CN108508097B - 一种基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统 - Google Patents

一种基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统，包括高速光纤光栅信号解调仪，该高速光纤光栅信号解调仪通过光纤与布置在铁轨上的一至多个光纤光栅传感器连接。高速光纤光栅信号解调仪包括宽带光源、光环形器、干涉式波分复用仪、具有信号放大功能的光探测器以及采集模块。该铁轨裂纹监测系统应用干涉式波分复用技术实现了对传感信号的高频和低噪声采集，使其能够采集超声导波信号和由铁轨裂纹或其他异常引起的信号变化；该系统不需要给每个传感器供电的特性使其具有优良的长距离轨道监测的实用性，同步采集激励信号和响应信号的功能使其便于实现基于超声导波技术的主动式结构健康监测。

Description

一种基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统
技术领域
本发明涉及轨道交通安全技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统。
背景技术
由于频繁而长期地受到周期性轮轨压力的作用，铁轨往往过度地承受着拉升应力和疲劳载荷，这使其易于产生裂纹。铁路轨道可绵延连接两个城市，两个省，甚至两个国家。目前中国内地每日运行的高速列车过千辆，截至2015年底中国铁路的总营业里程已超过12万公里，预计于2020年将建成15万公里。另根据一项对美国联邦铁路局1997-2010的年度报告的分析发现，美国每年平均有1741起脱轨事件，其中94.9％是由轨道损伤引起。由此可知，轨道健康状况对列车运行安全至关重要，也凸显了铁轨的在线监测及其损伤的及时识别的重要性和紧迫性。
在过去的几十年，多种无损检测(NDE)和结构健康监测(SHM)方法被用于铁轨损伤识别。最常用的轨道检测方法是磁导测试和超声波测试，但二者都需要在列车停运时间进行检测。虽然我国铁路在人工巡检的基础上引进了轨检车，但是每隔一段时间进行的检测并不能在铁轨裂纹出现的初期及时检测出裂纹。没有被及时检测出的铁轨裂纹会导致火车信号系统的不正常，而裂纹在两次定期检测间隔期内的进一步扩展可能会带来更严重的后果，如脱轨。这一铁路运行安全隐患使得发明一套支持在线监测且能够在铁轨裂纹发生初期及时识别出裂纹的监测系统成为必需。
而轨道结构健康状况评估的另一挑战则为长距离监测。超声导波本身具有小损伤或小裂纹的高敏感性和长距离传播的低衰减性，而铁轨是天然的波导。采用密集布置的压电传感器对铁轨进行长距离监测往往不可行，除非能够解决为铁路沿线的压电传感器供电的问题。而布拉格光纤光栅(FBG)传感器不仅具有体积小、重量轻、免电磁干扰等优点，而且它的波分复用功能使其只需要一根光纤就可串联几十到几百个传感器，使得光纤光栅传感器非常适用于轨道的长距离监测。但是当前常规解调信号的分析仪(商用解调仪)最高采样率一般仅有几千赫兹，难以满足精确采集超声导波的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有的解调仪的采样率不支持超声波导信号的采集，而且无法实现同步采集响应信号和激励信号，不便于主动及时识别轨道裂纹等缺陷，提供一种能够同时采集响应信号和激励信号，并且进行主动及时地识别铁轨裂纹的基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统，包括高速光纤光栅信号解调仪，所述高速光纤光栅信号解调仪通过光纤与布置在铁轨上的一至多个光纤光栅传感器连接；
所述高速光纤光栅信号解调仪包括宽带光源、与光纤连接的光环形器、干涉式波分复用仪、具有信号放大功能的光探测器以及采集模块；
一至多个所述光纤光栅传感器接收的响应信号经过光环形器被干涉式波分复用仪接收和解调，所述干涉式波分复用仪将解调后的响应信号发送至光探测器中进行光电转换和信号放大，再由采集模块采集放大后的响应信号。
优选地，还中央包括信号发生模块和信号放大器，所述信号发生模块周期性地发出激励信号，并由所述信号放大器将激励信号转换成高能驱动脉冲。
优选地，还包括布置在铁轨上的压电作动器，所述信号放大器将转换成的高能驱动脉冲发送给压电作动器。
优选地，所述压电作动器接收到高能驱动脉冲后对铁轨施加波形激励，一至多个所述光纤光栅传感器接收铁轨的响应信号，并由所述高速光纤光栅信号解调仪同步获取和解调一至多个光纤光栅传感器接收的所有响应信号。
