光纤应变传感器无缝线路钢轨温度应力测试仪的研制

作者简介 ：杨占平 ，工程师
０ｌ ８
Ｏ． ５ １ Ｏ． ｌ １
２０ ） ０ １总结 了常见 的测量 过程 异常 的 ８种分 布模 式 ， 从 而给 出 了对 应 的 ８种 异常判 据 。 综 合 校 验 仪 模 拟 机 车 速 度 项 目的 ２个 控 制 图 对 照 ８种 异 常 数 据 进 行 异 常 判 断 ，没 有 出 现 任 何 异 常 现 象 ，因 此 ，可 认 为 在 稳 定 性 考 核 期 间 ， 综 合 校 验 仪 的 模 拟 机 车 速 度 项 目处 于 稳 定 可 控
摘
要 ：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 。
关键词 ：无缝线路 ；钢轨温度 ；温度应力 ；应力测定 ；光纤传感器
中 图分 类 号 ： Ｂ ４ ： ２ ３ １ Ｔ ９ ２Ｕ １． ３ ９
（ ）由于应变 以波长偏移方式表示 ，光纤 布拉格 ３
２ 钢 轨纵 向应 力 的传统 测试 方法和 光纤 应
变传 感器
２１ 传 统测试 方 法 ． （ ）应变 法 。应变 法是 最常 用 、最成 熟 的测量 １
光栅传感器输出的是绝对的应变量， 无需连续监视。 （） ４ 在制作光纤传感器时，可以通过把一些光 栅作为温度传感器 ，很方便地通过物理的方法分离
生热胀冷缩 ，中间部分 （ 区）不随轨温变化而 固定 伸缩 ，于是钢轨内储存了相应 的温度应力 ，即钢轨 纵 向应力 。无缝 线路 钢轨 温度 力计算 公 式为
Ｅ・ Ａ ・ 。 ・ ｔＳ （） １
式 （ ）中 ， Ｆ为钢 轨温度 力 ， Ｎ；Ｅ为钢轨 弹性 模 １ ｋ 量 ，Ｅ ２１ ｌ５ ａ ＝ ．ｘ ０ ＭＰ ；Ｓ为 钢轨 断 面 积 ，６ ｇ 钢 ０ｋ／ ｍ 轨 断 面 积 约 为 ７ ．ｘ ０４ｍ ；ｏ为 钢 轨 线 胀 系 数 ， ７５ ｌ－ ２ ｔ ｏ １．ｘ０６Ｃ ｔ 相对 于 Ｏ应 力 轨 温 的轨 温 变 ｔ １ １－￣；Ａ 为 ＝ ８ ／
应变片组成平衡电桥电路 ，测量电桥输出的微弱电 信号得到钢轨的应变值 。
（ ）振 弦法 。振 弦法是 在钢 轨 中性轴 上钻 １ ２ 个 ｓ￣ ，将振弦传感器塞进小孔内，钢轨纵向力 的变 ＪＬ ， 化会 改变小 孔 的形状 ，从而 改变振 弦传 感器 ２根 弦 的长 度 和 自振 频率 ，２个 频率 的差 即反映 了钢 轨纵
的温 度为锁 定轨 温 。此时 ，记 录下光纤 应变传 感器 的波 长 ，既为传 感器 的 ０点 。线 路投入 运 营后 ，把
测到的工作片波长与 ０ 点波长对 比，如没有发生变
化 ，视 为 锁定 轨 温 没 有 发 生 改 变 ，如 果 发 生 了 变 化 ，则说 明锁 定轨温 发生 了变化 。
状态 。
图 ３ 极 差控 制 图
参 考文 献
３ 控 制 图 的 异 常 判 断
测量 过程 异常 可 以分为 ２类 ，一是 测量 点超 出 控制 界 限 ；二 是测量 点分 布不 随机 。现 行 的 ＩＯ标 Ｓ
准 （Ｓ ２ ８ １ ９ ）和 国 家 标 准 （ ＢＴ ４ ９ — ＩＯ ８ ５ ：９ １ Ｇ ／ ０ １
京 ：中 国铁 道 出版 社 ，２ １． ００
２ １ ７月 （ ０ ２年 总第 ３ ９期 ） ０
・１ ・ ７
计量工作
光纤应 变传感器无缝线路钢轨温度应 力测 试仪的研圳
涨 轨跑 道 ，而若在 严寒 的冬 季 ，钢轨 承 受巨大 的拉
应 力 时 ，有 可能被 拉 断 。
的 ，且 没有 ０点偏 移 ，可进行 长时 间测量 。
图 ２ 光纤应变传 感器 无缝线路钢轨温度应力测试仪的原 理
３ ． 主要技 术参 数 ．２ ２ 测 试仪 的主要 技 术参 数 ：应 变 分辨 率 为 １ ｓ ，
２３ 光纤应 变传 感器 的优点 ．
