常监测时会涉及以下内容:①环境因素，包括温湿度、风速等;②轨道结构构成部位形成的温度场;③钢轨结构层之间存在的相对位移;④钢轨存在的应变情况，轨道板、底座板等结构有关钢筋及在混凝土内部或时表面存在的应变情况;⑤宽接缝、砂浆层等结构间离缝值、梁缝伸缩情况。应按照监测工点情况合理制定监测方案，并对监测点进行合理布置。

2.1 传感器安装

对传感器进行安装时，需要花费较长现场施工时间。如需对轨道结构内的混凝土、钢筋产生的应变信息等予以有效监测，应提前在轨道结构实施混凝土浇筑前予以传感器装备的现场预埋，确保整个监测方案与施工的整个周期相适应。对轨道结构实施传感器的预埋时，需确保传感器引线能够伸出轨道结构外保持一定长度。而引线则需应用厚实铠装层类型的延长光纤，防止混凝土浇筑导致引线出现断裂，使得传感器难以存活。将伸出轨道结构的引线予以外套橡胶管进行有效保护，混凝土浇筑过程中不可对传感器安装处予以严重振捣。应在轨道结构各个监测工点合理安装环境温度传感器，注意传感器需放到塔式防辐射罩内，防止因阳光直射导致温度监测不准确。传感器与地面的距离应至少保持1.2m，防止在测量时应地面辐射温度而出现误差。

2.2 光纤熔接

当安装传感器成功后，应依据通道配置表将通道内每个传感器进行首尾连接，并将此传感器连接串的一端和主光缆的一芯相连。在和主光缆进行连接时，应通过光缆串接盒完成，此通道相应主光缆纤芯与传感器串进行熔接则可，其他截断的主光缆纤芯，可于截断位置进行重新熔接。在施工过程中，由于熔接工作需要耗费大量时间和精力，而且有可能熔接接头出现质量问题而导致返工，因此熔接时需保持严谨细致的态度。

2.3 传输光缆铺设

当传感器安装完成，并予以熔接后，应铺设传输光缆使得各个监测工点处传感器、光纤光栅解调仪等设备进行连接。对高速铁路轨道状态进行监测时，需使得传输光缆在线缆槽中进行埋设。而引出线下到机房中，如使用架空走线，需放置标示牌到光缆旁，表明其用途、责任人单位及联系方式;若通过埋地走线，需将光缆的外面套上PE管，且予以防水处理，防止冬季光缆外出现积水结冰现象，导致光纤被冻裂。

2.4 数据采集设备与无线传输模块

传感器需要通过传输光纤与监测机房相连，机房中的设备有机柜、终端盒、显示器、无线模块等。传感器信号经传输光纤被连接到终端盒中，通过光纤光栅解调仪使得光信号被解调成数字信息，并存储到主机硬盘内，应用无线模块定时方式，使得此类信息回传到远端主服务器，且予以有效处理分析。

2.5 数据处理与安全预警系统

主服务器端的综合管理平台软件可以对数据予以分类管理。将现场传回的数据予以有效筛除，将异常数据删除。通过数据软件予以整理，且与预置报警限值相比较，通过特定算法确定报警情况，当对警情予以核实后，可将报警信息发送到高速铁路运营维护部门及服务器管理人员处。

3 总结

通过对光纤光栅传感技术原理进行分析，且对高速铁路轨道结构状态监测中的光纤光栅传感技术应用进行了解，使得光纤光栅传感技相关的各个装置项目得到合理按照，通过采集数据的处于，确认监测警情，且根据警情予以及时处理，利于提高高速铁路轨道的安全性。

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[2]陈继宣,龚华平,张在宣.光纤传感器的工程应用及发展趋势[J].光通信技术,2009,33( 10):38-40．

[3]刘金遣,柴敬,圭盘等.岩层变形检测的光纤光栅多点传感理论与工程应用[J].光学学报，2008，28（11）：2143-2147.

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