可预防交通事故的新型光纤振动传感器

 

近日，来自香港理工大学的研究人员们开发了一种用于测量火车加速度和振动的新型传感器。这项技术可以与人工智能相结合，以防止铁路事故和灾难性的火车出轨。

 

 

研究小组组长谭华耀说：“每年火车事故都会导致严重的交通事故，我们的光纤加速度计可以用于实时监测铁路轨道或火车的缺陷，在事故发生前查明问题所在。”

 

 

据研究人员描述，该设备可以检测到的频率是传统光纤加速度计的两倍多，因此适合监测轮轨之间的相互作用。这种耐用的传感器不含移动部件，能够在铁路交通中常见的嘈杂和高压环境里工作良好。研究人员表示除了铁路监测，这些新的加速度计还可以用于其他振动监测应用，例如，建筑物和桥梁的结构健康监测以及飞机机翼的振动测量。

 

 

利用铁路传感 

 

 

15年来，研究人员一直致力于利用全光传感网络连续监测铁路关键部件的状态监测系统。这些系统可以帮助用基于实际情况的预测维修代替低效和昂贵的定期铁路维修程序。研究人员们开发的系统已在香港和新加坡投放安装。研究人员们说：“全光传感网络有很多优点，因为它不受电磁干扰，传输距离长，传感器不需要电力。然而，铁路系统需要优化的光纤传感器来测量不同的参数。”

 

 

通常用于环境监测系统的光纤加速度计是基于光纤布拉格光栅(FBGs)的，不能用于探测高于500 Hz的振动。虽然这对于大多数铁路应用来说是足够的，但它不能用于测量轮轨之间的相互作用，而轮轨之间的相互作用是造成轨道磨损的一个重要原因。为了解决这个问题，研究人员设计了一种新的光纤加速计，它使用一种特殊的光纤，称为保偏光子晶体光纤，这种光纤盘绕成直径只有15 mm的圆盘状。缠绕的光纤粘接在不锈钢基体和圆柱形块体之间。当振动发生时，质量块按与振动频率相匹配的频率压紧缠绕纤维。这种外力使光纤中的光波长发生可测量的位移。

 

 

对比实地测试 

 

 

在实验室里对新型加速度计的原型进行了彻底的测试后，研究人员将该装置安装在一辆现役列车上进行了现场测试。他们还安装了一个基于光纤布拉格光栅的加速度计和一个压电加速度计进行比较。他们发现新的光纤加速度计以一种类似压电加速度计的方式检测加速度。然而，压电传感器需要昂贵的屏蔽电缆来降低电磁干扰噪声的影响。基于光纤布拉格光栅的加速度计在高频下不能很好地工作，噪声掩盖了一些有用的振动信息。实验结果表明，研制的新加速度计比现有的用于监测列车加速度的加速度计性能要好得多。

 

 

在这项研究中，研究人员使用了一种商用的保偏光子晶体光纤，并基于此设计制造了一种更小外径、更低弯曲损耗、更高双折射的新型光纤，所有这些都将使他们能够制造出一个更小、灵敏度更高的加速度计。

 

 

谭教授说：“这些新的加速度计可以提供数据，支持铁路行业实施人工智能，从而开启新的传感和监测可能性。虽然铁路监控是光纤传感与人工智能结合的一个很好的例子，但我们相信这种结合在其他一些行业和应用领域也很有前景。”