基于光纤布拉格光栅的轨道传感系统研究

论文摘要

基于光纤布拉格光栅(光纤光栅)的轨道交通传感系统主要用于监测钢轨表面应变。利用测量得到的钢轨的表面应变,可以获得钢轨承受的载荷和温度变化导致的钢轨应力等信息；在钢轨上安装若干光纤光栅传感器并组网,则可以对钢轨应变进行准分布式测量,获得轨道的变形状况。本文从理论分析与实验验证两方面对基于光纤光栅的轨道交通传感系统进行研究。首先介绍了光纤光栅传感器的工作原理,并讨论了光纤光栅中心反射波长漂移量与载荷和温度变化导致的钢轨应变的数学模型。然后按照由点到线的原则,介绍了不同的传感器和传感网络设计。基于匹配光栅可以消除温度下扰的特点,结合各种工况下钢轨应变与受力关系的分析,设计出一种检测钢轨局部应变的传感系统方案,具有良好的工作性能,可以实现对轨道上某一位置与温度无关的应变测量。进而针对匹配光栅解调方法需要中心反射波长相匹配的一对光纤光栅才能工作讨论了一种基于半自由度封装光栅的解调方法,只需要使用一只光纤光栅就可以对波长漂移量进行强度解调。数值仿真和表明实验使用半自由度封装光纤光栅传感器可以对0～500με范围内的应变进行测量,并且具有较好的线性度。最后通过对轨道交通传感系统特性的分析,针对轨道交通具有线状分布、距离远、测量点数多的特点,利用光时域反射原理和匹配光栅解调技术设计一种符合需求的光纤光栅传感器复用技术,并针对其噪声干扰大的问题利用光码分多址复用技术(OCDMA)进行改进。为了消除串话,采用自相关系数为零的格雷互补序列实现反射谱不同的光栅传感器同时解调,数值仿真表明,使用格雷互补序列可以消除多址干扰,实现对传感信息的精确解调。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作和结构安排
• 第2章 光纤应变传感器
• 2.1 光纤应变传感器的基本原理与比较
• 2.1.1 相位调制型
• 2.1.2 波长调制型
• 2.1.3 光纤应变传感器的选型
• 2.2 光纤光栅传感器工作原理
• 2.2.1 光纤光栅简介
• 2.2.2 光纤光栅波长飘移与应变的关系
• 2.2.3 光纤光栅波长飘移与温度的关系
• 2.2.4 光纤光栅传感器的优点
• 2.3 光纤光栅中心反射波长解调系统的结构与原理
• 2.3.1 光纤光栅中心反射波解调系统的结构
• 2.3.2 光纤光栅中心反射波长解调的原理
• 本章小结
• 第3章 基于光纤布拉格光栅的轨道应变传感系统
• 3.1 钢轨应变分析
• 3.1.1 钢轨受力模型
• 3.1.2 钢轨应变与垂向作用力的关系
• 3.1.3 温度变化产生的钢轨应变
• 3.2 基于匹配光栅的钢轨应变测量方法
• 3.2.1 基于匹配光栅的波长漂移解调技术
• 3.2.2 系统结构及数值仿真
• 3.2.3 实验结果与分析
• 3.3 基于半自由度封装光纤光栅传感器的应变测量方法
• 3.3.1 半自由度封装的结构与原理
• 3.3.2 数值仿真与实验结果
• 本章小结
• 第四章 基于光时域反射的光纤光栅传感器复用技术
• 4.1 轨道交通传感系统特性分析
• 4.2 基于光时域反射的传感器复用技术
• 4.2.1 光时域反射的原理与复用技术方案
• 4.2.2 实验系统的设置
• 4.2.3 实验结果与讨论
• 4.3 基于OCDMA技术的改进方案
• 4.3.1 基于格雷互补序列的编码方案
• 4.3.2 仿真实验结果与讨论
• 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文与申请专利