光纤光栅传感器在列车健康监测中的应用

光纤光栅传感器在列车健康监测中的应用
　　光纤传感器是以光纤作为传感材料，外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量发生变化的传感器。这些被调制的物理特征参量包括光的强度、频率、波长、相位和偏振，其中后四种物理特征参量的调制使得光纤传感器对被测量敏感。
　　一个完整的光纤传感器系统包括光源、光纤、光纤器件、传感元件、探测器、信号处理和传感器外壳等部分。
　　1)典型的光纤传感器光源有发光二极管和半导体激光器；白炽灯也可用于某些化学传感器。
　　2)光纤包括石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤，其中石英光纤和玻璃光纤主要用于红外波段，塑料光纤则主要用于可见光波段；在某些传感器中还需要用专门研制的光纤。
　　3)光纤器件是为了使信号被限制在纤芯范围内传输，或是为了改变光的某些参数使其   适合于测量的部件，典型的光纤器件有光纤祸合器、滤波器、衰减器等，在一些简单的光纤传感器中有时没有光纤器件。
　　4)传感元件是根据被测信号来调制光纤传输光参数的部件，它有时候是光纤本身，如拉曼散射式光纤温度传感器；有时候是对光纤进行的处理，使其对被测量敏感，如光纤光栅传感器；有时候是通过一些结构将被测量转变为机械形变来对光纤进行调制，如电致伸缩式电压传感器；还有的是通过外部的敏感元件来对传输光进行调制，如荧光式光纤温度传感器。
　　5)探测器是用来对光信号进行检测的器件，一般包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电雪崩二极管、光电倍增管等传感器配件；由于现有的光电探测器只能检测光强信号，有的传感器中还需要使用专门的光路结构来将光的频率、波长、相位、偏振态转变为光强来进行检测。
　　6)信号处理单元接收光电探测器输出的电信号，将其还原为被测信号，并为传感系统的后续控制电路提供接口。
　　光纤传感器可以测量许多参数，如位移、应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、角速度、电压、电流、气体浓度等。光纤传感器的测量原理也分许多种，比较常见的有荧光测量原理、半导体测量原理、光纤光栅测量原理、F-P腔测量原理、光纤微弯测量原理等。
　　轨道装备的智能诊断与维护检修是轨道交通装备智能化的重要方向。在轨道装备的智能诊断中，需要由各类的传感器来获取铁路运行的大量实时信息，这些信息汇总到铁路指挥调度中心的专家系统里面，进行故障预警和故障诊断，通过智能网络支持列车的维护检修。光纤光栅传感器在列车健康状况参数的实时监测中具有很大优越性，因为它可以测量许多参数，同时也可以很方便地分布成网，对大量信息进行实时监测。
　　1、列车转向架健康监测
　　转向架是列车的重要部件，其健康状况关系到列车运行的平稳性与   性。国内许多列车上都对转向架的加速度、温度等参数进行测量，以监测其健康情况。然而传统的电类传感器在转向架的健康监测中存在诸多缺点，如：转向架上的电磁干扰环境较为恶劣，电机启动和停止时会产生的电磁干扰；转向架上有时会有高电压存在；电类传感器需要屏蔽，体积较大，难以安装于刹车片等关键部位的表面。
　　光纤光栅传感器非常适合于列车转向架的健康监测。2007年香港理工大学的有关学者与香港地铁公司合作，在地铁列车上安装了一套列车健康监测系统。该系统使用了300多个光纤光栅传感器，对列车上所有转向架的加速度、电机绕组温度、电机轴端温度、刹车片温度、刹车片的应力等参数进行了测量，并根据测量结果进行了故障预测，很好地提高了列车运行的   性与维修的及时性。
　　2、车厢关键焊点的健康监测
　　列车上许多部件都是通过焊接组装起来的，这些焊点长期使用会因振动、腐蚀等原因而变得不，从而给铁路行车   带来隐患。对一些关键焊点的应力进行监测可以提早发现焊点的性问题。传统的电阻应变片存在许多问题，   先它的体积比较大，将它布置在车上时它本身就有脱落的危险；其次它的性能不好，长期使用会因为水汽、生锈等原因而发生故障；此外它会受到电磁干扰的影响。使用光纤光栅传感器就能解决这些问题，并且光纤光栅对于应变的灵敏度比电阻应变片灵敏得多。香港理工大学的有关学者应用光纤光栅传感器对车上一些关键焊点的应力进行监测，提高了列车运行的   性。
　　3、列车载荷监测
　　光纤光栅传感器还可装在轨道上用于列车载荷的监测。如香港地铁公司在地铁轨道上安装光纤光栅传感器，对钢轨的应力进行实时监测，从而实现以下几个目的：监测轮轨的健康情况；监测列车的载荷，从而估算列车上的交通流量；监测两条铁轨的载荷差别，防止因载荷过于集中而造成轮轨损坏；监控列车进站情况，防止列车相撞。特别是在列车进站的监测方面，光纤光栅传感器的性比电磁式传感器的性要好，可避免电磁式传感器因受电磁干扰而产生虚报的现象。