微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)在鐵路安全監(jiān)測中的應(yīng)用研究

唐建平

中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司 重慶 400700

我國人口數(shù)量多、流動(dòng)大，鐵路運(yùn)輸責(zé)任重，但部分鐵路建成年代久遠(yuǎn)，因此鐵軌易出現(xiàn)內(nèi)部裂痕、損傷，給鐵路交通的安全帶來極大的威脅[1-3]。由于鐵路建設(shè)范圍廣、里程長，因此，如何采取有效的手段快速檢測鐵路軌道的損傷點(diǎn)位置及損傷程度，對(duì)鐵路的檢修工作與運(yùn)行安全具有十分重要的意義[4-5]。

王元清等[6]以大鳧線特大鐵路橋梁工程為依托，通過橋梁表觀損傷檢測來鑒定橋梁結(jié)構(gòu)的完整性和技術(shù)狀況，并基于材料檢測和構(gòu)件測量獲得現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

鐘崔正[7]針對(duì)長大貨物車通過損傷鐵路橋梁工況下的損傷檢測，以D26G長大貨物車安全通過廣深三線K67＋484石龍北橋?yàn)闄z測實(shí)例，提出通過理論計(jì)算與實(shí)橋監(jiān)測相結(jié)合的檢測對(duì)策。

劉瑞等[8]研究設(shè)計(jì)了一種帶有2種檢測模式的磁記憶檢測系統(tǒng)，并針對(duì)不同檢測條件，設(shè)計(jì)了不同的檢測方案，分別進(jìn)行了低速或者靜止?fàn)顟B(tài)下及高速巡檢狀態(tài)下對(duì)鐵軌缺陷的檢測，得出該系統(tǒng)能夠精確檢測鐵路軌道損傷的結(jié)論，具有良好的應(yīng)用前景。

管京周等[9]介紹了鐵質(zhì)材料（鐵軌）因長期超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或損傷的檢測方法，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的鐵軌損傷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了單PC對(duì)多條鐵軌同時(shí)進(jìn)行損傷檢測的技術(shù)效果，還獲得了良好的檢測精度，具有高度可靠性。

徐錫江等[10]基于分布式光纖傳感技術(shù)，提出其在嚴(yán)寒地區(qū)特殊的地理環(huán)境條件下，在高速鐵路無砟軌道的損傷檢測方面的應(yīng)用前景，并進(jìn)一步建立了鐵路軌道全壽命周期的安全監(jiān)測系統(tǒng)，為嚴(yán)寒地區(qū)鐵路軌道系統(tǒng)的長期安全運(yùn)營提供了技術(shù)支撐。

上述研究均存在精度不能適用于長距離鐵路軌道損傷檢測的問題。本文通過在某鐵路試驗(yàn)場展開損傷檢測試驗(yàn)，深入研究了微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)在長距離鐵路軌道中的特殊優(yōu)勢，并通過設(shè)置無擾動(dòng)、鐵錘敲擊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)、鐵錘敲擊相鄰節(jié)點(diǎn)及火車行駛等多種不同工況下的軌道振動(dòng)信號(hào)檢測試驗(yàn)，探討微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)在鐵道損傷檢測中的可靠性。

1 微結(jié)構(gòu)光纖傳感系統(tǒng)簡介

微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)使用布拉格光柵陣列作為傳感單元，其在不同溫度、不同應(yīng)力及不同振動(dòng)信號(hào)條件下均表現(xiàn)出了良好的檢測結(jié)果。基于結(jié)構(gòu)模式耦合理論，可以得出式（1）、式（2）：

