（通信与信息系统专业论文）光纤光栅城轨计轴技术.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 城市轨道交通( 简称城轨) 具有运量大、快捷、安全、准点、环保等特点， 对于缓解城市交通拥堵、改善城市大气环境具有十分重要的意义。与铁路运输 行业情况相同，车辆运行的信号监测系统是城轨运输安全的重要技术设备。但 城轨的运营小编组、高密度、运行间隔短、效率更高，所以其运行信号监测的 难度比铁路大。 现阶段城轨信号监测主要是采用轨道电路技术和电磁计轴技术，由于这些 技术易受环境因素的制约，影响其监测结果的可靠性，不利于列车的安全运行。 光纤光栅传感技术具有精度和灵敏度高、抗电磁干扰、现场无电信号、尺寸小、 重量轻、耐环境温度变化、传输距离远、耐腐蚀、成本低等突出优点，因此成 功地应用于工程中对应力和温度等物理量的测量。 本论文根据光纤光栅传感原理开发了城轨的计轴一健康监测传感技术。其 原理是将f b g 传感器安装在钢轨上。车轮通过时，此段钢轨产生的应变会引起 f b g 的中心波长发生改变，经解调后得到动态应变曲线。统计其应变脉冲峰， 即得到对应的轮轴数和轮轴的运行状态，简言之为“应变一计轴和监测 技术。 该技术的主要目的是：计算轴数，确定轨道闭塞的状况，判断列车的运行方向， 因为是对轮轴应力的测量，该技术可监测过车的轴重和车轮的健康状态如松动， 失圆和车辆是否超载等。 本论文首先介绍了光纤光栅传感技术在城轨计轴系统中应用的理论依据。 从城轨列车的运行监测技术应具有智能化多重功能的需求出发，结合光纤光栅 传感器的特性和计算机技术，设计了基于光纤布喇格光栅的城轨列车计轴系统。 本论文还详细地介绍系统的结构，现场安装技术，信号处理技术，包括解调仪 与上位机的通信、数据处理以及判断轮轴峰的方法，以及成功地应用在武汉地 铁公司城轨车库轨道现场计轴的实践。 光纤光栅应变计轴和监测传感技术的试用实验证明，该技术具有可靠、准 确、现场免维护的特点，克服了目前使用的“轨道电路 技术和“电磁计轴一 技术所存在的缺陷，实现城轨的轨道闭塞信号精确采集和列车运行健康状况监 测的自动化。 关键字：光纤光栅传感技术，计轴，城轨，信号 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u r b a nr a i lt r a n s i ti sc h a r a c t e r i s t i cf o ri t sl a r g et r a n s p o r t a t i o nq u a n t i t y , h i g hs p e e d ， s a f e t y , p u n c t u a l i t y , e n v i r o n m e n t - f r i e n d l ya n ds oo n i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r r e l i e v i n gt r a f f i cc o n g e s t i o na n di m p r o v i n gu r b a na t m o s p h e r e s i s a lm o n i t o r i n gs y s t e m f o rv e h i c l ec i r c u l a t i o ni sa l li m p o r t a n tt e c h n i q u ee q u i p m e n tf o ru r b a nr a i lt r a n s i t s a f e t yw h i c hi st h es a m e 、航mt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n b u tt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y o fu r b a nr a i lt r a n s i ti sh i g h e ra n di sas m a l lm a r s h a l l i n g ，h i g hd e n s i t ya n ds m a l lt r a i n i n t e r v a l ，s oi t st r a i ns i g n a lm o n i t o r i n gi sh a r d e rt h a nt h er a i l w a y r i g h tn o wt h eu r b a nr a i l t r a n s i tm o n i t o r i n g m o s t l ya d o p t sr a i l w a yc i r c u i t t e c h n o l o g ya n de l e c t r o m a g n e t i ca c c o u n t s t a l kt e c h n o l o g ya n dt h e s et e c h n o l o g i e sw i l l b ea f f e c t e db ye n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，w