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基于光纤技术的铁路沿线崩塌落石监测报警系统研究

2012-12-24 10:21:18来源:用户投稿作者:杨小军, 兰先锋, 王士杰, 刘洪文

1监测报警系统

1.1概述

我国电气化铁路27.5kV的高压线路,在铁路限界范围形成一个强高压的电磁场,且钢轨上有弱电信号。采用电磁传感、视频和红外技术监测危险落石,存在各自的局限性。因此,针对铁路沿线崩塌落石监测,采用以光纤光栅传感技术为核心,集光电技术、计算机软件技术、信息处理技术、控制技术和通信技术于一体的报警系统。

目前,光纤光栅技术能够在铁路线路环境下保证信号无损传递、接收、解调。光纤光栅技术传递的是光信号,在保证光路畅通的前提下,不受外界电磁和温度环境等方面的影响,具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125um)、重量轻、耐温性好(工作温度上限600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器至解调端可几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件等优点,分辨率技术指标是传统电子类传感器的1000倍。光纤光栅技术应用扩展性良好,其振动传感器不仅适用于铁路沿线落石监测,在工程振动测量、地质工程勘探、爆破、地震工程、桥梁结构等方面具有良好的应用前景。

1.2光纤技术

目前,光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域,监测报警系统中监测崩塌落石的传感器为光纤光栅振动传感器。

2监测报警系统研究

2.1架构

监测报警系统由危险源捕捉分系统、信号传输分系统、光纤光栅解调分系统、数据处理分系统、外围分系统组成(见图1)。


(1)危险源捕捉分系统。主要由光纤光栅振动传感器、信号传输光路组成,采集钢轨上面的各种振动信号,并将振动信号转变成光波长变化信号。

(2)信号传输分系统。由光纤光缆组成,将采集的光波长变化信号传输给采集设备,为数据处理做准备。

(3)光纤光栅解调分系统。将传感器发来的光波长变化信号转换成电信号,通过TCP/IP网络传给数据处理分系统。

(4)数据处理分系统。由数据库及应用服务器组成,对光纤光栅解调分系统发送的信号进行处理和分析,经过算法分析后决定是否报警。

(5)外围分系统。由各种报警器和报警模块组成,通过声光信号、手机等设备发出报警信号。

2.2技术创新

2.2.1

光纤光栅振动侍感嚣

经查阅文献及资料考证,我国目前尚没有用于监测崩塌落石的传感器。因此,根据铁路线路监测崩塌落石需要,利用先进的光纤光栅传感技术,开发具有独特功能和结构的光纤光栅振动传感器,由光纤光栅应变片、拾振结构及保护装置组成。

(1)光纤光栅应变片。由长周期光纤光栅结合金属应变片组合而成,利用金属应变片轴向受力等强度伸长原理,带动光纤光栅轴向等比变化。当光通过光栅时,金属应变片的伸长缩短,带动光纤光栅的伸长缩短,使反射光的波长发生变化,采用解调仪器解调波长的变化量,得出对应的应变变化值。拾振结构将振动量转换成应变量结构,光纤光栅通过测量应变量的大小变化,计算出对应的振动量变化。

(2)拾振结构。通过试验验证和各种数据对比,设计开发出强度应变放大复合悬臂梁,利用光纤光栅测量其表面在受迫振动情况下波长的应变变化。拾振结构是基于矩形悬臂梁基础开发,采用表面应变放大方式,提高光纤光栅应变片检测应变的能力,提高了悬臂梁测量振动时的灵敏度。悬臂梁采用等强度结构,保证其上表面等距离的应变变化率均匀,保证测量精度。

(3)保护装置。由封装结构和安装结构组成,充分考虑铁路沿线的恶劣白然环境,并依照铁路线路钢轨标准,日前铁路正线基本采用60kg/m钢轨,封装结构应考虑防水、防潮、防盗和是否影响行车,在密封方面进行了对比考量,采用螺旋密封加密封胶方式的组合密封,达到防水、防潮目的,并对光纤光栅振动传感器进衍全方位保护。光纤光栅振动传感器的安装见图2。


2.2.2软件和算法

监测报警系统的软件由光纤光栅传感器波长获取、数据处理、报警处理和UI界面模块组成,各模块的主要功能及组成见表1。


数据处理模块中的算法模块是监测报警系统软件的核心。光纤光栅振动传感器沿铁路线路布设,当崩塌落石落在轨道上时,光纤光栅振动传感器接收到振动信号,超过设定的阈值,对其接收到的振动信号与相邻光纤光栅振动传感器收集到的信号进行判定,超出设定的危险阈值报警。算法模块综合其他的判别条件,区别列车通过。图3和图4为列车通过和典型崩塌落石冲击的数据波形。布设光纤光栅振动传感器时,设定基站为初始位置,报警后能立刻得知崩塌落石发生地距基站距离。


3现场试验及应用

监测报警系统在某铁路线进行了现场试验。监测点布设的合理性决定数据的有效性和报警机制的准确性,为此进行了针对性试验研究,解决了传感器布设距离及报警阈值等问题。现场进行了500余次不同重量、不同高度、不同落点的落石冲击铁路线路试验,得到有效数据2500万组。通过对数据综合分析,监测报警系统可对冲击到铁路界限内大于4000J的能量(相当于80kg落石从5m高度落下)进行监测报警。检测报警系统已在重庆某铁路线应用,应用期间不断进行优化,效果良好。

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