基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究

钢轨应变的监测在铁路线路的运营维护中具有重要意义。光纤光栅传感器相比传统传感器在稳定性、抗电磁干扰与准分布式测量等方面能够更好满足钢轨应变测量的需要。本文指出了光纤光栅传感器对载荷和温度应力的测量原理,建立光纤光栅中心反射波长漂移量与载荷和温度应力产生的钢轨应变的数学模型。使用光纤光栅传感器进行温度应力和动态载荷下的钢轨应变监测实验,并通过匹配光栅方法消除温度变化的干扰。实验结果表明光纤光栅应变传感器适用于钢轨应变的监测需要,具有良好的工作性能。     

光栅位移计在高速铁路钢轨横向变形监测中的应用研究北大核心

通过对高速铁路钢轨受力特点和光栅传感器特点进行分析,研究了光栅位移计在高铁钢轨横向变形监测中应用的可行性。根据高铁现场横向变形监测要求和现场条件确定光栅位移计布设工序,对现场布设光栅位移计采集的数据和现场运营状况进行综合分析,论证了光栅位移计在高铁钢轨横向变形监测中的适用性。     

基于匹配光栅解调的FBG轨道传感器研究

通过光纤布拉格光栅(FBG)的传感原理研究基于匹配光栅解调的轨道传感器问题。依据匹配光栅检测应变的原理和列车载荷作用下钢轨应变分析,设计出一种检测钢轨局部轴向应变的光纤光栅轨道传感器方案;使用列车载荷模拟平台,对研制的轨道传感器功能进行了验证。不同环境温度、不同加载频率下采集到的实验数据表明:匹配光栅的解调方法能有效地解决温度应变交叉敏感带来的问题,满足对列车计轴的要求;并在构建交通动态测重系统(WIM)方面有好的发展前景。     

光纤应变传感器无缝线路钢轨温度应力测试仪的研制

简要论述钢轨温度应力的传统测试方法,介绍布拉格光纤光栅的光学特性以及光纤光栅应变传感器无缝线路钢轨温度应力测试仪的工作原理、试验过程及可行性。     

基于光纤光栅传感技术的深井井壁结构监测

研究目的:井筒的安全是煤矿安全运营和高效生产的前提。实时掌握井壁结构受力状态,防止井壁突然性破坏造成重大损失,井筒的长期安全监测就显得尤为重要。在大涌水和复杂电磁环境条件下,光纤光栅传感器可靠性和稳定性好,通过采用光纤光栅传感技术对千米深立井井壁结构的长期监测,可以掌握深大涌水井筒的受力变化规律,为评价井筒的安全状况提供依据。研究结论:采用光纤光栅传感器对千米深立井井壁结构进行了一个完整周期的监测,得到了井筒表土段和基岩段井壁温度和应变变化规律。6月至10月间由温度引起的温度应变达到最大值,井筒更容易在夏季发生破裂灾害;光纤光栅传感技术在大淋水条件下深立井井壁结构监测中的应用,为井壁变形监测提供了一种新的、稳定可靠的技术方案,对复杂地层条件下井壁长期监测技术革新产生重要的推动作用,对于其他复杂地层中岩土工程监测具有重要的指导意义。     

光纤光栅传感技术用于铁路边坡滑动监测的试验研究

通过室内试验及现场测试研究了光纤光栅传感技术在铁路边坡滑动监测中的应用。室内试验及现场测试结果表明,可通过求解光纤光栅测斜仪同一高度上2个测点的波长差值,从而计算出该点的变形值。光纤光栅测斜仪对不同位置、大小的位移反应灵敏,测试数据与普通测斜仪测试结果一致,可用于铁路边坡滑动位移的长期监测。     

极寒地区无砟轨道温度与变形监测光纤光栅传感器安装方法研究

为提出极寒地区传感器安装的合理方案,建立线-板-桥(路基)计算模型,得出高温差时轨道结构的各种变形。通过工程实践经验,总结采用光纤光栅传感器监测高速铁路无砟轨道结构温度与变形的原理与方法,并探索各类温度、应变、位移传感器的现场安装方法,最后针对极寒地区光纤光栅传感器安装冬季施工提出实用建议。     