h i c hi sd e t r i m e n t a lt ot h er a i l w a y ss a f e t y t r a i n i n g f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h em e a s u r e m e n t o fs t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed u et oi t sl l i g ha c c u r a c ya n ds e n s i t i v i t y ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，l o wc o s ta n ds oo n t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e da c c o u n t - - s t a l k - h e a l t hm o n i t o r i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ff i b e rg r a t i n g i t sp r i n c i p l ei sw h e n w h e e l sc o m et h r o u g h ， t h es t r a i no ft h er a i lw i l lg i v er i s et ot h ec h a n g eo ft h ec e n t r a lw a v e l e n g t ho ft h ef b g s e n s o r 。w ec a ng e tt h ed y n a m i cs t r a i nc u r v ea f t e rd e m o d u l a t i n gi t t h e nc o u n ti t sp u l s e p e a ko fs t r a i nw ec a ng e tt h ec o r r e s p o n d i n ga m o u n to ft h ew h la x l ea n dt h et r a i n c o n d i t i o no ft h ew h e e la x l e ，w h i c hi s “s t r a i n - a c c o u n t - s t a l ka n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y i ns h o r t t h em a i na i mo f t h i st e c h n o l o g yi s ：c a l c u l a t i n gt h ea m o u n to f t h ew h e e la x l e ， d e t e r m i n i n gt h ec o n d i t i o no ft r a c kj a ma n dd e c i d i n gt h et r a i n so p e r a t i o nd i r e c t i o n t h i st e c h n o l o g yc a nb eu s e dt om o n i t o rt h e w e i g h to ft h ew h e e la x l ea n dt h es a f e t y c o n d i t i o no f t h ew h e e l ss u c ha s - 1 0 0 s e ，o u to f c i r c u l a r i t y ，t r a i n so v e r l o a da n ds oo i l t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a lb a s i so ff i b e rg r m i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y s a p p l i c a t i o ni nt h ea c c o u n t - s t a l ks y s t e mo f t h eu r b a nr a i l w ed e s i g nt h ea c c o u n t - s t a l ks y s t e m o ft h eu r b a nr a i lb a s e do nf b g a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi n t e l l i g e n c ea n do t h e r f u n c t i o n si n t h e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo ft h eo p e r a t i o no fu r b a nr a i l w a i n c o m b i n a t i o n 、) l ，i n lt h ef e a t u r e