式中：R——光柵的反射率；

Δλ——光柵的帶寬，Δλ=3 dB；

λB——布拉格波長；

L——光柵長度；

k——相機(jī)參數(shù)；

s ——折減系數(shù)；

Δn——反射角；

neff——有效反射角；

P——單次橫向傳播長度。

由式（1）、式（2）可知，光柵的反射率隨著折射率的弱化而逐漸降低，同時(shí)隨著光柵的長度減小而增大，因此，選擇合適的光柵周期和長度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精確程度與檢測信號(hào)的強(qiáng)弱非常重要。此外，3 dB帶寬反射率可以小于0.5 nm，探測光線在經(jīng)過微結(jié)構(gòu)時(shí)，只有中心很小一段會(huì)發(fā)生反射，且反射率很小，因此光的損耗小。綜上所述，微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)具有檢測結(jié)果精確、檢測效果好、能夠?qū)崿F(xiàn)長距離傳感的特殊優(yōu)勢，因此在鐵路安全監(jiān)測中具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 光纖布置

本次試驗(yàn)在我國某城市鐵路試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)鐵路段采用帶焊縫的標(biāo)準(zhǔn)損傷鐵軌，且沿鐵軌分布有不同長度、不同類型、不同聚集特點(diǎn)的鐵軌損傷形式，以供損傷檢測試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證使用。本次試驗(yàn)在近60 m鐵軌試驗(yàn)段上軌腰處使用膠帶粘貼微結(jié)構(gòu)光纖，以便微結(jié)構(gòu)光纖的回收使用，信號(hào)采集頻率為8 kHz，光纖布置方式如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)方案

圖1 試驗(yàn)鐵軌段光纖布置方式

為探索微結(jié)構(gòu)分布式光纖傳感系統(tǒng)在鐵路安全檢測中的應(yīng)用，本研究共設(shè)計(jì)了無擾動(dòng)、鐵錘敲擊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)、鐵錘敲擊相鄰節(jié)點(diǎn)及火車行駛等多種不同工況下的軌道振動(dòng)信號(hào)檢測試驗(yàn)。將該技術(shù)推廣到實(shí)際應(yīng)用中需要面對(duì)鐵軌常處于運(yùn)行狀態(tài)的問題，因此需要考慮火車行駛情況。本試驗(yàn)的主要目的是研究火車行駛條件下鐵軌的損傷檢測效果，因此將其作為重點(diǎn)試驗(yàn)，將其余試驗(yàn)作為前置試驗(yàn)及對(duì)比試驗(yàn)。前置試驗(yàn)通過在鐵路試驗(yàn)段鐵軌上合理設(shè)置微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)，通過敲擊不同地方，能夠探測到鐵軌損傷節(jié)點(diǎn)及損傷情況。重點(diǎn)試驗(yàn)是在該試驗(yàn)段上提供火車行駛的工況，全測試段共設(shè)置30個(gè)振動(dòng)信號(hào)測試節(jié)點(diǎn)。此外，本次試驗(yàn)所用火車荷載為50 t，車身及車頭全長15 m，共有4組行駛車輪。

3 鐵軌振動(dòng)信號(hào)分析

3.1 前置試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究前置試驗(yàn)主要包括無干擾、鐵錘敲擊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)及鐵錘敲擊相鄰節(jié)點(diǎn)條件下鐵軌振動(dòng)信號(hào)測試試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)信號(hào)的篩選與處理，得出3種不同工況下鐵軌振動(dòng)信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

圖2（a）為無干擾條件下鐵軌的振動(dòng)信號(hào)圖。由圖可知：在無敲擊及列車行駛條件下，原試驗(yàn)環(huán)境及系統(tǒng)底噪帶來的信號(hào)干擾程度是非常小的，信號(hào)干擾強(qiáng)度均小于0.08，而設(shè)備條件的最大信號(hào)強(qiáng)度是3.14，由此可見影響程度小于5%，因此干擾程度是能夠接受的。