内嵌预压式大量程光纤光栅智能钢绞线的标定试验

内嵌预压式大量程光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)智能钢绞线解决了光纤光栅传感器监测量程不够的难题。为了保证光纤光栅智能钢绞线的应力应变测量精度,通过理论分析和静载试验标定了智能钢绞线FBG传感器的主要传感性能指标,并对传感器理论和试验应变灵敏度的误差进行分析,试验结果表明FBG传感器的传感性能满足工程要求,试验应变灵敏度Kε不小于1.17 pm/με,迟滞≤1.5%、线性度≤1%、重复性误差≤2.5%,总精度≤3%。     

基于双向应变匹配解调的光纤光栅轨道传感技术研究

轨道应变的准确监测对列车计轴、测重、定位和安全状态感知等具有重要的意义。本文基于光纤布拉格光栅(FBG)双向应变匹配解调方法,提出一套改进的轨道应变传感方案。该方案有效地解决了光纤光栅应变与环境温度交叉敏感的问题,与传统的匹配光栅解调方法相比具有更高的灵敏度,同时可以减小钢轨本身热胀冷缩等因素对测量的影响。在不同的环境温度和静态载荷下进行光纤光栅应变测量对比实验,利用电阻应变计进行模型实验,通过动态加载实验检验系统对动态应变的监测效果。实验数据表明,本方案适用于瞬态及静态钢轨应变的准确测量,具有较高的稳定性和灵敏度。     

螺旋倾斜式光纤光栅传感器监测钢绞线应变方法研究

设计了一种在钢绞线中心丝上设置螺旋倾斜凹槽,将光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)传感器封装于凹槽中的自感知钢绞线,以解决FBG传感器寿命低、量程小而无法监测大应变的问题。建立了FBG传感器监测应变与钢绞线应变之间的理论关系,以凹槽螺旋倾斜角度为变化参数,对FBG自感知钢绞线进行张拉试验,测定FBG传感器灵敏度的变化情况。试验结果表明:通过螺旋倾斜放置光纤光栅能有效降低FBG传感器的应变灵敏度,使其监测量程接近钢绞线的极限破断力,从而实现应用FBG传感器监测大应变的目的。     

光栅位移计在高速铁路钢轨横向变形监测中的应用研究

通过对高速铁路钢轨受力特点和光栅传感器特点进行分析,研究了光栅位移计在高铁钢轨横向变形监测中应用的可行性。根据高铁现场横向变形监测要求和现场条件确定光栅位移计布设工序,对现场布设光栅位移计采集的数据和现场运营状况进行综合分析,论证了光栅位移计在高铁钢轨横向变形监测中的适用性。     

郑西客运专线路基工后沉降监测方案的探讨

研究目的:针对郑西客运专线湿陷性黄土区路基工后沉降控制的特殊要求,分析采用既有2种路基工后沉降监测方案存在的不足。根据光纤光栅传感技术的发展和在土木工程监测中的研究与应用,探讨光纤光栅传感器沉降监测系统在客运专线湿陷性黄土区路基工后沉降监测中应用的可行性。研究结论:通过分析与探讨,采用光纤光栅传感器沉降监测系统,可实现长距离(50 km)准分布、多测点、多参量的测量,测量精度高,可精确测出小于0.1 mm(相对基准点)的垂直位移的变化,适于长期实时监测,且不受电磁干扰。能满足郑西客运专线湿陷性黄土区路基进行长期工后沉降监测的要求。     

高速铁路大跨度桥梁钢轨伸缩调节器区轨道结构健康监测系统设计及应用

钢轨伸缩调节器所在地段是线路的薄弱环节。为实时掌握钢轨伸缩调节器的运营状态,结合高速铁路运营需求,设计了高速铁路大跨度桥梁钢轨伸缩调节器区轨道结构健康监测系统。系统以钢轨伸缩调节器区轨道结构为监测对象,利用光纤光栅传感和视觉测量技术,采用B/S模式,实现轨道结构监测的数据可视化、报表生成、评估分析和分级预警。目前,研究成果已在宁安铁路安庆长江大桥、合福高铁铜陵长江大桥中部署应用,为铁路工务部门养护维修提供依据。     

基于长标距分布式布拉格光纤光栅(FBG)传感的地铁基坑施工监测

以无锡地铁河埒口站基坑监测为例,研究了长标距FBG光纤传感技术在地铁基坑施工应变及变形监测中的应用,并结合现场施工情况对监测数据进行分析.结果表明,分布式布设光纤传感器可较准确地监测地下连续墙在开挖过程中的水平变形,并能对周边建(构)筑物的变形状态及安全状态进行有效监控.在施工过程中可根据监测结果,适当调整施工参数,为安全生产提供保障,并确保后续安全顺利施工.     