so ft h ef i b e rg r a t i n gs e n s o ra n dt h e c o m p u t e r t e c h n o l o g y t h i sp a p e ra l s o i n t r o d u c et h i s s y s t e m ss t r u c t u r e ，l o c a li n s t a l l a t i o n t e c h n o l o g y , s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi n c l u d i n g t h e d e m o d u l a t o r , p c s 武汉理工大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，w a y so fd e c i d i n gt h ed i r e c t i o no ft h ep e a l 【o ft h e w h e e la x l ea n di t ss u c c e s s f u l l ya p p l i c a t i o ni nw u h a ng a r a g et r a c ko fu r b a nr a i li n d e t a i l 1 1 l es t r a i n a c c o u n t s t a l ko ff i b e rg r a t i n ga n di t sp r o b a t i o n a r ye x p e r i m e n t a p p r o v e st h a t ，t h i st e c h n o l o g yi sc h a r a c t e r i s t i co fr e l i a b l e ，a c c u r a c ya n do u to fl o c a l m a i n t e n a n c ew h i c hc o n q u e r st h ed e f e c t so fp o p u l a ru s e t r a c kc i r c u i t t e c h n o l o g y a n d “e l e c t r o m a g n e t i ca c c o u n t - s t a l k t e c h n o l o g y , r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i co ft h eb l o c k s i g n a lo ft h eu r b a nr a i lt r a n s i t sa c c u r a t e l ya c q u i s i t i o na n dt h et r a i n sh e a l t hs t a t u s m o n i t o r i n g k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y , a c c o t m t - s t a l k , u r b a nr a i lt r a n s i t ，s i g n a l m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：月日期：期o ，s 日期：竺! ：兰：至6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的意义与必要性 城市轨道交通( 简称城轨) 具有运量大、快捷、安全、准点、环保等特点， 对于缓解城市交通拥堵、改善城市大气环境具有十分重要的意义。大力发展城 市轨道交通，已经成为各国的共识。我国已将其作为解决城市交通问题的一项 重要政策措施。根据经济迅速发展和城市化进程加快的趋势，明确提出了“发 展大城市轨道交通 。目前，我国已有4 0 多个在建和筹建城市轨道交通系统。 城轨包括高峰小时能单向运送3 万人次以上乘客的地铁( 也可高架) 和单 向高峰小时能运送i - - 3 5 万人次的轻轨，如，跨座式单轨、直线电机、低速磁 悬浮、现代化有轨电车等。 对轨道闭塞状态进行实时监测是城轨列车系统安全运行的基础，也是铁路 信号自动控制系统最重要的依据，对保障行车安全、提高运输效率和运营管理 水平具有关键性作用。“闭塞 即与外界隔绝，轨道信号的闭塞是指列车进入 某区间后，要使之与外界隔离起来，区间两端车站都不能再向这一区间发车， 为了确保列车在车站区间内安全运行，列车由车站始发时，必须确保站区区间 空闲，避免发生列车正面相撞或者追尾事故。闭塞设备是实现“一个区间在同 一时间内，只允许一列列车占用 的轨道区间信号核心设备。所以对轨道状态 进行实时监测对保障铁路运行安全和高效有着重要的作用。 和普通铁路相比，城轨铁路的道床无砟，不利于排水，使得钢轨容易短路； 当列车运行至地下时，因为环境潮湿，也容易使钢轨短路，而且城轨的运营具 有小编组、高密度、运行间隔短等特点，所以要尽可能地在安全前提下提高运 营效率。与铁路运输行业一样，轨道闭塞自动监测系统是城轨运输安全生产的 重要技术设备，而且其信号应具有智能化多重功能：轨道闭塞信号；监测在线 车辆乘客是否超载的轴重信号；车轮的健康状态如松动、失圆等车况信号的监 测。 