光纤Bragg光栅传感技术应用于轨道动态监测的研究

摘要

光纤Bragg光栅传感器由于其优秀的耐腐蚀、抗电磁干扰、易于复用等优点，被逐渐应用在航空航天、电子机械、建筑和通讯等领域。
　　本论文对光纤Bragg光栅传感器的温度应力交叉敏感问题的形成原理和目前常用的解决办法做了相应的研究，提出了一种自带自带温度补偿功能的双层封装结构。针对光纤Bragg光栅传感器的特点，结合轮轨相互作用情况，进行了有限元应力模拟，提出了基于光纤光栅传感器的高速列车轨道检测的方法，具体阐述了数据分析及处理的过程。获得的主要成果如下:
　　1.本文提出了一种光纤Bragg光栅传感器的双层封装结构，目的是在环境温度变化范围较大区域内，实现应力的准确测量。该结构通过平行的两片钢片分别对两支光纤Bragg光栅传感器进行封装，下层用于贴合金属进行测量，上层用于温度补偿。通过SOLIDWORKS软件对该结构进行了3D模型的绘制，通过其有限元分析模块验证该结构上层应力不敏感的特性，从而验证了上层光栅温度补偿的功能。
　　2.本文提出了利用光纤Bragg光栅传感器组用于检测高速列车轴数的一种测试方法，该传感器组在轨道（在列车驶过时）应力发生变化情况下进行自动拾取检测应力信号，通过读取对应应力的相应峰数来获取轴数。为了准确的采集到轨道应力的变化情况，本文通过有限元分析方法对车轮驶过轨道两个特征位置进行了应力变化模拟，实验结果显示最合适的传感器安装位置为轨道外侧面工字型下方并且接近轨枕的区域。
　　3.在高速列车实验路段安装了3组传感器进行实际检测并采集了数据，之后利用Savitzky-Golay法和FFT滤波法对采集到的数据进行了处理，相对原曲线波峰更加的突出，曲线更平滑，更利于峰数的寻找。通过有限元法计算出最低阈值，进而通过最低阈值的设定消除部分底噪，采用离线检测的方法从数据中提取的轴数和实际相符。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 光纤Bragg光栅传感器的发展概述

1．1．1 光纤Bragg光栅传感器的特点

1．1．2 光纤Bragg光栅传感器的应用

1．1．3 国内外研究现状

1．2 光纤Bragg光栅传感器技术

1．2．1 光纤Bragg光栅传感原理

1．2．2 光纤Bragg光栅解调原理

1．3 文内容与结构安排

2 光纤Bragg光栅传感模型与封装

2．1 光纤Bragg光栅传感模型

2．1．1 光纤Bragg光栅温度传感模型

2．1．2 光纤Bragg光栅应变传感模型

2．1．3 应变-温度耦合模型

2．2 光纤Bragg光栅封装技术的分类

2．2．1 温度减敏和补偿封装

2．2．2 应力和温度的增敏封装

2．2．3 其它功能型封装

3 一种带有温度补偿功能的双层光纤Bragg光栅传感器

3．1 操作原理

3．1．1 外部温度补偿方法

3．1．2 内部温度补偿方法

3．2 传感器设计和实验

3．2．1 双层光纤Bragg光栅传感器有限元分析

3．2．2 双层封装结构传感器实验

3．3 本章小结

4 光纤Bragg光栅轨道动态监测应用

4．1 轮轨有限元模拟

4．2 光纤Bragg光栅传感器安装与现场实验

4．3 数据分析与处理

4．4 本章结论

5 结论

参考文献

作者简历

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