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

图8 钢轨应变测试
在安装监测轨道板应变的传感器时，可直接通过 在轨道板上钻孔并用膨胀螺栓来固定应变传感器（见图 9），最后用植筋胶对轨道板表面的损伤进行处理，防 止雨水渗入腐蚀钢筋，并用保护罩进行保护。 2.3 FBG位移传感器
应力、应变、温度等外界因素可导致光纤光栅的形 变，使栅格间距或模式有效折射率发生改变，从而导致 光纤光栅的中心波长发生变化。根据波长改变量即可计
在温度变化时，由于光纤的热涨效应，光纤Bragg光
栅周期会改变；同时由于光纤的热光效应，光纤Bragg光
栅折射率也会改变。因此由热涨效应引起的光纤周期变
化为：
ΔΛ =αΛ ΔT ，
（2）
式中：α 为光纤材料的膨胀系数。
当考虑由热光效应引起光纤折射率变化中，其表达
式为：
Δn eff=ζn effΔT ， 式中：ζ 为光纤热光系数。
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研究与探讨
I 入射光（宽带光）w
I
纤芯折射率n 1 包层折射率n 2
I 出射光（宽带光）w
λB
w
反射光（窄带光）
λ B=2n Λ eff
Λ
光纤光栅折射率呈正弦分布
n
x
图5 光纤光栅传感原理
因此，为保证极寒地区线路状况安全、提高运输效率， 监测线路状况的实时性、稳定性和准确性尤为关键[2-4]。
基于光纤光栅的轨道监测技术是轨道安全监测的主 流技术，传统的电传感器（应变片）由于易受电磁、低 温干扰，在极寒地区高铁轨道温度与变形监测中不予使 用。光纤光栅传感器具有抗磁干扰、工作范围广、体积 小、易安装、防腐蚀、耐潮湿等优点，在工程监测方面 应用广泛[5-8]。针对极寒地区，研究采用光纤光栅传感器 对高铁轨道温度与变形监测及光纤光栅传感器的安装方 法设计。
摘 要：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。 关键词：极寒地区；无砟轨道；温度；变形； 光纤光栅传感器
（3）
所以光纤Bragg光栅的温度灵敏度的表达式为：
K r=Δλ B/（λ BΔT ）=α +ζ ，
（4）
本次温度监测所用的温度传感器测试范围
为-40～100 ℃，测试精度为0.1 ℃。
由于轨道结构已基本完工，传感器安装时不宜在轨
道板上钻过深孔洞，以免破坏钢筋。故对轨道板和底座
板温度测量时，可在素混凝土凸形挡台内垂直钻孔埋入
测量的温差变化对应变传感器进行温度补偿。
假定温度与应变导致的中心波长是相互独立的，温
度与应变共同产生的FBG中心波长变化Δλ B可表示为： Δλ B=（kε×ε +kT×ΔT ）×λ B， （5）
式中：k ε 为光纤光栅应变灵敏度系数；k T 为光纤光栅温 度灵敏度系数。
故应变可表示为：
ε =（Δλ B/λ B－kT×ΔT ）/kε。
底座与底座的相对位移也采用拉杆式传感器，由于底
座与底座的相对位移较小，量程采用25 mm，初始预拉
12.5 mm。安装时分别将传感器的两端固定在两块板上
（见图10），并采用保护罩进行保护。
图11 轨道板与底座相对位移的测试
由图4可知，钢轨与轨道板的最大相对位移为 10.58 mm，监测钢轨与轨道板的相对位移采用拉杆式传 感器，其量程为50 mm，初始预拉25 mm。安装时，一端 固定在轨道板上，另一端通过包块固定在钢轨上（见图 12），安装后用保护罩进行保护，保护罩与扣件间应保 证足够的距离，避免破坏轨道结构的绝缘作用。
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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
郭成满：西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，硕士研究生，四川 成都，610031 杨荣山：西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，副教授，四川 成都，610031
ε =Δl /l 代入可得：
Δl =（Δλ B×l ）/（k ε×λ B）。
（8）
本次监测位移的传感器采用拉杆式位移传感器和拉
线式位移传感器，其量程有50 mm和25 mm，测量精度为
0.1 mm。
由图4可知，轨道板与轨道板的最大相对位移为
10.58 mm，监测轨道板与轨道板的相对位移采用拉杆式
传感器，量程为50 mm，并进行初始预拉25 mm。监测
2 光纤光栅传感器工作原理及安装方法
光纤光栅传感器的基本原理（见图5）：当光栅周
