基于FBG传感器的铁路计轴系统

基于FBG传感器的铁路计轴系统摘要：光纤布拉格光栅传感器由于其抗电磁干扰、耐腐蚀和有效使用寿命长等优点，在铁路传感领域获得了广泛应用。

基于传统光纤布拉格光栅的原理，我们设计了两种计轴解调方法，一种是基于法布里-珀罗谐振腔的滤波解调法；另一种是基于匹配布拉格光栅的解调方法。

根据提出的两种方法和列车载荷对钢轨应力分布的影响，我们设计了能够检测轨道应力的轨道传感器。

F-P腔滤波器使用波长扫描法来获得中心波长，但是这种方法的采样率较低。

匹配光纤布拉格光栅方法能有效解决温度和应力的交叉敏感问题，结构简单，体积小，因此能够满足铁路系统的计轴要求。

Axle Counter for Railway Based on Fiber Bragg Grating Sensor Abstract:For the benefit of electrical isolation,corrosion resistance and quasi-distributed detecting,Fiber Bragg Grating Sensor has been studied for high-speed railway application progressively. Up to the principle of conventional Fiber Bragg Grating Sensors,we investigate a F-P filter and a matched-FBG based demodulation scheme that can be used as the track sensor.According to the proposed strain sensing method using a F-P filter or two matched FBGs and theoretical analysis of track strain distribution under load,we design a track sensor that can detect the local axial strain.The F-P filter uses wavelength scanning to obtain center wavelength,but the sampling frequency is low. The matched-FBG approach can effectively solve the temperature and strain induced cross sensitivity problem,therefor it can meet requirements of axle-counting in rail systems.Key word:Fiber Bragg Grating；Fabry-Perot Filter；Demodulation；Axle-Counting轨道交通是采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称，具有运量大、速度快、运营安全、环保、节约能源等优点，从而使它具备了缓解城市交通拥堵，优化城市布局结构，有利于节约资源、改善环境，促进国民经济发展等社会功能。

目前，在工程应用中轨道计轴以电类传感检测技术为主，但是电类传感元件是有源器件，防潮防湿能力、抗电磁干扰能力、长期稳定性能在恶劣的监测条件下均表现较差，当长时间用在复杂监测环境下时，容易发生零点漂移等故障，极大的影响了监测结果的可靠性，另一方面，电信号在信道中的传输距离很短，这导致电学式很难组建成大规模的传感网络。

光纤传感技术是伴随光纤通信技术而产生的一项重要发明，由于该技术釆用的是光信号调制的方式，因此本质上具备良好的抗电磁干扰能力，同时随着制作工艺的深入研究和改进，使其具备宽动态监测范围、高灵敏度等特点，光信号传输距离长，便于组网实现分布式测量，这些优点均为实现轨道结构状态监测与预警机制的建立提供了有效的解决办法。

1、理论分析1.1 FBG 光学计轴光纤布拉格光栅是一种反射型光栅，当宽带光源经过光纤布拉格光栅后，一部分光会被反射，另一部分光会透射出去。

光纤光栅建模和分析的理论基础是耦合模理论，利用波长匹配条件，可推导出中心波长和周期的关系为：Λ=eff B n 2λ。

任何对FBG 的外界影响，如温度、应变等，都会导致FBG 谐振中心波长发生变化，对比变化前后的中心波长，即可测定出受外界物理参量影响的程度。

通过车轴应变的改变，就可以知道是否有有车轮经过，也即达到计轴目的[1]。

图1光纤光栅结构图2.2电学计轴鉴相式计轴传感器结构如图2所示，传感器部分由励磁子系统和感应子系统组成，位于钢轨外侧的励磁磁通由电磁检测盒子提供30kHz 和29kHz 的励磁电压。

无车轮经过时励磁侧与感应侧的电压同相位；当车轮经过传感器时，传感器周围的磁场分布发生改变，导致励磁侧的电压与感应侧的电压的相位相反，对相位的变化进行检测和处理从而形成轨道轴计数信号[2]。

图2 鉴相式计轴传感器结构组成图2、信号检测原理2.1 F-P 滤波器解调当一束宽带光波信号进入到F-P 腔中的时候，仅仅允许一窄带光波信号射出，出射光波信号的中心波长由F-P 腔的腔长相决定。

F-P 腔的结构如图3所示，它的主要组成部分包括： 2个平行的石英板（G1和G2、2个透镜（L1和L2）和压电体。

平行的两石英板G1和G2的内部表面被镀上了高反膜，在工艺要求上，两板需严格的保持平行。

当入射光波信号经过腔时，若光信号波长与腔长满足关系:λn L =2(n =0,1,2,...)则光波在F-P 的G1和G2之间多次反射从而产生多光束干涉，并输出与腔长L 对应的窄带光波信号。

可调谐F-P 腔工作时，两板间的腔长间隔L 通过驱动压电体来改变，利用不同的驱动电压得到不同的腔长，进而得到具有不同中心波长的光信号滤波器[1]。

图3 可调F-P 腔示意图以可调谐F-P 滤波器为核心，可以构建出光纤光栅解调系统，如图4所示。

解调系统主要包括宽带光源、耦合器、F-P 滤波器、信号处理电路等部分。

其工作过程如下：宽带光源发出光波信号，经由3dB 耦合器进入FBG ，满足Bragg 条件的光波信号被FBG 反射回来，反射信号经由3dB 耦合器进入可调谐F-P 滤波器中，F-P 滤波器的腔长通过在与其连接的PZT （压电陶瓷）上施加锯齿状的扫描电压进行调整，此时探测器接收到的信号会随着腔长的变化而发生改变，且当F-P 滤波器的输出光谱与FBG 光谱重合时的光强最大，利用信号调理电路，将光脉冲信号转化为时序电脉冲信号，再依据F-P 腔透射波长与扫描电压的标定值，最后得出FBG 波长值。

