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摘 要：轨道交通具有速度快、运量大、安全舒适、节能环保等优点，是我国交通运输发展的必然选择。因此针对轨道交通领域的安全监测尤为重要。本文概述了光纤光栅传感原理，分析了其技术优势，介绍了测量应力、位移等不同物理量的光纤光栅传感器在轨道交通不同结构中的应用情况，为轨道交通安全监测的发展提供借鉴。
关键词：轨道交通;光纤传感;光纤光栅;结构监测
轨道交通具有运量大、速度快、运营安全、环保节能等优点，日益成为我国交通运输发展的必然选择。随着轨道交通运营的高速化、密集化，安全问题已成为了轨道交通建设和发展的主要挑战，建立可靠的轨道交通健康状况实时监测与预警技术是保证运输安全的有效手段。
轨道交通现场监测环境恶劣，电磁干扰强。传统的机械和电学类监测技术易受外界环境影响、长期稳定性能较差，影响监测结果的可靠性。与传统监测手段相比，光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、传输距离远、波长编码、复用能力强等诸多优点，能够很好地克服传统监测手段的缺陷。
光纤光栅传感以光信号形式传输，本质上不受电磁干扰;传感器可以做到较小体积，可实现对轨道交通结构无损情况下的布设;采用波长编码，可实现准分布式监测;同时具有精度高、可靠性高等优点，可进行应力应变、位移、加速度、温度等多种参量的监测。将光纤光栅传感技术应用到轨道交通领域，实现轨道交通基础设施及运营安全监测，具有很好的应用前景。
1 光纤光栅传感基本原理
光纤纤芯和包层构成的芯包结构是光纤全反射的基础。光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性，使光纤折射率发生周期性变化而形成的一种光无源器件。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）是应用最广泛的光纤光栅。FBG的光纤纤芯折射率沿轴向均匀，对光信号具有滤波作用。光栅的反射中心波长为[2]：
式中，λB为光栅的中心反射波长，neff为光栅有效折射率，Λ为光栅周期。由式（1）可知改变neff或Λ都能改变FBG的反射波长，而应变或温度对其影响最为显著。FBG传感器便是通过直接或间接改变应变或温度以改变FBG反射中心波长，从而得到被测参量信息。FBG传感机理如图1所示。
在实际情况下，FBG中心波长与温度和应变的关系可表示为：
式中，α为光纤材料的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，Pe为光纤材料的有效弹光系数，?ε为轴向应变，?T为温度变化量。
2 光纤光栅在轨道交通领域的应用
2.1 光纤光栅传感器对轨道结构的监测
（1）轮轨力监测。钢轨是轨道最重要的组成部件，直接承受机车车辆的荷载作用。如图2（a）所示，在轮对垂向力的作用下，钢轨会产生挠曲变形，将光纤光栅应变传感器安装在钢轨轨底，受钢轨动弯应力的作用，传感器产生形变引起光栅反射波长的漂移，通过分析反射波长的变化情况，可提取到钢轨所受动弯应力值，这也是列车轮轴计数、超偏载监测、车轮健康状态监测的基础。
（2）道岔密贴状态监测。道岔是机车车辆从一股道转入或越过另一股道所必不可少的线路设备。尖轨是道岔转辙器的主要部分，通过扳动尖轨，可引道列车进入正线或侧线，因此尖轨和基本轨必须保持良好的密贴状态。通过FBG位移传感器可实现尖轨与基本轨的密贴监测[3]。如图2（b）所示，将传感器固定在基本轨上，尖轨上固定一块挡板。当尖轨向基本轨靠近时，如果尖轨与基本轨尚未达到密贴状态，则挡板不会对弹性杆有力的作用;直到尖軌与基本轨密贴之后，弹性杆会受到压力，粘贴在弹性杆上的FBG分别受拉和受压，通过二者波长变化差值所对应的弹性杆微应变即可判断道岔基本轨与尖轨的密贴情况。
2.2 光纤光栅传感器对轨道交通路基和边坡的变形监测