优选地，所述高速光纤光栅信号解调仪还同步获取信号发生模块发出的激励信号。
优选地，还包括中央控制器，所述中央控制器包括用户控制界面模块和图像化显示模块，所述中央控制器与高速光纤光栅信号解调仪的采集模块相连接，并显示和存储高速光纤光栅信号解调仪获取和处理的激励信号和响应信号。
优选地，所述中央控制器和信号发生模块相连接，控制和调节信号发生模块发出的激励信号的频率、幅值和周期数。
本发明的有益效果在于，该铁轨裂纹监测系统应用干涉式波分复用技术实现了对传感信号的高频和低噪声信号采集，使其能够采集超声导波信号和由铁轨裂纹或异常引起的信号变化；而且该系统不需要给每个传感器供电的特性具有优良的长距离轨道监测的实用性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统优选实施例的整体布置示意图；
图2是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统中信号解调仪的光路示意图；
图3是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统对完好铁轨施加激励引起的时域响应信号示意图；
图4是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统对有约10mm裂纹的铁轨施加激励引起的时域信号响应示意图；
图5是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统对有约23mm裂纹的铁轨施加激励引起的时域响应信号示意图；
图6是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统对不同情况下铁轨的时域响应信号对应的频域信号的对比示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统优选实施例的整体布置示意图。本发明的监测系统应用干涉式波分复用技术实现了对于铁轨裂纹9的及时识别和监测。该铁轨裂纹监测系统包括高速光纤光栅信号解调仪1，高速光纤光栅信号解调仪1通过光纤与布置在铁轨上的一至多个光纤光栅传感器2连接。该监测系统还包括信号发生模块3和信号放大器4，信号发生模块3周期性地发出激励信号，并由信号放大器4将发出的激励信号转换成高能驱动脉冲。该信号发生模块3周期性地发出的激励信号可以是单音脉冲。
该监测系统还包括布置在铁轨上的压电作动器5，信号放大器4将转换成的高能驱动脉冲发送给压电作动器5。
该压电作动器5接收到高能驱动脉冲后对铁轨施加波形激励，一至多个光纤光栅传感器2接收铁轨的响应信号，并由高速光纤光栅信号解调仪1同步获取和解调一至多个光纤光栅传感器2接收的所有响应信号。该高速光纤光栅信号解调仪1还同步获取信号发生模块3发出的激励信号。
该监测系统还包括中央控制器6，中央控制器6包括用户控制界面模块和图像化显示模块，中央控制器6与高速光纤光栅信号解调仪1连接，并显示和存储高速光纤光栅信号解调仪1获取的激励信号和响应信号。该中央控制器6和信号发生模块3相连接，控制和调节信号发生模块3发出的激励信号的频率、幅值和周期数。
图2是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统中信号解调仪的光路示意图。高速光纤光栅信号解调仪1包括宽带光源11、与光纤连接的光环形器12、干涉式波分复用仪13、具有信号放大功能的光探测器14以及采集模块15。一至多个光纤光栅传感器2接收的响应信号经过光环形器12被干涉式波分复用仪13接收和解调，干涉式波分复用仪13将解调后的响应信号发送至光探测器14中进行信号放大，再由采集模块15采集信号放大后的响应信号。多个光纤光栅传感器2的波长各不相同，为了覆盖较大波长范围，所以宽带光源11被使用。
本发明的信号解调仪1的采样率达到1MHz，分辨率为0.1pm，能够很好地采集超声导波信号并反映铁轨小裂纹或小损伤引起的响应信号变化。
中央控制器6还和信号发生模块3相连接。通过中央控制器6的用户控制界面模块可以自定义布置和调整信号发生模块3发出的激励信号的频率、幅值以及周期数等参数。
本发明监测系统中的压电作动器5施加自定义的波形激励，并且用多个光纤光栅传感器2来接收铁轨局部位置的响应以及小幅变化，结合应用了以上两种换能器的优点，避免了沿铁路大量使用压电传感器进行铁轨长距离监测所带来的供电问题。而且本发明的系统同步采集铁轨激励信号和响应信号的技术方案满足了对铁轨进行主动式结构健康状态监测的基本要求，有助于将不同次测得的信号在触发时间和力度上进行归一化，便于进一步以损伤识别为目的的信号分析。