波长若发生周期性改变，即可通过波长实现高速铁路计轴。

图4 可调谐F-P 滤波法波长解调示意图2.2 匹配光栅解调法基于匹配光栅解调法的基本原理是使用两个初始反射谱相同的FBG ，其中FBG1作为参考光栅，能将进入其中的宽带光反射回来一个窄带光作为信号光，信号光经过光分束器后按相等的比例分别进入光电探测器PD1和光环形器2，经过环形器2的信号光被传感光栅FBG2反射回。

实际设计中可以将结构进一步简化。

图6中FBG1和FBG2反射谱的交叉阴影部分即为对应的光强I。

图5匹配光栅解调原理图图6匹配解调示意图此时如果传感光栅和参考光栅的反射谱重叠，从传感光栅反射出的光强Ｉ最大；如果两光栅所处局部环境温度相同且两光栅不产生任何的应变，光强Ｉ会是一个定值，这是因为FBG1和FBG2反射的中心波长会沿着相同的方向发生平移，从而导致阴影部分的面积是一个定值；如果温度不变而FBG2的轴向应变发生变化，就会使得FBG2的中心波长右移，阴影面积变小，光强Ｉ变小，并随着两光栅反射谱的继续分离而逐渐减小。

在参考光栅所处局部环境温度和轴向应变已知的情况下，通过对光强Ｉ的检测即可实现对传感光栅中心反射波长的解调。

∆有关，克服了光纤光栅对温光功率P的变化仅与作用在传感光栅FBG2上的轴向应变ε度和应变的交叉敏感问题。

3、计轴原理和MATLAB仿真结果3.1 匹配光纤光栅仿真模拟使用光纤光栅传感器测量钢轨应变，当列车运行时，车轮依次轧过布设有光纤光栅传感器的钢轨，在光纤光栅布设处产生周期性应变导致反射光强Ｉ发生周期性强弱变化；通过对光强Ｉ的监测可以获得钢轨上有无列车驶过及列车轮数，从而实现对列车的计轴功能。

现有列车计轴系统普遍采用电磁感应式轨道传感器，易受电磁干扰，信号传输距离短；应变式轨道传感器可以克服此问题，但电子应变片易受潮湿环境干扰，稳定性差，有效寿命短，而新颖的光纤光栅传感器可以克服上述缺点，提高可靠性。

MATLAB对FBG在有车和无车两种状态的反射谱进行了仿真模拟，结果如图7所示[3]。

图7FBG仿真结果3.2数据处理——平滑滤波理想的计轴信号波形为一串脉冲信号，轮对数目与脉冲数目相互对应，在实际系统中，由于外界环境影响以及处理电路的热噪声叠加作用，实测信号往往叠加有一定的噪声，使得脉冲信号产生一定失真，于是，对信号进行滤波处理十分必要。

这里，我们用MATLAB进行数据处理的仿真，对软件模拟的计轴信号进行滤波平滑，实际脉冲、高斯噪声及脉冲与噪声叠加波形如图8所示。

图8实际脉冲、高斯噪声及脉冲与噪声叠加波形分别对信号进行阈值处理和滑动平均。

设定阈值为45微应变，信号幅值小于阈值时则对信号幅度进行0.3倍衰减，信号幅值大于阈值时则保留当前数据不变，与此同时，我们设置m=3的滑动平均窗口对数据进行3点的滑动平均处理，仿真结果如图9。

图9 阈值=45，滑动平均结果相对于滑动平均处理，使用阈值处理信号使得信号尖峰脉冲完全保留，细节损失较小，有利于后续的脉冲计数，但是，实际列车运行过程中，时常存在轻载车厢与重载车厢混合搭配的情况，轻载和重载车厢使钢轨所产生的形变存在较大差距，由此测得的脉冲信号幅度相差较大，所以选择合适的阈值尤为重要。

使用滑动平均处理数据时，信号中叠加的噪声得到了有效抑制，拥有较高的性噪比，但是，信号的脉冲尖峰细节损失严重，不利于后续的脉冲计数。

4.结束语基于光纤布拉格光栅传感器的铁路计轴有很多的优点，这种铁路计轴方法可以很好的替代传统电磁计轴方法。

基于F-P谐振腔的滤波法虽然也能实现解调计轴，但采样率较低。

基于匹配光纤光栅解调的方法克服了温度应变交叉敏感的难关，另外，通过钢轨最大应变与轮重的对应关系可以获得通过各轴轴重，是检测货车超偏载技术的一种方案。

信号的数据模拟过程中，通过脉冲信号与高斯白噪声的叠加，很好的模拟了实际的计轴信号。

对比阈值和滑动平均的数据处理结果，阈值处理后的脉冲信号细节得到了很好的保留，滑动平均则较好的抑制了高斯噪声，具有较高的信噪比。