光纖光柵傳感器在列車健康監測中的應用

光纖光柵傳感器在列車健康監測中的應用
　　光纖傳感器是以光纖作為傳感材料，外界信號按照其變化規律使光纖中傳輸的光波的物理特征參量發生變化的傳感器。這些被調制的物理特征參量包括光的強度、頻率、波長、相位和偏振，其中后四種物理特征參量的調制使得光纖傳感器對被測量敏感。
　　一個完整的光纖傳感器系統包括光源、光纖、光纖器件、傳感元件、探測器、信號處理和傳感器外殼等部分。
　　1)典型的光纖傳感器光源有發光二極管和半導體激光器；白熾燈也可用于某些化學傳感器。
　　2)光纖包括石英光纖、玻璃光纖和塑料光纖，其中石英光纖和玻璃光纖主要用于紅外波段，塑料光纖則主要用于可見光波段；在某些傳感器中還需要用專門研制的光纖。
　　3)光纖器件是為了使信號被限制在纖芯范圍內傳輸，或是為了改變光的某些參數使其   適合于測量的部件，典型的光纖器件有光纖禍合器、濾波器、衰減器等，在一些簡單的光纖傳感器中有時沒有光纖器件。
　　4)傳感元件是根據被測信號來調制光纖傳輸光參數的部件，它有時候是光纖本身，如拉曼散射式光纖溫度傳感器；有時候是對光纖進行的處理，使其對被測量敏感，如光纖光柵傳感器；有時候是通過一些結構將被測量轉變為機械形變來對光纖進行調制，如電致伸縮式電壓傳感器；還有的是通過外部的敏感元件來對傳輸光進行調制，如熒光式光纖溫度傳感器。
　　5)探測器是用來對光信號進行檢測的器件，一般包括光電二極管、光電三極管、光電池、光電雪崩二極管、光電倍增管等傳感器配件；由于現有的光電探測器只能檢測光強信號，有的傳感器中還需要使用專門的光路結構來將光的頻率、波長、相位、偏振態轉變為光強來進行檢測。
　　6)信號處理單元接收光電探測器輸出的電信號，將其還原為被測信號，并為傳感系統的后續控制電路提供接口。
　　光纖傳感器可以測量許多參數，如位移、應變、壓力、溫度、振動、聲場、折射率、加速度、角速度、電壓、電流、氣體濃度等。光纖傳感器的測量原理也分許多種，比較常見的有熒光測量原理、半導體測量原理、光纖光柵測量原理、F-P腔測量原理、光纖微彎測量原理等。
　　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越性，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。
　　1、列車轉向架健康監測
　　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   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。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   性與維修的及時性。
　　2、車廂關鍵焊點的健康監測
　　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，從而給鐵路行車   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性問題。傳統的電阻應變片存在許多問題，   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。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   性。
　　3、列車載荷監測
 　　光纖光柵傳感器還可裝在軌道上用于列車載荷的監測。如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，光纖光柵傳感器的性比電磁式傳感器的性要好，可避免電磁式傳感器因受電磁干擾而產生虛報的現象。