（1）路基沉降变形监测。轨道交通路基沉降变形表现为路基面相对于参考点的下沉位移。研究人员[4]研制了一种FBG沉降位移传感器，能够实时反映路基面的沉降状况。传感器结构及传感原理如图3（a）所示。传感器由表面为楔形的钢棒及等强度悬臂梁梁构成，两根具有相同材料属性、不同反射波长的FBG粘贴在等强度梁两侧，可起到增敏和互为温度补偿的作用。将楔形钢棒作为位移参考点固定于桩基础或基床，将传感器滑动壳固定在路基面，其上端面的配重与路面压实在同一水平线上。当路基面沉降变形时，楔形棒与滑动壳产生相对位移，位移量通过楔形棒转换成悬臂梁的弹性形变，通过FBG波长漂移差值可分析计算得到路基沉降变形量。
（2）边坡稳定性监测。边坡深部变形滑移是表征边坡整体稳定状态和变形趋势的关键信息，对了解边坡变形机理并及时发现预报边坡变形灾害有着重要意义。研究人员[5]提出了将光纤传感技术与钻孔测斜管结合，通过测量管变形监测边坡深部位移。将光纤光栅复合于测斜管上植入边坡内部，边坡深部变形滑移会导致埋入钻孔的测斜管发生变形并引起光纤光栅反射波长变化，基于此原理得到深部变形的位置和土体滑移量，如图3（b）所示。
3 总结与展望
轨道交通具有运量大、速度快、安全舒适、运费低和节能环保等优点，随着我国轨道交通建设的不断发展，如何保证轨道交通设施运营安全可靠显得尤为重要。本文分析了光纤光栅传感技术的原理和特点，介绍了在轨道交通领域的应用现状，并分析了不同结构类型的FBG传感器在轨道、路基、边坡等方向的应用案例。综上所述，光纤光栅传感技术能够很好地满足于轨道交通安全监测的需求。
参考文献：
[1]黎敏，廖延彪.光纤传感器及其应用技术[M].武汉大学出版社，2012.
[2]MOREY W W，MELTZ G，GLENN W H.Fiber Optic Bragg Grating Sensors[J].Proc Spie，1990，1169（96）：98-107.
[3]李维来，代鑫，程健，等.光纤光栅铁路道岔密贴监测装置，CN102303626A[P].2012.
[4]宋志强，张复荣，赵林，等.光纤光栅传感器在路基沉降监测中的应用研究[J].山东科学，2011，24（5）：18-21.
[5]朱鸿鹄，殷建华，洪成雨，等.基于光纤传感的边坡工程监测技术[J].工程勘察，2010，38（3）：6-10.
关键词：轨道交通;光纤传感;光纤光栅;结构监测
轨道交通具有运量大、速度快、运营安全、环保节能等优点，日益成为我国交通运输发展的必然选择。随着轨道交通运营的高速化、密集化，安全问题已成为了轨道交通建设和发展的主要挑战，建立可靠的轨道交通健康状况实时监测与预警技术是保证运输安全的有效手段。
轨道交通现场监测环境恶劣，电磁干扰强。传统的机械和电学类监测技术易受外界环境影响、长期稳定性能较差，影响监测结果的可靠性。与传统监测手段相比，光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、传输距离远、波长编码、复用能力强等诸多优点，能够很好地克服传统监测手段的缺陷。
光纤光栅传感以光信号形式传输，本质上不受电磁干扰;传感器可以做到较小体积，可实现对轨道交通结构无损情况下的布设;采用波长编码，可实现准分布式监测;同时具有精度高、可靠性高等优点，可进行应力应变、位移、加速度、温度等多种参量的监测。将光纤光栅传感技术应用到轨道交通领域，实现轨道交通基础设施及运营安全监测，具有很好的应用前景。
1 光纤光栅传感基本原理
光纤纤芯和包层构成的芯包结构是光纤全反射的基础。光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性，使光纤折射率发生周期性变化而形成的一种光无源器件。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）是应用最广泛的光纤光栅。FBG的光纤纤芯折射率沿轴向均匀，对光信号具有滤波作用。光栅的反射中心波长为[2]：