目前城轨信号监测系统大多使用基于数字轨道电路和电磁感应的计轴传感 器的列车自动控带i j ( a t c ) 系统。 轨道电路有它的优点，如结构简单、成本低廉等。但是也有其相应的缺点。 如有盐雾的海边和不经常行车的站区区段，会导致钢轨生锈、轨道绝缘带破损 武汉理工大学硕士学位论文 以及轨道区段的跳线锈断等：在北方干燥地区，沙尘浮于钢轨表面和铁锈一样 会使两轨互相绝缘；而在环境潮湿的隧道又会使绝缘变差；这些自然环境对铁 轨的破坏会导致轨道电路系统无法正常工作。另外，城轨的轨道又是电气牵引 回流的通道，与轨道电路的安装产生矛盾。由于轨道电路系统是地铁车站正常 运行的重要组成部分，列车的发车和停止都要根据轨道电路的监测信号来控制， 所以轨道电路难以正常工作会成为安全运行的隐患。 计算机技术的发展使电磁计轴系统得到了迅速的发展以及广泛的应用。采 用计轴系统来监测区间内的列车运行状态，并增加相应的轨道继电器控制电路 即可实现自动站间闭塞系统功能。它对保障列车行车安全、提高地铁运输能力 有着重要的作用。电磁计轴系统所采集的轮轴信号可以经过计算机的高速处理 来准确的实现站区区段控制。但是它是有源系统，需要外加电源，在外界难以 维护，而且人为和自然因素很容易导致干扰而无法辨别，所以电磁计轴系统的 使用也有局限性。 2 0 世纪6 0 年代，激光使得利用光的各种属性( 干涉、衍射、偏振、反射、 吸收、发光等) 的光检测技术，作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获 得了飞速的发展【1 1 。2 0 世纪7 0 年代，由于光纤不但具有良好的传光特性，而且 其本身就可用来进行信息传递，无需任何中间媒介就能把测量值与光纤内的光 特性变化联系起来。因此，2 0 世纪8 0 年代，光纤传感器就已显示出广阔的应用 前景。但是实际应用却不多，这主要是因为与传统的传感技术相比，光纤传感 器的优势是本身的物性特性而不是功能特性【2 - 7 】。因此，光纤传感技术的重要应 用之一是利用光纤质轻、径细、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、耐高温、信号衰 减小、集信息传感与传输于一体等特点，解决常规检测技术难以完全胜任的测 量问题【8 - 1 3 1 。 光纤光栅传感技术具有精确度高、稳定性好、防潮和防电磁干扰等特点， 因此被广泛的应用于应力和温度测量工程中，尤其是能在恶劣的环境中使用 1 4 1 。 基于光纤光栅的计轴系统将计算机技术、通信技术、传感技术、自动控制技术 有机的结合在一起，通过安装在道岔区段和无岔区段的f b g 传感器获得轴数信 号，将调制后的光信号传输到解调器，解调器再与上位机进行数据交换，最后 经过微处理器的分析、处理、存储、显示、输出，从而判断站区区段的状态。 与传统的传感器相比，光纤传感器主要有如下特点： ( 1 ) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光信 号传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕电磁干 2 武汉理工大学硕士学位论文 扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠； ( 2 ) 灵敏度高。利用长光纤和光波干涉技术使光纤传感器的灵敏度优于一般 的传感器； ( 3 ) 重量轻、体积小、外形可变。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还 有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传 感器。而且它易于埋入材料内部，是智能结构中的首选应变传感器； ( 4 ) 测量对象广泛以及对被测介质影响小； ( 5 ) 频带范围很宽，动态范围很大【1 5 j 。 由于光纤光栅传感器具有以上这些优势，而且它不受环境的影响，所以其 测量结果精确度高，可以满足地铁正常运行的要求。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 轨道状态监测技术 目前，普遍使用的轨道监测技术是轨道电路和电磁计轴技术。 ( 1 ) 轨道电路 轨道电路是利用轨道作为区间信号自动控制电路的介质的。可以根据其是 否被列车轮对短路来判断这一区段是否被占用【1 6 j 。轨道电路由钢轨线路、钢轨 绝缘带、电源、限流设备、接收设备组成。其中钢轨线路是由钢轨和钢轨两端 的导接线和连接导线组成。钢轨绝缘带是钢轨线路两端的绝缘装置，在轨道的 轨距板、轨距保持杆、尖轨连接杆等处都安装有绝缘装置。常用的电源有直流 电源、交流电源、脉冲电源等。限流设备是由可调整的电阻器或电抗器组成。 接收设备常用电磁式继电器或电子式继电器。 轨道电路的工作原理为：当闭塞区间内无列车行驶时，电流会从电源经由 轨道钢轨流经继电器，继电器有足够大的电流通过，吸起被磁化的衔铁，闭合 前接点，接通绿灯所在的电路，绿灯亮，表示前方线路空闲，允许列车驶入。 当有列车驶入闭塞区间时，由于轮对电阻很小，钢轨被短路，从而电流流过列 车车轴，并不会流经继电器，继电器吸力减弱，释放衔铁，接通后接点，接点 接通红灯所在的电路，红灯亮，表示禁行。