新型光纖加速度傳感器可實時監(jiān)測火車軌道缺陷

  近日，香港理工大學(xué)的研究人員們開發(fā)了一種用于測量火車加速度和振動的新型傳感器。這款新型光纖加速度傳感器可檢測到的頻率，是傳統(tǒng)光纖加速度計的兩倍多，還可與人工智能相結(jié)合，以防止鐵路事故和災(zāi)難性的火車出軌。另外，該加速計還可用于建筑物和橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，以及飛機機翼的振動測量。 這款新型光纖加速度計采用了一種保持偏振的光子晶體光纖，圖自O(shè)SA期刊網(wǎng)站。

　　研究人員介紹說，每年火車事故都會導(dǎo)致嚴重的交通事故，這款新型光纖加速度傳感器可用于實時監(jiān)測鐵路軌道或火車的缺陷，在事故發(fā)生前查明問題所在。

　　研究人員在光學(xué)學(xué)會(OSA)期刊《光學(xué)快報》上描述了他們的新型加速計。該設(shè)備可檢測到的頻率，是傳統(tǒng)光纖加速度計的兩倍多。因此，適合監(jiān)測輪軌之間的相互作用。這種耐用的傳感器不含移動部件，能在鐵路交通中常見的嘈雜和高壓環(huán)境里工作良好。研究人員表示，除了鐵路監(jiān)測，這些新的加速度計還可以用于其他振動監(jiān)測應(yīng)用，例如，建筑物和橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及飛機機翼的振動測量。

　　目前，研究人員開發(fā)的相關(guān)系統(tǒng)，已在香港和新加坡投放安裝。研究人員稱，全計光傳感網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)點，因為它不受電磁干擾，傳輸距離長，傳感器不需要電力。然而，鐵路系統(tǒng)需要優(yōu)化的光纖傳感器來測量不同的參數(shù)。

　　通常用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的光纖加速度計，是基于光纖布拉格光柵(FBGs)的，不能用于探測高于500赫茲的振動。雖然這對于大多數(shù)鐵路應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，但它不能用于測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重要原因。

　　為解決這個問題，研究人員設(shè)計了一種新的光纖加速計，它使用一種特殊的光纖，稱為保偏光子晶體光纖，這種光纖盤繞成直徑只有15毫米的圓盤狀。纏繞的光纖粘接在不銹鋼基體和圓柱形塊體之間。當振動發(fā)生時，質(zhì)量塊按與振動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發(fā)生可測量的位移。

　　在實驗室里對新型加速度計的原型，進行了徹底測試后，研究人員將該裝置安裝在一輛現(xiàn)役列車上進行了現(xiàn)場測試。他們還安裝了一個基于光纖布拉格光柵的加速度計和一個壓電加速度計進行比較。

　　他們發(fā)現(xiàn)，新的光纖加速度計以一種類似壓電加速度計的方式檢測加速度。然而，壓電傳感器需要昂貴的屏蔽電纜，來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，在高頻下無法很好地工作，噪聲掩蓋了一些有用的振動信息。 　　實驗結(jié)果表明，研制的新加速度計比現(xiàn)有的用于監(jiān)測列車加速度的加速度計性能要好得多。

　　在這項研究中，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更小、靈敏度更高的加速度計。這些新的加速度計可以提供數(shù)據(jù)，支持鐵路行業(yè)實施人工智能，從而開啟新的傳感和監(jiān)測可能性。雖然鐵路監(jiān)控，是光纖傳感與人工智能結(jié)合的一個很好的例子，但在未來，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。