式中，λB为光栅的中心反射波长，neff为光栅有效折射率，Λ为光栅周期。由式（1）可知改变neff或Λ都能改变FBG的反射波长，而应变或温度对其影响最为显著。FBG传感器便是通过直接或间接改变应变或温度以改变FBG反射中心波长，从而得到被测参量信息。FBG传感机理如图1所示。
在实际情况下，FBG中心波长与温度和应变的关系可表示为：
式中，α为光纤材料的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，Pe为光纤材料的有效弹光系数，?ε为轴向应变，?T为温度变化量。
2 光纤光栅在轨道交通领域的应用
2.1 光纤光栅传感器对轨道结构的监测
（1）轮轨力监测。钢轨是轨道最重要的组成部件，直接承受机车车辆的荷载作用。如图2（a）所示，在轮对垂向力的作用下，钢轨会产生挠曲变形，将光纤光栅应变传感器安装在钢轨轨底，受钢轨动弯应力的作用，传感器产生形变引起光栅反射波长的漂移，通过分析反射波长的变化情况，可提取到钢轨所受动弯应力值，这也是列车轮轴计数、超偏载监测、车轮健康状态监测的基础。
（2）道岔密贴状态监测。道岔是机车车辆从一股道转入或越过另一股道所必不可少的线路设备。尖轨是道岔转辙器的主要部分，通过扳动尖轨，可引道列车进入正线或侧线，因此尖轨和基本轨必须保持良好的密贴状态。通过FBG位移传感器可实现尖轨与基本轨的密贴监测[3]。如图2（b）所示，将传感器固定在基本轨上，尖轨上固定一块挡板。当尖轨向基本轨靠近时，如果尖轨与基本轨尚未达到密贴状态，则挡板不会对弹性杆有力的作用;直到尖軌与基本轨密贴之后，弹性杆会受到压力，粘贴在弹性杆上的FBG分别受拉和受压，通过二者波长变化差值所对应的弹性杆微应变即可判断道岔基本轨与尖轨的密贴情况。
2.2 光纤光栅传感器对轨道交通路基和边坡的变形监测
（1）路基沉降变形监测。轨道交通路基沉降变形表现为路基面相对于参考点的下沉位移。研究人员[4]研制了一种FBG沉降位移传感器，能够实时反映路基面的沉降状况。传感器结构及传感原理如图3（a）所示。传感器由表面为楔形的钢棒及等强度悬臂梁梁构成，两根具有相同材料属性、不同反射波长的FBG粘贴在等强度梁两侧，可起到增敏和互为温度补偿的作用。将楔形钢棒作为位移参考点固定于桩基础或基床，将传感器滑动壳固定在路基面，其上端面的配重与路面压实在同一水平线上。当路基面沉降变形时，楔形棒与滑动壳产生相对位移，位移量通过楔形棒转换成悬臂梁的弹性形变，通过FBG波长漂移差值可分析计算得到路基沉降变形量。
（2）边坡稳定性监测。边坡深部变形滑移是表征边坡整体稳定状态和变形趋势的关键信息，对了解边坡变形机理并及时发现预报边坡变形灾害有着重要意义。研究人员[5]提出了将光纤传感技术与钻孔测斜管结合，通过测量管变形监测边坡深部位移。将光纤光栅复合于测斜管上植入边坡内部，边坡深部变形滑移会导致埋入钻孔的测斜管发生变形并引起光纤光栅反射波长变化，基于此原理得到深部变形的位置和土体滑移量，如图3（b）所示。
3 总结与展望
轨道交通具有运量大、速度快、安全舒适、运费低和节能环保等优点，随着我国轨道交通建设的不断发展，如何保证轨道交通设施运营安全可靠显得尤为重要。本文分析了光纤光栅传感技术的原理和特点，介绍了在轨道交通领域的应用现状，并分析了不同结构类型的FBG传感器在轨道、路基、边坡等方向的应用案例。综上所述，光纤光栅传感技术能够很好地满足于轨道交通安全监测的需求。
参考文献：
[1]黎敏，廖延彪.光纤传感器及其应用技术[M].武汉大学出版社，2012.
[2]MOREY W W，MELTZ G，GLENN W H.Fiber Optic Bragg Grating Sensors[J].Proc Spie，1990，1169（96）：98-107.
[3]李维来，代鑫，程健，等.光纤光栅铁路道岔密贴监测装置，CN102303626A[P].2012.
[4]宋志强，张复荣，赵林，等.光纤光栅传感器在路基沉降监测中的应用研究[J].山东科学，2011，24（5）：18-21.
[5]朱鸿鹄，殷建华，洪成雨，等.基于光纤传感的边坡工程监测技术[J].工程勘察，2010，38（3）：6-10.