假若轨道断裂，轨道电路因此阻断， 切断电流，继电器因供电不足而释放衔铁，接点同样会接通红灯所在的电路。 此时，虽然线路空闲，红灯仍然亮起，表示禁行，以此来保障列车的运行安全。 武汉理工大学硕士学位论文 当列车驶离整个区间时，继电器便会重新有电流通过，吸起衔铁，绿灯便会再 次亮起，表示列车已驶离，其他列车可进入。整个工作过程如图卜1 所示： 图i - i 轨道电路的工作原理 ( 2 ) 电磁计轴系统 虽然轨道电路得到了广泛的应用，但是在恶劣的环境下，即使站区区间内 空闲时，潮湿等环境因素会使道床电阻变低，从而将两段铁轨短路，导致红灯 亮起。虽然区间空闲，但是依然显示禁行红灯，这就是红光带现象。在风沙大 的地区，沙尘会浮于钢轨表面导致轨道区段跳线锈断。以上情况会造成两轨道 难以被驶过的车轮导通，造成轨道电路分路不良【l7 。由于轨道分路不良造成的 事故带来过重大损失和惨痛的教训【l 引。红光带现象和轨道电路分路不良都会导 致轨道电路系统无法正常工作，使得列车不能正常运行，影响行车效率。电磁 计轴系统不受外界环境以及轨道状况的影响，可以解决红光带的问题；而且它 不用钢轨做电路通道，所以不会出现分路不良的现象。 电磁计轴系统是在所监测的站区两端各设置一个计轴点，利用计轴点记录 驶入和驶出监测站区区段的列车轴数，通过比较两个计轴点记录的列车轴数来 判断区段状态是空闲还是占用。为了准确判断所监测站区区段内的车轴数，在 每一个计轴点安装两对车轴传感器，不仅能获得驶过计轴点的车轴数，而且还 能判断列车的运行方向。 电磁计轴传感器的结构如图i - 2 所示。其基本原理是【1 9 1 ：计轴传感器由两 对安装在钢轨上的磁头传感器组成，每对磁头传感器包括一个发送线圈和一个 接收线圈。发射线圈安装在钢轨外侧，接收线圈安装在钢轨内侧。由于计轴传 4 武汉理工大学硕士学位论文 感器采用的是电磁式有源探测方式，调幅和调相制相结合，所以它具有很高的 可靠性和良好的抗干扰能力。车轮驶过计轴点时，切割发送线圈的磁力线。接 收线圈根据感应到的磁力线分布变化情况，来判断是否有轮轴经过并计轴。车 轮先经过的线圈系统判断为从该线圈方向驶入，后经过的线圈系统判断为从该 线圈驶出，以此来判定列车的运行方向。当安装在站区区段两端的计轴检测点 所记录的驶入和驶出同一区段的车轴数一致时，就完成一次驶入驶出的过程。 具体工作情况如下：当列车驶过a 组传感器时，车轮切割磁力线产生轮轴 脉冲信号并传回控制室。a 站微机开始计轴并判别运行方向，此时b 站微机的 计轴数为0 ，比较两站的轴数不一致可得区间被占用，红灯亮起，表示禁行， 列车禁止驶入。当车轮驶过b 组传感器时，b 站微机开始计轴，当列车完全驶 过b 站传感线圈后，b 站微机与a 站微机所计轴数一样，经比较后判断区间空 闲，绿灯亮起，表示空闲，列车可以驶入。计轴传感器所采集的轴数脉冲信号 经计轴点轨道箱内部的电路对其进行预处理后，经铠装电缆传输至控制室的上 位机系统并处理。判断的结果经继电器电路输出并控制绿灯红灯亮灭，保证列 车的安全运行。 a r 接i 收线圈r 2 b 接收线圈 o o 厂p 啡 oo 隅筒i t 1 1 2 发送线圈 收发4一收v 一 - 一 j 收发1收发2l l 信号处理l - _ 上位机 t l- tt = j 由湄l= 由、源i 图1 - 2 电磁计轴传感器的结构及工作原理 虽然电磁计轴系统解决了轨道电路的很多缺点，但是其本身也有一些缺点刚： 武汉理工大学硕士学位论文 电磁计轴系统使用的是电磁有源传感器，当有金属物穿过线圈时也会 切割磁力线导致磁场变化从而造成干扰轴，从信号上很难分辨干扰信 号和列车车轴信号，导致系统无法正常运行： 整套设备结构复杂，成本高； 现场的轨道箱需配置电源和信号处理单元，难以维护； 因此我们要设计出一种安全性高，成本低，易于维护的计轴系统，由于光 纤光栅传感器有很多其他传感器不具备的优点，所以将光纤光栅传感器用于计 轴系统是可行的。 1 2 2 轨道监测技术的国内外研究现状及发展趋势 中国铁路在建国前很少采用轨道电路来传输信号，分布也极不平衡。1 9 2 4 年，中国首先在大连一金州间，沈阳一苏家屯间建成自动闭塞系统。采用的是 交流5 0 h z 二元三位式相敏轨道电路，这是中国最早采用的轨道电路。建国以 后从5 0 年代中期开始，轨道电路技术在中国有了长足的发展。不仅传输的信息 量增加了，而且它的使用已遍及全国，构成了中国铁路信号技术发展的基础。 自6 0 年代出现了电子联锁后，7 0 年代就采用电子计算机代替了传统的继 。电联锁。到了8 0 年代，出现了以计算机为核心的各种信号设备，如微机联锁、 微机自动闭塞、微机驼峰控制系统、微机调度集中等。中国投入运营的自动闭 塞系统有：交流计数自动闭塞系统、4 信息移频自动闭塞系统、1 8 信息移频自 动闭塞系统、法国的u t 自动闭塞系统。 微处理器在铁路控制系统中的应用，使各种集中控制的大系统有可能分解 成若干子系统，并通过分散的、单独的子系统进行组合或拼凑成各种类型的集 中控制系统，这是当前铁路信号技术在国际上发展的趋势。我国铁路如郑州北 站、丰台西站等，也部分实现了微机控制i z 。 我国铁路和城轨计轴市场大都被国外大公司如西门子、阿尔卡特、劳伦茨、 迪芬巴赫等分享。