基于布里淵散射光纖傳感器的軌道監測研究

劉寶+王月太

摘 要：該文詳細介紹了外界因素應變和溫度變化時布里淵頻移的變化的關系，說明了光纖布里淵散射傳感的原理，分析了布里淵散射光纖傳感器在軌道監測中的可應用性，以及軌道監測在鐵路運營中的重要性，最后提出了一種布里淵散射光纖傳感器監測系統結構。

關鍵詞：軌道監測 布里淵散射 應變 溫度

中圖分類號：U211.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（b）-0081-02

鋼軌——軌道的重要部件。鐵路線路常年暴露在外，作為軌道重要部件的鋼軌會受到環境的影響，由于環境的影響可能會發生安全隱患。通過對鋼軌進行一定的監測，可以得到軌道的一些實時狀態，并且通過對實時狀態的分析，預先發現一些隱患，并給工作人員發出警報，工作人員可以及時進行維修。由此可見，軌道監測是提升鐵路運營的安全性與可靠性的一種技術手段。

軌道監測易受到環境的影響，對其檢測設備有抗電磁干擾、損耗低等要求。光纖在通信中已應用廣泛，具有損耗低、帶寬資源豐富、耐高壓、抗電磁干擾等優點。因此布里淵散射光纖傳感器可以應用到軌道監測中。

1 布里淵光纖傳感器傳感原理

光通過光纖時，光子和光纖中自發熱運動產生的聲子會產生非彈性碰撞，碰撞會發生布里淵散射。布里淵散射光的頻率相對入射光的頻率發生變化。在普通石英單模光纖中，布里淵散射光的頻移與光纖的折射率和超聲聲速有關。而光纖的折射率和超聲聲速與溫度和應力有關。想要得到溫度和應力在光纖上的分布，可以通過檢測光纖中布里淵頻移的變化得到兩個變量的變化值。

布里淵頻移與溫度、應變的關系為：

其中，υB為布里淵頻移；n為介質折射率；E為楊氏模量；k為泊松比；ρ為介質密度，都是溫度和應變的函數。

此外，布里淵散射的強度也與溫度和應變有關，布里淵強度與溫度、應變的關系為：

其中，p B為布里淵散射的強度；λ為真空中的光波長；n為纖芯折射率；Aeff為光纖有效面積；T 為絕對溫度，k0為玻爾茲曼常數；ρ為光纖材料密度；p12為光纖彈光系數；VA為光纖中聲波的縱模聲速；v為光纖中的光速；W為脈沖寬度。

由上面的分析可知：通過測量光纖的布里淵頻移和布里淵強度，可以得到溫度和應變的具體信息。

2 布里淵散射光纖傳感器監測系統結構

布里淵散射光纖傳感器監測系統結構框圖如圖1所示。布里淵散射光纖傳感器的布里淵頻移和布里淵強度信息經過解調儀的解調發送到本地控制中心，由監測系統軟件對數據進行處理、分析和實時顯示。通過局域網可將數據傳送到上層控制中心，上層控制中心可以實現遠程控制。

3 結語

近年來，鐵路運輸在運輸行業的作用越來越重要，因此，對鐵路運輸的安全提出了更高的要求。而作為保證鐵路運輸安全的軌道在線監測技術的要求也越來越高。軌道監測需要更新的技術來提高安全，分布式光纖溫度和應變傳感器是新式的傳感器，可以克服傳統傳感器的缺點。相信光纖傳感器在不久的將來將會大范圍應用到鐵路運輸中，為提高鐵路運輸的安全提供有力的保障。

參考文獻

[1] 張旭蘋.全分布式光纖傳感技術[M].北京：科學出版社，2013.

[2] 潘建軍.光纖傳感軌道監測的研究與應用[D].武漢：武漢理工大學，2012.