基于光纖光柵的高速鐵路道軌結構監(jiān)測方法及關鍵技術研究.pdf

1、近年來，我國的高速鐵路取得了舉世矚目的發(fā)展，已成為世界上高鐵營運里程最長，行車速度最高的國家。高速鐵路的運行安全性對于國家公共安全和人民生命保障都有重大意義。道軌結構的安全是高速鐵路安全性的關鍵環(huán)節(jié)。我國高鐵列車運行速度高，行車密度大，而且由于國土面積大，地理環(huán)境復雜，氣候條件惡劣等現狀導致道軌結構狀態(tài)的安全監(jiān)測顯得尤為重要。一直以來，鐵路系統(tǒng)都使用傳統(tǒng)電類傳感裝置對軌道結構進行監(jiān)測，但由于電類傳感裝置在惡劣的天氣和環(huán)境下監(jiān)測精度差、工

2、作壽命短，信號傳輸距離近，無法大規(guī)模組建監(jiān)測網絡的等缺陷，使得國內外對于軌道狀態(tài)監(jiān)測領域的研究均缺乏實質性進展。光纖傳感技術具有精度和靈敏度高、抗電磁干擾、壽命長、耐腐蝕、成本低等突出優(yōu)點。其中，光纖光柵傳感技術的信號為波長量，與傳統(tǒng)電信號傳感器的信號相比，沒有零點漂移，它的問世和發(fā)展，使得長達數十年的工程結構連續(xù)監(jiān)測成為可能。
　　 本文以光纖傳感技術、監(jiān)測技術和道軌工程技術為基礎，對道軌結構進行分析，根據光纖光柵的傳感原理設

3、計了針對高速鐵路道軌結構狀態(tài)監(jiān)測的傳感裝置及其解調方法。在此基礎上，研究了高速鐵路道軌結構狀態(tài)監(jiān)測的方法及關鍵技術，并且設計了監(jiān)測系統(tǒng)。通過實驗和實際應用驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和可靠性，并獲得了大量具有參考價值的監(jiān)測數據，通過數據分析，提出了監(jiān)測系統(tǒng)的改進方法。本文的主要研究內容如下:
　　 (1)光纖光柵傳感技術的研究
　　 以光纖布喇格光柵(FBG，Fiber Bragg Grating)傳感原理為研究基礎，針對高速

4、鐵路道軌結構狀態(tài)監(jiān)測需求對FBG的溫度、應變、位移等傳感原理進行了分析，并介紹了對FBG應變傳感的溫度補償技術和FBG的解調方法。通過對幾種光纖傳感復用方案的研究和比較，構建了一種基于波分復用和空分復用技術的FBG傳感網絡。
　　 (2) FBG傳感器的設計和制作
　　 對于高速鐵路道軌的鋼軌溫度力和道軌結構間位移，明確了對其進行實時監(jiān)測的意義和必要性。根據FBG的傳感原理和道軌結構的研究，設計并制作了FBG溫度、應變和

5、位移傳感器。應用有限元分析法對鋼軌受力進行分析，找到了鋼軌溫度力監(jiān)測傳感器安裝的最佳位置。通過分析監(jiān)測結果，對FBG溫度傳感器進行改進，使其更符合高速鐵路道軌結構溫度監(jiān)測的要求。通過向量式有限元分析法對應變環(huán)進行受力分析，從而采用環(huán)形結構重新設計了FBG位移傳感器并獲發(fā)明專利。針對高速鐵路道岔區(qū)間的安全需要，設計了一種FBG鐵路道岔密貼監(jiān)測裝置并獲發(fā)明專利授權，根據實驗結果證明其符合鐵路部門的要求。
　　 (3)高速鐵路無砟道軌

6、多狀態(tài)參量的實時監(jiān)測
　　 對高速鐵路無砟道軌結構狀態(tài)監(jiān)測設計了一套在線監(jiān)測裝置和系統(tǒng)，無砟道軌結構多參量在線監(jiān)測在我國尚屬空白，以武廣高鐵某特大橋的無砟道軌高速道岔和鄭西高鐵某特大橋上連續(xù)彎梁橋結構監(jiān)測為應用實例，研究無砟道軌多參量，包括3維溫度力、軌溫、結構間位移量等FBG傳感監(jiān)測點的布局，分析實測數據。并且將監(jiān)測方法和技術應用于某城市道軌交通的橋上線路的伸縮調節(jié)器狀態(tài)監(jiān)測中。實測的結果對高速鐵路和城軌無砟道軌結構設計、施工