仅举西门子公司的信号系统在中国城轨的应用为例，西门子 垄断了广州地铁1 、2 、4 、5 、8 号线、上海辛闵轻轨线、北京地铁1 0 号线( 含 奥运支线) 、深圳地铁1 、4 号线一期工程、深圳地铁1 号线延伸线、南京地铁 l 、2 号线等项目。北京地铁一号线引进了英国西屋信号公司的列车自动控制 ( a t c ) 设备。联锁系统采用的是国产继电器联锁设备，区间自闭的轨道电路采 用f s - 2 5 0 0 无绝缘轨道电路。上海地铁一号线引进美国g r s 公司的a t c 系统 设备。上海地铁二号线引进了美国u s & s 公司的a t c 系统设备。联锁系统采 6 武汉理工大学硕士学位论文 用的是m i c r l o k 计算机联锁设备，区间采用a f - 9 0 0 数字式音频无绝缘轨道 电路完成列车检测和信息的传输。沈阳轻轨、武汉轻轨等引进西班牙阿尔卡特 的a t c 设备等等。 在铁路和城轨列车光纤传感计轴方面，h y t a m 2 2 】等人将基于光纤光栅传 感器的结构状态监测系统安装在轨道上，监测所有通过车辆的轮轨接触面的响 应情况和振动情况，测量车辆的质量、速度、加速度和倾角等参数，从而准确 控制列车的运行情况。香港理工大学已报道采用布喇格光纤光栅( f b g ) 进行轨 道列车健康检测的研究【2 3 j 。 近年来，国内外城轨信号的发展趋势是采用移动闭塞技术，它基于环线、 波导管、无线等技术实现地一车信息传递，确定列车所在线路位置，将列车所在 线路位置信息通过轨旁设备实时传送至室内控制设备；室内设备再将前方运行 列车位置信息由轨旁设备传送至后续列车，后续列车根据该信息调用计算机存 储的线路数据等资料，实时计算本列车最高运行速度；并在列车运行中不断进 行修正和计算，在确保列车安全条件下最大限度地提高线路通过能力。 我国目前在北京1 0 号线和奥运支线配备了西门子的移动闭塞技术，通过无 线局域网信号进行持续双向数据传递。伦敦获得主办2 0 1 2 年奥运会后，与庞巴 迪公司签定了1 7 5 亿英镑的合同，升级改造伦敦地铁维多利亚线的信号系统， 升级改造后的闭塞系统类似于移动闭塞系统。系统覆盖试验将于2 0 0 7 年开始， 所有的新型列车也将于2 0 1 0 年全部到货。系统升级改造工作将于2 0 11 年3 月全部 结束，以迎接2 0 1 2 年伦敦奥运会。 但是，移动闭塞技术使用感应轨间电缆，造成线路日常养护困难，所以， 在城轨正线上还要计轴设备作为移动闭塞故障情况下的备用设备使用。而且在 城轨车场，因为线路复杂，交叉干扰大，调度用的轨道电路和计轴设备是难以 被替代的。另外，移动闭塞技术不具备车辆的健康监测的功能。 随着我国经济水平的不断提高和城市轨道交通建设筹资的多样化，必然会 优先采用国内技术。而一个国家核心竞争力的基础是对自主知识产权的掌握。 本文研发的具有自主知识产权的光纤光栅城轨列车轮轴运行状态监测技术，就 是要打破国外技术对此领域的垄断。 1 3 本人的工作和本文的结构安排 本文分为五章，其中，第二章和以后的章节叙述了本人的工作。具体安排 7 武汉理工大学硕士学位论文 如f ： 第一章：绪论。通过讨论站区区段的监测手段，介绍了轨道电路系统，电 磁计轴系统等轨道监测技术。由于现有的监测技术存在某些缺陷，拟使用基于 光纤f b g 光栅传感的计轴技术； 第二章：光纤光栅传感器的设计；首先介绍了b r a g g 光栅的传感原理，通 过实验论证了b r a g g 光栅的波长漂移与其所受的应变具有良好的线性关系，提 供了b r a g g 光栅用在计轴系统上的理论依据。然后详细介绍了几种普遍使用的 解调技术以及在本系统中使用的光纤光栅解调技术。最后详细介绍了光纤光栅 计轴传感器的内部结构以及如何消除温度对测量结果的影响。 第三章：光纤光栅计轴系统的设计；首先介绍现场传感器的安装，这里要 考虑很多因素，如列车驶过时产生的振动以及钢轨间的绝缘。然后描述了总体 的设计方案，包括计轴点的布置以及信号的串联以及回送。最后通过实测列车 通过时的数据说明光纤光栅计轴系统可以满足地铁列车运行测控的需要。 第四章：光纤光栅计轴系统的软件设计；首先对计轴信号系统进行了需求 分析及功能模块分析，然后给出了软件设计的具体流程；其次介绍了在计轴系 统中使用的解调器m o i 的相关参数及其获取波长数据的方式。然后详细讨论了 解调器与上位机之间的通信过程，包括通信协议的选择以及高精度定时功能的 实现。讨论了数据库的访问方式以及波长数据的预处理方法和相应的寻峰算法。 最后介绍了输出计轴结果给控制轨道信号继电器电路的设计，对该控制系统进 行了软件和硬件方面的描述，包括软件的具体设计思路以及硬件电路图。 第五章：总结与展望；对本文的工作进行总结，并对以后的工作进行展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅计轴技术的原理和设计 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而 形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗 小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、 折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在传感领域得到了广泛的应用。 