基于光纤光栅的高速铁路道轨结构监测方法及关键技术研究

摘要

近年来，我国的高速铁路取得了举世瞩目的发展，已成为世界上高铁营运里程最长，行车速度最高的国家。高速铁路的运行安全性对于国家公共安全和人民生命保障都有重大意义。道轨结构的安全是高速铁路安全性的关键环节。我国高铁列车运行速度高，行车密度大，而且由于国土面积大，地理环境复杂，气候条件恶劣等现状导致道轨结构状态的安全监测显得尤为重要。一直以来，铁路系统都使用传统电类传感装置对轨道结构进行监测，但由于电类传感装置在恶劣的天气和环境下监测精度差、工作寿命短，信号传输距离近，无法大规模组建监测网络的等缺陷，使得国内外对于轨道状态监测领域的研究均缺乏实质性进展。光纤传感技术具有精度和灵敏度高、抗电磁干扰、寿命长、耐腐蚀、成本低等突出优点。其中，光纤光栅传感技术的信号为波长量，与传统电信号传感器的信号相比，没有零点漂移，它的问世和发展，使得长达数十年的工程结构连续监测成为可能。
　　 本文以光纤传感技术、监测技术和道轨工程技术为基础，对道轨结构进行分析，根据光纤光栅的传感原理设计了针对高速铁路道轨结构状态监测的传感装置及其解调方法。在此基础上，研究了高速铁路道轨结构状态监测的方法及关键技术，并且设计了监测系统。通过实验和实际应用验证了监测系统的准确性和可靠性，并获得了大量具有参考价值的监测数据，通过数据分析，提出了监测系统的改进方法。本文的主要研究内容如下:
　　 (1)光纤光栅传感技术的研究
　　 以光纤布喇格光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)传感原理为研究基础，针对高速铁路道轨结构状态监测需求对FBG的温度、应变、位移等传感原理进行了分析，并介绍了对FBG应变传感的温度补偿技术和FBG的解调方法。通过对几种光纤传感复用方案的研究和比较，构建了一种基于波分复用和空分复用技术的FBG传感网络。
　　 (2) FBG传感器的设计和制作
　　 对于高速铁路道轨的钢轨温度力和道轨结构间位移，明确了对其进行实时监测的意义和必要性。根据FBG的传感原理和道轨结构的研究，设计并制作了FBG温度、应变和位移传感器。应用有限元分析法对钢轨受力进行分析，找到了钢轨温度力监测传感器安装的最佳位置。通过分析监测结果，对FBG温度传感器进行改进，使其更符合高速铁路道轨结构温度监测的要求。通过向量式有限元分析法对应变环进行受力分析，从而采用环形结构重新设计了FBG位移传感器并获发明专利。针对高速铁路道岔区间的安全需要，设计了一种FBG铁路道岔密贴监测装置并获发明专利授权，根据实验结果证明其符合铁路部门的要求。
　　 (3)高速铁路无砟道轨多状态参量的实时监测
　　 对高速铁路无砟道轨结构状态监测设计了一套在线监测装置和系统，无砟道轨结构多参量在线监测在我国尚属空白，以武广高铁某特大桥的无砟道轨高速道岔和郑西高铁某特大桥上连续弯梁桥结构监测为应用实例，研究无砟道轨多参量，包括3维温度力、轨温、结构间位移量等FBG传感监测点的布局，分析实测数据。并且将监测方法和技术应用于某城市道轨交通的桥上线路的伸缩调节器状态监测中。实测的结果对高速铁路和城轨无砟道轨结构设计、施工具有指导性的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 光纤传感技术国内外研究现状

1．2．2 铁路桥梁安全监测国内外研究现状

1．2．3 光纤光栅传感技术在铁路领域国内外研究现状

1．3 主要研究内容和创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 创新点

第2章 高铁道轨结构状态监测中的光纤光栅传感技术

2．1 光纤光栅传感原理介绍

2．1．1 光纤光栅传感基本原理

2．1．2 光纤布拉格光栅温度传感原理

2．1．3 光纤布拉格光栅应变传感原理

2．1．4 光纤布拉格光栅应变传感的温度补偿技术

2．2 高铁道轨结构状态监测中光纤布拉格光栅的解调方法

2．2．1 可调谐F-P滤波器法

2．2．2 解调仪介绍

2．3 高铁道轨结构状态监测中的光纤传感网络设计

2．4 本章小结

第3章 高铁道轨结构状态监测中传感探头的制作

3．1 光纤光栅的制作

3．2 光纤光栅温度传感探头

3．2．1 光纤光栅基片式温度传感探头

3．2．2 光纤光栅金属管式温度传感探头

3．3 光纤光栅应变传感探头

3．4 光纤光栅悬臂梁式位移传感器

3．5 光纤光栅应变环式位移传感器

3．5．1 应变环结构的向量式有限元分析

3．5．2 光纤光栅应变环式位移传感器的制作

3．6 光纤光栅道岔密贴传感器

3．7 本章小结

第4章 高铁道轨结构状态监测方法

4．1 钢轨温度力监测方法

4．1．1 钢轨温度力监测的必要性

4．1．2 钢轨结构和受力分析

4．1．3 钢轨温度力监测方法

4．2 道轨结构间位移监测方法

4．2．1 道轨结构间位移监测的必要性

4．2．2 道轨结构间位移监测方法

4．3 道岔密贴监测方法

4．3．1 道岔密贴监测的必要性

4．3．2 道岔密贴监测方法

4．4 光纤光栅传感监测系统设计

4．5 本章小结

第5章 关键技术的应用研究

5．1 武广高铁某特大桥道岔区板式无砟轨道状态监测

5．1．1 需求分析

5．1．2 监测方法及技术

5．1．3 传感器布置及安装

5．1．4 监测结果及分析

5．2 郑西高铁某特大桥无缝线路道轨状态监测

5．2．1 需求分析

5．2．2 监测方法及技术

5．2．3 传感器的布置和安装

5．2．4 监测结果及分析

5．3 某城市轨道交通高架段无缝线路道轨状态监测

5．3．1 需求分析

5．3．2 监测方法及技术

5．3．3 传感器布置及安装

5．3．4 监测结果及分析

5．4 结论

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附图1 郑西高铁某特大桥道轨结构监测传感器布局

致谢

在读期间科研成果及参与的项目