围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时，
将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化, 从而产生光栅
Bragg信号的波长漂移，通过监测Bragg波长位移情况，
即可获得待测物理量的变化情况。
光栅的Bragg波长为：λ B=2n Λ eff ， （1） 式中：λ B为Bragg波长；n eff为纤芯的有效折射率；Λ 为 光栅周期。 2.1 FBG温度传感器
温度传感器进行等效测量（见图6）。
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钢轨位移/mm
轨道板位移/mm
0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04
0
5
10
15
20 25 30
长度/m
（a）路基段钢轨位移
中图分类号：U213.2
文献标识码：A
文章编号：1001-683X（2015）06-0056-06
0 引言
近年来，我国高速铁路飞速发展，从京津城际铁 路、武广高铁、京沪高铁开通运营，到哈大高铁开通， 我国已跨入“高铁时代”。预计到2020年，我国时速 2 0 0 k m 及 以 上 的 客 运 专 线 将 超 过 1 . 8 万 k m [ 1 ] ， 其 中 不 乏 建在我国东北极寒地区的。我国东北黑龙江地区最低气 温可达-40 ℃以下，低温使混凝土轨道结构受到冻胀影 响，从而出现温度裂缝和干缩裂缝；冬夏温差可达80 ℃ 以上，高温差使钢轨产生巨大应力，使钢轨膨胀变形。
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图9 轨道板应变测试
算出待测物理量的变化，其传感原理公式为：
Δλ B=（kε×ε +kT×ΔT ）×λ B。
（7）
监 测 位 移 时 ， 可 忽 略 温 度 的 影 响 ， 即 ΔT = 0 ， 将
（d）桥梁段轨道板位移
8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
长度/m
（f）桥梁段钢轨与轨道板相对位移
1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5
0
5 10
15
20
长度/m
25 30
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
0
5 10
15
20 25 30
长度/m
（e）路基段钢轨与轨道板相对位移
钢轨与轨道板的相对位移/mm
轨道板位移/mm
10 8 6 4 2 0
-2 -4 -6 -8 -10
-20 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 长度/m
钢轨位移/mm
3
2
1
0
-1
-2
-3 -20 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 长度/m
（b）桥梁段钢轨位移
1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5
0
5 10
15
20
长度/m
（c）路基段轨道板位移
25 30
1.5
1.0
图12 钢轨与轨道板相对位移的测试
监测桥梁与桥梁的相对位移采用拉线式传感器，其 量程为50 mm，初始预拉25 mm，安装时，其两端分别 固定在两片桥梁上，安装后采用保护罩进行保护（见图 13）。
图10 底座与底座相对位移的测试
由图4可知，轨道板与底座的最大相对位移为 1.23 mm，监测轨道板与底座板的相对位移采用拉杆式传 感器，量程为50 mm，初始预拉25 mm。由于实际工程中 凸台与底座板现浇在一起，故安装时将传感器的一段固 定在轨道板上，另一端固定在凸台上（见图11），以此 来测量轨道板与底座的相对位移，安装后采用保护罩进 行保护。
定位铁丝
温度计4
钻孔
温度计1
底座板
图6 轨道板与底座温度测试
钢轨温度传感器安装时不宜增加钢轨的薄弱环节， 故安装时不采用传统的焊接方式（见图7），可采用包 块通过螺栓夹紧轨底，在轨底的上、下两面各固定一支 温度传感器，用来提高监测温度的精度。
监测大气温度的传感器，直接通过铁架将其固定在 大气环境之中，并对其进行保护；监测桥梁的温度传感 器，直接打孔埋在桥梁混凝土之中，并用保护罩固定防 止破坏。 2.2 FBG应变传感器
10
小阻力扣件6.5 kN/m/轨
-10
-5
0
5
10
-10
常阻力扣件24 kN/m/轨 -20 -30
图2 扣件纵向阻力
kN/m 10