可預防交通事故的新型光纖振動傳感器

 

近日，來自香港理工大學的研究人員們開發了一種用于測量火車加速度和振動的新型傳感器。這項技術可以與人工智能相結合，以防止鐵路事故和災難性的火車出軌。

 

 

研究小組組長譚華耀說：“每年火車事故都會導致嚴重的交通事故，我們的光纖加速度計可以用于實時監測鐵路軌道或火車的缺陷，在事故發生前查明問題所在。”

 

 

據研究人員描述，該設備可以檢測到的頻率是傳統光纖加速度計的兩倍多，因此適合監測輪軌之間的相互作用。這種耐用的傳感器不含移動部件，能夠在鐵路交通中常見的嘈雜和高壓環境里工作良好。研究人員表示除了鐵路監測，這些新的加速度計還可以用于其他振動監測應用，例如，建筑物和橋梁的結構健康監測以及飛機機翼的振動測量。

 

 

利用鐵路傳感 

 

 

15年來，研究人員一直致力于利用全光傳感網絡連續監測鐵路關鍵部件的狀態監測系統。這些系統可以幫助用基于實際情況的預測維修代替低效和昂貴的定期鐵路維修程序。研究人員們開發的系統已在香港和新加坡投放安裝。研究人員們說：“全光傳感網絡有很多優點，因為它不受電磁干擾，傳輸距離長，傳感器不需要電力。然而，鐵路系統需要優化的光纖傳感器來測量不同的參數。”

 

 

通常用于環境監測系統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 Hz的振動。雖然這對于大多數鐵路應用來說是足夠的，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。為了解決這個問題，研究人員設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 mm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。當振動發生時，質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生可測量的位移。

 

 

對比實地測試 

 

 

在實驗室里對新型加速度計的原型進行了徹底的測試后，研究人員將該裝置安裝在一輛現役列車上進行了現場測試。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。他們發現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不能很好地工作，噪聲掩蓋了一些有用的振動信息。實驗結果表明，研制的新加速度計比現有的用于監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。

 

 

譚教授說：“這些新的加速度計可以提供數據，支持鐵路行業實施人工智能，從而開啟新的傳感和監測可能性。雖然鐵路監控是光纖傳感與人工智能結合的一個很好的例子，但我們相信這種結合在其他一些行業和應用領域也很有前景。”