光纤光栅应变特性及其在槽形梁试验量测中的应用

设计了一种等强度悬臂梁结构,将光纤光栅(FBG)粘贴于悬臂梁表面,研究光纤光栅波长与应变变化的关系,通过给等强度悬臂梁加载砝码,将光纤光栅传感器与电阻式应变片所测应变进行对比,结果表明光纤光栅具有良好的线性应变—波长特性。通过在光纤光栅上直接施加砝码研究了光纤光栅的应变量程及预拉力,在此基础上,研制了测试范围±2 000×10-6、分辨率1×10-6的钢筋式光纤光栅应变传感器,并在槽形梁受力性能试验中应用,与电阻式应变片的对比结果表明,光纤光栅传感器可以正确反映槽形梁在荷载作用下的受力状态。     

光纤光栅传感器在桥上无缝道岔结构模型试验中的应用

以桥上无缝道岔模型结构为基础,在岔区布置光纤光栅传感器,对道岔模型结构在钢轨与梁体升温过程中钢轨纵向力进行监测。通过理论计算与试验结果的对比分析,证明了光纤光栅传感器在桥上无缝道岔模型试验中应用的可行性,分析了在桥上岔区CRTSⅡ型板式无砟轨道与CRTSⅠ型无砟轨道的受力情况,同时预测了光纤光栅传感器在客运专线中的应用前景。     

基于分布式光纤传感的轨道板上拱监测技术研究

为主动管控轨道板上拱病害,依据分布式光纤传感技术特点,从光纤布设、监测设备、监测系统集成等方面,提出了轨道板上拱监测技术方案,并通过实尺模型试验验证了方案的可行性。试验结果表明:在模拟轨道板上拱的过程中,光纤的对应点位信号变化显著;圆形光缆应变波形稳定,能更好地满足方案设计要求;轨道板上拱位移与光纤应变测量结果存在线性关系,拟合推算的上拱位移误差较小,为后期投入现场运营提供了支撑。     

基于光纤传感技术的隧道结构安全监测系统研究

为了动态获取、处理和反馈隧道安全运营情况,基于光纤传感技术和图像匹配技术原理,设计了一种隧道结构安全监测系统。该系统由FBG应变传感器和视频位移计组成,可实现隧道衬砌结构应变、位移的实时远程采集和在线监测,目前该系统已在甘肃陇南两水隧道中应用。研究表明,该系统应变监测精度可达到με级;位移精度可达亚mm级;应变和位移变化在过车后具有较好的归零特性。最后,结合视频位移计和FBG应变传感器在同一点位的数据进行监测,结果表明,该视频位移计与FBG应变传感器波动基本一致,可满足隧道运行期的安全监测要求。     

光纤传感智能监测系统在复杂基坑工程中的应用研究

光纤传感智能监测系统是基于光纤光栅传感技术、虚拟仪器技术和阿里云平台,针对复杂深基坑工程施工的智能化安全管控系统。通过光纤传感智能监测系统在北京新机场城际铁路联络线明挖隧道深基坑工程中的应用,阐述了深基坑开挖支护过程中的监测指标、监测元器件和监测实施过程;通过实施过程中的在线实时监测数据分析,总结了基坑开挖、支护过程中施工对基坑边坡稳定性的影响,分析了邻近支撑安拆对钢支撑轴力及基坑顶部和底部水平位移的影响。结果表明:在基坑开挖时,施工扰动对基坑边坡变形有一定的影响;每道支撑对邻近支撑的支撑轴力影响明显;光纤传感智能监测系统能够提供准确、及时、可靠的监测数据,为深基坑的安全施工提供保障。     

光纤光栅传感技术在轨道交通车辆的应用

在论述国内外光纤光栅传感器生产厂商概况和光纤光栅传感技术的优势的基础上,分析列举了光纤光栅传感技术在轨道交通车辆的若干应用实例,展望光纤光栅传感器在轨道交通车辆上应用前景。随着光纤光栅传感技术的不断发展,以传统的测试系统逐步由光纤光栅测试系统所取代