据 Ｋ变化的大小就可以确定待测部位相应物理量 的变化 。对于典型的光纤型传感器 ，其反射波长与 应变 、温度 的线性 关 系如 图 １ 所示 。 测试仪的核心是采用纳米 （０ ） １－ｍ 级光纤传感 ９ 器及其测试技术。测试仪原理图如图 ２ 所示 。 ３ 测试仪 的构成 、技 术参 数和 功能 ． ２
由式
（ ） 知 ，若 轨 温 变化 ５ １可 ０℃ ，每根 ６ Ｏ
ｋ／ 轨 的 固定 区 的 力将 变 化 １０ ０ｋ ｇｍ钢 ０ Ｎ，纵 向应 力变 化 的幅度 是十分 晾人 的。若任 纵 向应力 随意 积 累增 长 ，当气 温升 高到 一定 限度 时 ，线 路无 法 承受 这样 巨大 压力 ，就 会在某 一较 短 的长度 内突然发 生 垂 直 或横 向位 移 ，以释 放钢轨 内的能量 ，从 而发 生
轨 面 积 ７ ．５ １ －ｍ ；ｓ为 微应 变 ；Ｅ为 钢 轨 的 弹 ７４ ｘ ０４ ２
亟 ８４ ３
８ ３ ３ ８ ２ ３ ８ ２ ３ ２０ ０ ０ ４００ ０ ６０ ０ ０
Байду номын сангаас
性 模量 ，Ｅ ２１ １５ＭＰ 。 ＝ ．ｘ０ ａ 测试 仪 所用 的光纤 应变 传感 器 波长 变化量 与微 应 变 的标 定 系数 为 １２ｐ ｌ 。 ． ｍ／８ ￣
ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ０ ｌ ２ １ ４ １ ６ １ ８ ｌ ０ ２１２２ ２３ ２ ７ ８ ９ １ ｌ ｌ ３ ｌ ５ １ ７ ｌ ９ ２ ４
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晕 ００ ．５
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子 组 号
［ ］ 文，孙静． ＢＴ４ ９ － ２０ 常规控制 图 ［ ］ １刘 Ｇ ／ ０ １ ０１ ｓ． ［］ ２ 丁跃清 ，倪育才．Ｊ ３－ ２０ 《 Ｊ １ ３ ０ ８ 计量标准考核 规范》 Ｆ０ 实施 指 南 ［ ． Ｍ］北京 ：中国计量出版社，２ ０ ． ０８ ［ ］ 铁 路计量技术与管理》编写组． ３ 《 铁路计量 技术与管理 ［ ． Ｍ］北
文献标识码 ： Ｂ
文 章 编 号 ：１０ — １８（０ ２ ０ — ０ ７ ０ ０ ６ ９ ７ ２ １ ） ７ ０ １— ３
０ 引 言
目前 ，无缝 线路 技术 被广 泛运用 ，其 具有 接头 少 、行 车平稳 、舒适 、延 长线 路和 机车 车辆 的使用 寿命 ，降低维 修费用 等优 点 。然而 ，无 缝线路 的实 际锁 定轨 温总 是在不 断变 化 ，如果 不能 准确地 测试 温度 应力 ，而 未及 时进行 温度 应力 放散 ，将 可能导
・
感器 ，光纤解调仪 ，温度传感器 ，测试仪主机以及
数 据采集 分析 软件 组成 。
１ ・ ８
铁道技术监督 Ｆ Ａｘ ｇ。 ＝ Ｅｘ
８ ６ ３ ８ ５ ３ ｇ ８ ５ ３
第４ ０卷
第 ７期 （ ２）
式 （ ）中 ， Ｆ为 力 ，ｋ ２ Ｎ；Ａ 为钢 轨 的断 面积 ，６ ０
束 光送 进 Ｂａｇ 纤光 栅 时 ，根据 光栅 理论 ，在满 ｒｇ 光 足 Ｂａｇ ｒｇ 条件 的情 况下 ，就会发 生 全反 射 ，其 反射 光谱在 Ｂａｇ波长 Ｋ处 出现峰值 。光 栅受 到外 部 物 ｒｇ 理场 （ 如应 力 、应 变温 度等 ） 的作 用 时 ，其 栅距 随 之发生 变化 ，从 而改变 了后 向反 射光 的波长 Ｋ。根
光纤 型 Ｂａｇ光栅 ，成栅 后 的光 纤纤 芯折 射 率呈 现 ｒｇ
广 ，虽然不够准确 ，但有参考价值。
此外 ，国 内使用 的还 有机 械应变 计法 、应力 尺
周期性分布条纹并产生 Ｂａｇ ｒ 光栅效应。这种光栅 ｇ 的基 本光 学特性 就是 以共 振波 长为 中心 的窄带 光学 滤波器 ，其反射谱主要 由 Ｂａｇ ｒｇ 光栅的带宽 和峰值 反射率决定 ，而这些参数又是光栅长度 、折射率调 制系数和 Ｂａｇ波长的函数 。 ｒ ｇ 应用光纤光栅的光纤传感技术 的原理是 ，当 １