波的干涉现象从原理上保证其可敏感地反映信号之间的差异性，所以基于干涉原理的解调技术有助于实现高精度解调。光学干涉仪可支持几兆甚至几千兆赫兹的采样速率，光学波分复用技术使其能够同步解调一条很长的光纤上串连的多个光纤光栅传感器2的信号，而无需给该条光纤上每个光纤光栅传感器2单独供电。本发明系统中通过信号解调仪1的同步采样功能使其能够同时采集激励信号和响应信号。
高速光纤光栅信号解调仪1中的干涉式波分复用仪13、光探测器14和采集模块15实现了对光纤光栅传感器2接收到的传感信号的高频和低噪音信号采集，其中低噪声采样的噪声水平低至130dB/sqrt(Hz),不仅可以采集连续的超声导波信号，也可采集高频的单音脉冲信号,为铁轨主动式结构健康状态监测提供了同步采集激励信号和响应的功能。
在该实验中的激励信号设置为10个周期的频率为90kHz的正弦信号，每秒钟发射10个这样的单音脉冲。为了测试对铁轨表面裂纹的敏感性，该实验中选取了两种裂纹，长度为约10mm和23mm的裂纹。图3、图4和图5分别是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统对完好铁轨、10mm裂纹的铁轨以及23mm裂纹的铁轨施加激励引起的时域响应信号示意图。上述三种不同情况下铁轨对应的频域信号如图6所示。从图6的对比信号曲线可以得出本发明的监测系统能够有效地识别出铁轨上裂纹引起的信号变化。
图6是本发明基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统对不同情况铁轨引发时域响应信号对应的频域信号对比示意图。图中，曲线线条1代表的是状况完好的铁轨的频域信号，而曲线2和3代表的分别是表面有10mm和23mm裂纹的铁轨的频域信号。基于本发明的监测系统，通过图中的三条时域响应曲线可以清楚的看出表面具有裂纹时铁轨的时域响应与状况完好时铁轨的时域响应相比，具有不同的波形。另外，铁轨裂纹的大小也会对相应的频域信号产生影响。图6中三种不同的铁轨状况分别由三条差别明显的频域信号曲线表示。图3-6清楚地证明了本发明的裂纹监测系统能够有效地实现对铁轨的传感信号的高频和低噪声信号采集，并且能够精确地采集超声导波信号和由铁轨裂纹或其他异常引起的信号变化。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统，其特征在于，包括高速光纤光栅信号解调仪(1)，所述高速光纤光栅信号解调仪(1)通过光纤与布置在铁轨上的一至多个光纤光栅传感器(2)连接；所述高速光纤光栅信号解调仪(1)的采样率达到1MHz，用于采集超声导波信号；
所述高速光纤光栅信号解调仪(1)包括宽带光源(11)、与光纤连接的光环形器(12)、干涉式波分复用仪(13)、具有信号放大功能的光探测器(14)以及采集模块(15)；
一至多个所述光纤光栅传感器(2)接收的响应信号经过光环形器(12)被干涉式波分复用仪(13)接收和解调，所述干涉式波分复用仪(13)将解调后的响应信号发送至光探测器(14)中进行光电转换和信号放大，再由采集模块(15)采集放大后的响应信号；
还包括信号发生模块(3)和信号放大器(4)，所述信号发生模块(3)周期性地发出激励信号，并由所述信号放大器(4)将激励信号转换成高能驱动脉冲；
还包括布置在铁轨上的压电作动器(5)，所述信号放大器(4)将转换成的高能驱动脉冲发送给压电作动器(5)；
所述压电作动器(5)接收到高能驱动脉冲后对铁轨施加波形激励，一至多个所述光纤光栅传感器(2)接收铁轨的响应信号，并由所述高速光纤光栅信号解调仪(1)同步获取和解调一至多个光纤光栅传感器(2)接收的所有响应信号；
所述高速光纤光栅信号解调仪(1)还同步获取信号发生模块(3)发出的激励信号。
2.根据权利要求1所述的基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统，其特征在于，还包括中央控制器(6)，所述中央控制器(6)包括用户控制界面模块和图像化显示模块，所述中央控制器(6)与高速光纤光栅信号解调仪(1)的采集模块(15)相连接，并显示和存储高速光纤光栅信号解调仪(1)获取和处理的激励信号和响应信号。
3.根据权利要求2所述的基于光纤超声导波技术的铁轨裂纹监测系统，其特征在于，所述中央控制器(6)和信号发生模块(3)相连接，控制和调节信号发生模块(3)发出的激励信号的频率、幅值和周期数。
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