相对于传统的传感器，光纤光栅传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝 缘性好、耐腐蚀、防爆、光路有可挠曲性和可复用等优势，其测量信号不受连 接损耗、光纤弯曲损耗、光源功率波动和探测器老化等因素的影响。由于光纤 光栅传感器具有以上这些优势，所以可以将其应用于地铁列车计轴系统以代替 传统的轨道电路及电磁计轴设备。 2 1 光纤布喇格光栅的传感原理及实验验证 光纤布喇格光栅是在普通的光纤中，让纤芯折射率发生周期性变化而形成 的。其传感原理是：在光纤纤芯中传播的光信号将在每个光栅面处发生散射， 如果不满足布喇格条件，依次排列的光栅平面反射的光信号的相位将会逐渐变 得不同直到最后相互抵消。另外，由于系数不匹配，与布喇格谐振波长不相符 的光信号在每个光栅平面的反射也很微弱，这种反射将沿光栅长度累加。当满 足布喇格条件时，每个光栅平面反射回来的光信号逐步累加，最后会在反向形 成一个反射峰，中心波长由光栅参数来决定。如图2 - 1 所示。 外部弱理场 图2 - 1f b g 及其传感的基本原理 9 武汉理工大学硕士学位论文 相比于以往的各种光纤传感器，f b g 具有以下许多优点。 ( 1 )f b g 传感器是通过探测信号波长的漂移量来测量被测参数的变化 的，具有波长自参考特点，而且它对光源的强度变化不敏感，因此f b g 实现的 是一种绝对测量的方法； ( 2 )波长移动响应快，线性输出动态范围宽； ( 3 )f b g 的制作比较方便，不需要改变光纤的半径和纤芯半径等几何结 构，只是对纤芯的折射率分布做某些改变； ( 4 )f b g 因为是波长编码，所以可以采用复用技术，应用这些技术，f b g 可以方便的应用于准分布式传感系统中。 在光纤中传输的光波可用式( 2 - 1 ) 表示： e = e oc o s ( o d t + 矽) ( 2 1 ) 式中： 毛一光波的振幅； 缈一频率； 切相角。 式( 2 一1 ) 包含5 个参数，即强度晶2 、频率国、波长五= 2 x c 缈、相位o j t + 和偏振态，被测量在传感区域与光信号发生相互作用，被测量的变化调制传输 光光波的某一参数，使其随之变化，对已调制的光信号进行解调就可获得被测 量的变化。 2 1 1 光纤布喇格光栅测量应变的原理 光纤布喇格光栅的敏感变化参量为光的波长。外界环境如应变、温度的变 化会使光纤光栅的栅距和折射率发生变化，从而使光纤光栅的中心反射波长和 透射波长发生漂移。应变、温度的变化与波长漂移是一一对应的关系，可以通 过测量波长的漂移量来标定相应的应变和温度的值。所以利用光纤光栅对应变 和温度的敏感特性可制成光纤光栅传感裂2 4 1 。 对于光纤布喇格光栅，入射光通过布喇格光栅反射的中心波长厶由式( 2 - 2 ) 表示： 毛= 2 人 式中：，锄光纤纤芯的有效折射率； 1 0 ( 2 - 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 a 一光栅栅距。 将式( 2 - 2 ) 两边微分可得： 酏= 2 劭a 八+ 2 人厶呦 ( 2 3 ) 当外界的被测量如应变和温度发生变化时，弹光效应和热光效应使会引起 光纤折射率，哳发生变化，长度变化和热膨胀效应会使光栅栅距人发生变化，从 而使反射光的波长如发生变化峨，通过实时监测中心反射波长的偏移情况， 再根据觇矿和八与待测量之间的线性关系，即可获得待测物理量的变化。 光纤布喇格光栅的波长漂移k 和它所受的纵向应变s 的关系如式( 2 4 ) 所示： 五醛= 丸( 1 一成) s ( 2 4 ) 式中：成一光纤的弹光系数。 成2 刀2 届z y ( 角- 一n z ) 2 ( 2 5 ) 式中：岛l 、n ：一光纤的光学应力张量分量； i ，一泊松系数。 光纤中写入f b g 的测量灵敏度只与f b g 的材料有关，所以一旦选定了 f b g ，其测量灵敏度就为一定值。这就从根本上保证了光纤f b g 光栅作为传感 器件具有良好的线性输出特性。 2 1 2 光纤布喇格光栅计轴传感器的原理和实验验证 利用实验室的条件，对f b g 施加正压力而使之产生形变，从而使光栅周期 和折射率发生变化，进而导致使中心反射波长发生漂移，通过标定波长漂移量 与给f b g 施加的正压力之间的关系就可以验证光纤布喇格光栅的传感特性。因 为实验室温度变化不大，所以可以忽略温度变化对测量结果产生的影响。 光纤光栅进行压力传感测量的理论公式由式( 2 6 ) 确定，即 等= 型= 1 o a n ai aa p + 剖廿 ( 2 6 ) 以刀卯j 、 式( 2 6 ) 表示的就是光纤光栅的波长相对变化率峨以与压力变化廿之间的 武汉理工大学硕士学位论文 关系。 光纤长度变化的计算关系式如式( 2 7 ) 1 2 5 ，即 a l ( 1 - 2 9 ) p 一：= = 一一 le 折射率变化的计算关系式如式( 2 8 ) 闭，即 ( 2 - 7 ) i a n = 尝( 1 却) ( 2 胪a ，) ( 2 _ 8 ) 式中：e 一光纤的杨氏模量： 一光纤的长度； 一泊松系数； a ：，a 。一光纤的光弹系数。 