第４ Ｏ卷 第 ７ 期
Ｖｏ ．０ １４ Ｎｏ７ ．
铁 道 技 术 监 督
ＲＡ １ Ｉ ＷＡＹ ＱＵＡ ＩＹ Ｃ Ｒ ＬＴ ＯＮＦ ＯＬ
光 纤应变传感器 无缝线路钢 轨温度应力测试 仪 的研制
杨 占平
（ 州铁路 局科 学技 术研 究所 ，河 南 郑州 ４ ０ ５ 郑 ５０ ２）
化 幅度 ，℃。
致重大行车事故。准确地测试无缝线路的锁定轨温
是管 好 、用好 无缝线 路 的基本 条件 。
ｌ 无 缝 线 路 钢 轨 的 温 度 应 力
无缝线路长钢轨 由于扣件阻力 和道床 阻力作
用 ，只 能 在 长 钢轨 两端 约 １０ｍ 内 （ 缩 区） 发 ０ 伸
收 稿 日期 ：２ １— ４ ２ ０２０ —８
横向力 ，由钢轨横向位移量求解钢轨纵向力。
（ ） 测桩 法 。观测 桩法 是在 线路 两端埋 设 观 ４ 观 测 桩 ，测量 钢 轨上 刻线 与观测 桩 的 相对 位 置 变化 ， 用 以推 算 钢 轨纵 向应 力 。这 一 方 法 在 国 内流 行 最
ｇ ｔ ｇ 技术 的 Ｂａｇ ｒｉ ） ａｎ ｒ 光纤光栅。Ｂａｇ ｇ ｒ 光纤光栅是 ｇ 指单模 掺 锗光纤 经紫外 光 照射成栅 技术 形成 的全 新
测试仪的波长一 应变线性测试计算见表 １ 。
微应变／ｓ Ｌ Ｌ
表 １ 测试仪的波长一 应变线性测试计 算
：＝ 一理论值 ； ： 一实验值 ： ＝
图 １ 光 纤传 感 器 反 射 波 长 与 应 变 、温 度 的线 性 关 系
计 算 结果 表 明 ，传感 器 的线性 没 有 问题 ，但 必 须两侧 对 称安装 ，以消 除偏 心 的影 响 。 （ ）用 精 度 ± ． ２ ０１℃的恒 温 水 浴 箱 精 确 测 试 光
出来 ，从而 消除温 度变 化带来 的影 响 。 （） ５ 光纤传感器具有直径小 、重量 轻 、强度 高和
物体受 力状 况 的方 法之 一 。通过将应 变 片贴在 被测 轨轨 腰 的中性轴 上 ，使 之与 旁边 的标 准 短轨上 贴 的
弯曲性能好等特点，具有比其他传感器高得多的灵敏 度，即可点焊又可粘接到被测物体上， 且经久耐用。 （） ６ 光纤布拉格光栅传感 器沿光纤可多工使 用，即 １ 根光纤可同时连接多个光纤传感器 ，根据 每个传感器中心波长的不同可方便 的区分出输出信 号来 自哪个传 感器 。
法 、温度补偿铟钢尺法、普通钢尺法等。 目 ，在 前
国际 学 术 界 又 出现 了一 些 新 的动 向 ，诸 如 ：振 动
法 、磁法 （ 巴克豪森效应法 ） 、超声波法等。 ２２ 光 纤应变检 测 法的原 理 ． 光 纤应 变检测 法 的工作流 程是 ，在新 轨 刚刚放 人槽内或应力放散结束时，在轨腰 中性轴处安装光 纤 应 变片 ，视此 时 的温度为其 ０应 力轨 温或 叫 中和 轨温 ；也可在工务部门实施拉伸或撞轨等应力调整 措 施后 ，在 轨腰 中性轴 处安装 光纤 应变 片 ，视 此 时
３２１ 主要构成 ．． 测试 仪有激 光光 源 、光 滤波 器 、布拉格 光栅 传
（） １ 由于光纤传感器和其引线都是用玻璃电介 质材料做成 ，因此不存在电干扰问题 ，且光纤在传
播光信号时衰减很小 ，可以实现远距离信号传送 。 （ ）波 长 偏 移 相 对 于 应 变 的 比例 因 子 是 固定 ２
向力 。
３ 光 纤 应 变 传 感 器 无 缝 线 路 钢 轨 温 度 应 力 测试 仪
３１ 工作原 理 ．
（ ） 向位移法 。１８一 １８ 年 间 ，匈牙利 ３横 ９ｌ ９２
和德 国提 出 了横 向位 移法 ，在垂 直于钢 轨方 向加一
光纤应 变传感 器无 缝线 路钢轨 温 度应力 测试仪 （ 以下 简 称 “ 试 仪 ” ，采 用 了 Ｆ Ｇ （ｉｅ ｒｇ 测 ） Ｂ Ｔｂｒ ａｇ ｂ