圖2（b）與圖2（c）分別代表了鐵錘敲擊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)及鐵錘敲擊相鄰節(jié)點(diǎn)2種工況下鐵軌的振動(dòng)信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果。分析可知，鐵軌從錘子的敲擊開始劇烈振動(dòng)，而隨著振動(dòng)波的不斷傳播，微結(jié)構(gòu)光纖傳感系統(tǒng)所收到的振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)類阻尼振動(dòng)式隨時(shí)間衰減的變化趨勢。進(jìn)一步對(duì)比敲擊檢測節(jié)點(diǎn)處與相鄰2 m處所獲得的信號(hào)可知，由于聲波在鐵軌中的傳播速度較大，因此開始出現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)非常接近。此外，在錘子敲擊節(jié)點(diǎn)條件下，信號(hào)強(qiáng)度的最大值達(dá)到2.8，而敲擊相鄰節(jié)點(diǎn)傳到檢測節(jié)點(diǎn)的聲信號(hào)最大值為1.4，僅達(dá)到敲擊節(jié)點(diǎn)條件下的50%。分析認(rèn)為，由于鐵軌存在一定程度的損傷，聲波在鐵軌中傳播會(huì)出現(xiàn)聲信號(hào)損耗情況，因此，敲擊2 m外節(jié)點(diǎn)傳播到檢測節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度要較敲擊節(jié)點(diǎn)條件下弱。由此可見，合理設(shè)置微結(jié)構(gòu)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)，通過敲擊不同的部位能夠有效檢測出鐵路鐵軌損傷所屬區(qū)段；此外，基于敲擊振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度的差異，能夠深入了解到該段鐵軌的損傷程度。

圖2 3種前置試驗(yàn)鐵軌振動(dòng)信號(hào)結(jié)果

3.2 火車行駛結(jié)果分析

圖3為火車行駛條件下26個(gè)節(jié)點(diǎn)在150 000 s內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)檢測結(jié)果三維顯示圖，圖中x軸表示不同檢測節(jié)點(diǎn)，y軸表示時(shí)間，z軸表示信號(hào)強(qiáng)度。

圖3 火車行駛條件下全試驗(yàn)段鐵軌振動(dòng)信號(hào)三維顯示結(jié)果

由圖3可知，隨著火車在鐵軌上逐漸移動(dòng)，振動(dòng)波信號(hào)亦逐漸移動(dòng)，且振動(dòng)信號(hào)峰值始終出現(xiàn)在火車行駛達(dá)到檢測點(diǎn)附近節(jié)點(diǎn)，這表明，聲波信號(hào)在鐵軌中的傳輸是逐漸衰退的，且衰退速度高于聲波在完整鐵軌傳遞中的衰減速度，說明聲信號(hào)存在嚴(yán)重的損耗現(xiàn)象，因此證明各鐵軌節(jié)段中均存在損傷現(xiàn)象。

進(jìn)一步依托沿振動(dòng)信號(hào)波峰兩側(cè)的衰減現(xiàn)象來分析信號(hào)強(qiáng)度的衰減趨勢與衰減速率，發(fā)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的衰減速率存在較大的差異。

經(jīng)過細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)5、15以及28附近聲波信號(hào)的衰減速率明顯高于平均衰減速率，而節(jié)點(diǎn)10和20處衰減速率則較慢。這表明，試驗(yàn)鐵軌路段在節(jié)點(diǎn)5、15以及28附近存在較嚴(yán)重的損傷點(diǎn)，因此聲波損耗率較大；而在節(jié)點(diǎn)10和20處則較為完整，損傷較小，因而聲波損耗小，衰減速率慢。

4 結(jié)語

通過在鐵路試驗(yàn)段鐵軌上合理設(shè)置微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)，通過敲擊不同地方，能夠探測到鐵軌損傷節(jié)點(diǎn)及損傷情況。將其推廣到實(shí)際應(yīng)用中，由于鐵軌常處于運(yùn)行狀態(tài)，因此需要考慮火車行駛情況。在火車行駛條件下，通過分析考慮時(shí)間、信號(hào)檢測節(jié)點(diǎn)條件下振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度及衰減速率數(shù)據(jù)，能夠獲得鐵軌損傷的時(shí)空分布情況，進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷鐵軌不同分段上是否存在損傷及損傷發(fā)育程度。

由此可見，微結(jié)構(gòu)光纖分布式傳感系統(tǒng)在鐵軌損傷檢測及安全監(jiān)測中具有十分良好的應(yīng)用前景。