可預(yù)防交通事故的新型光纖振動(dòng)傳感器

 

近日，來(lái)自香港理工大學(xué)的研究人員們開(kāi)發(fā)了一種用于測(cè)量火車(chē)加速度和振動(dòng)的新型傳感器。這項(xiàng)技術(shù)可以與人工智能相結(jié)合，以防止鐵路事故和災(zāi)難性的火車(chē)出軌。

 

 

研究小組組長(zhǎng)譚華耀說(shuō)：“每年火車(chē)事故都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，我們的光纖加速度計(jì)可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵路軌道或火車(chē)的缺陷，在事故發(fā)生前查明問(wèn)題所在。”

 

 

據(jù)研究人員描述，該設(shè)備可以檢測(cè)到的頻率是傳統(tǒng)光纖加速度計(jì)的兩倍多，因此適合監(jiān)測(cè)輪軌之間的相互作用。這種耐用的傳感器不含移動(dòng)部件，能夠在鐵路交通中常見(jiàn)的嘈雜和高壓環(huán)境里工作良好。研究人員表示除了鐵路監(jiān)測(cè)，這些新的加速度計(jì)還可以用于其他振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，例如，建筑物和橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及飛機(jī)機(jī)翼的振動(dòng)測(cè)量。

 

 

利用鐵路傳感 

 

 

15年來(lái)，研究人員一直致力于利用全光傳感網(wǎng)絡(luò)連續(xù)監(jiān)測(cè)鐵路關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以幫助用基于實(shí)際情況的預(yù)測(cè)維修代替低效和昂貴的定期鐵路維修程序。研究人員們開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)已在香港和新加坡投放安裝。研究人員們說(shuō)：“全光傳感網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗皇茈姶鸥蓴_，傳輸距離長(zhǎng)，傳感器不需要電力。然而，鐵路系統(tǒng)需要優(yōu)化的光纖傳感器來(lái)測(cè)量不同的參數(shù)。”

 

 

通常用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光纖加速度計(jì)是基于光纖布拉格光柵(FBGs)的，不能用于探測(cè)高于500 Hz的振動(dòng)。雖然這對(duì)于大多數(shù)鐵路應(yīng)用來(lái)說(shuō)是足夠的，但它不能用于測(cè)量輪軌之間的相互作用，而輪軌之間的相互作用是造成軌道磨損的一個(gè)重要原因。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了一種新的光纖加速計(jì)，它使用一種特殊的光纖，稱(chēng)為保偏光子晶體光纖，這種光纖盤(pán)繞成直徑只有15 mm的圓盤(pán)狀。纏繞的光纖粘接在不銹鋼基體和圓柱形塊體之間。當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，質(zhì)量塊按與振動(dòng)頻率相匹配的頻率壓緊纏繞纖維。這種外力使光纖中的光波長(zhǎng)發(fā)生可測(cè)量的位移。

 

 

對(duì)比實(shí)地測(cè)試 

 

 

在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)新型加速度計(jì)的原型進(jìn)行了徹底的測(cè)試后，研究人員將該裝置安裝在一輛現(xiàn)役列車(chē)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。他們還安裝了一個(gè)基于光纖布拉格光柵的加速度計(jì)和一個(gè)壓電加速度計(jì)進(jìn)行比較。他們發(fā)現(xiàn)新的光纖加速度計(jì)以一種類(lèi)似壓電加速度計(jì)的方式檢測(cè)加速度。然而，壓電傳感器需要昂貴的屏蔽電纜來(lái)降低電磁干擾噪聲的影響。基于光纖布拉格光柵的加速度計(jì)在高頻下不能很好地工作，噪聲掩蓋了一些有用的振動(dòng)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的新加速度計(jì)比現(xiàn)有的用于監(jiān)測(cè)列車(chē)加速度的加速度計(jì)性能要好得多。

 

 

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種商用的保偏光子晶體光纖，并基于此設(shè)計(jì)制造了一種更小外徑、更低彎曲損耗、更高雙折射的新型光纖，所有這些都將使他們能夠制造出一個(gè)更小、靈敏度更高的加速度計(jì)。

 

 

譚教授說(shuō)：“這些新的加速度計(jì)可以提供數(shù)據(jù)，支持鐵路行業(yè)實(shí)施人工智能，從而開(kāi)啟新的傳感和監(jiān)測(cè)可能性。雖然鐵路監(jiān)控是光纖傳感與人工智能結(jié)合的一個(gè)很好的例子，但我們相信這種結(jié)合在其他一些行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域也很有前景。”