因为址工= 叫a ，所以平均周期一压力关系和折射率一压力关系由式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 确定，即 1 ，o a ( 1 2 , u ) 一= 一 入a pe ( 2 - 9 ) 兰塑= 旦( 1 2 ) ( 2 a 2 + p t 。) (210)0p2 e 一一= 一i l z “z n il 么一 刀 、 八 。1 ， 。 假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅周期的相对变化率和光栅段的物 理长度的相对变化率是一致的。所以波长一压力灵敏度关系为： 等= 一半i i - 嘉( 1 却) ( 2 驯 1 - 局。) ( 2 - 1 1 ) 一= - 一z ，z n n - i z i ij 丸尸 e2 e 、 、“v 根据以上光纤光栅传感原理开发城轨的计轴一健康监测传感技术。其思路是 将f b g 传感器安装在钢轨上。车轮通过时，此段钢轨产生的应变会引起f b g 的中心波长发生改变，经解调后得到动态应变曲线。统计其应变脉冲峰，即得 到对应的轮轴数和轮轴的运行状态，简言之为“应变计轴和监测”技术。 实验验证：将两根裸栅固化在钢轨中性线的上、下表面，将钢轨固定在支架 上。千斤顶对钢轨的正压力会使钢轨产生微小的形变，从而使固化在钢轨上表 面的光栅受压，而固化在下表面的光栅受压，如图2 - 2 所示。两根光栅因受压 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 力和拉力而产生形变，从而使其中心反射波长发生漂移，其漂移量就可以标定 施加在钢轨上的千斤顶的正压力。 图22 实验装景图 实验过程：千斤顶先直接预压到最大值3 次，待其回零之后再将其压力值从 0 丌始，逐步增加。当压力值稳定时记录每次压力值所分别对应的波长值，对 记录的波长值作相应的处理就可以定量得出压力值与波长位移量的关系以及光 纤光栅受压之后的回复情况。在相同的条件下按以上过程做2 次实验，得到的 实验数据如表2 1 ，2 2 所示： 武汉理工太学硕士学位论文 表21 第一次实验数据 压力值1 # 波长值2 # 波长值1 # 光栅位移2 # 光播位移 波长位移差值 ( f ) 丑( p )七( p m ) 量a 元( p r o )量七( p r o )虬，( p m ) 01 2 9 9 1 4 8 7 21 3 0 3 6 5 91 1 051 2 9 9 0 4 61 8 51 3 0 3 7 6 2 71 0 25 3 5 1 0 35 92 0 6 1 2 5 l01 2 9 8 9 2 5 4 5 51 3 0 3 8 8 1 6 3 52 2 32 6 52 2 25 2 54 4 5 7 9 工_ 5l 2 9 8 7 9 86 81 3 0 4 0 0 73 63 5 0 0 43 4 8 2 56 9 82 9 2 o1 2 9 8 6 7 87 81 3 0 4 1 2 67 6 5 4 6 9 9 44 6 76 5 59 3 75 9 6 2 51 2 9 8 5 5 8 1 3 81 3 0 4 2 4 4 2 0 5 5 9 0 5 8 55 8 5 0 9 51 1 7 86 8 3 o1 2 9 8 4 3 24 9 51 3 0 4 3 6 51 57 1 62 2 5 7 0 6 0 41 4 2 22 6 5 351 2 9 8 3 0 64 7 51 3 0 4 4 8 6 1 8 4 22 4 58 2 69 91 6 6 92 3 5 4o1 2 9 8 1 8 11 51 3 0 4 6 0 5 5 3 89 6 75 79 4 6 4 2 5 1 9 3 19 9 5 o1 2 9 9 1 5 2 7 8 51 3 0 3 6 5 96 9 540 6 50 5 8 53 4 8 其波长位移量一压力曲线如图2 3 所示。 图2 - 3 波长位移量一压力曲线 武汉理工大学硬士学位论文 表2 - 2 第二次实验数据 压力值1 # 波长值 2 # 波长值l # 光栅位移2 # 光栅位移波长位移差 ( f ) ( p m ) 卫( p m )量a 丑( p m ) 量 ( p r o )值丑。( p l 1 ) 01 2 9 9 1 4 99 31 3 0 3 6 6 0 1 4 5 0 51 2 9 9 0 4 66 71 3 0 3 7 6 1 7 91 0 3 2 61 0 l _ 6 4 52 0 4 9 0 5 1o1 2 9 8 9 2 05 31 3 0 3 8 8 3 5 4 2 2 94 2 2 33 9 54 5 27 9 5 1 5 1 2 9 8 8 0 03 2 1 3 0 4 0 0 33 1 5 3 4 9 6 l 3 4 31 7 6 9 27 8 2 01 2 9 8 6 8 3 21 3 0 4 1 1 8 4 24 6 6 7 34 5 8 2 7 59 2 5 0 0 5 2 51 2 9 8 5 5 9 91 3 0 4 2 3 74 0 55 9 0 0 35 7 7 2 61 1 6 72 9 3 01 2 9 8 4 2 6 8 7 51 3 0 4 3 6 5 8 27 2 30 5 5 7 0 5 4 7 5 1 4 2 8 5 3 3 51 2 9 8 3 0 97 31 3 0 4 4 7