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光纤光栅传感技术在轨道状态检测中的应用研究
| 论文题名： | 光纤光栅传感技术在轨道状态检测中的应用研究 |
| 关键词： | 轨道状态检测;光纤光栅传感;FBG;FCG;多线程;有限元分析 |
| 摘要： | 铁路系统中的轨道是铁路运营最基础的设施。通过对轨道状态检测可以得到大量的保证铁路运营安全和提高效率的信息。但是，轨道恶劣的现场环境会影响现有轨道检测设备如轨道电路、电磁计轴器等的可靠性，严重时出现如分路不良、红光带、计轴错误等故障，从而影响铁路运营的安全和效率。光纤光栅本质上具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成构成网络等诸多优点，再加上成熟的封装工艺，使其能在恶劣的条件下提供稳定可靠的检测信息。这是光纤光栅传感技术在轨道状态检测中应用研究的前提所在。 本研究课题研究了光纤Bragg光栅（FBG）和光纤啁啾光栅（FCG）两种传感检测的解决方案。在本论文对两种方案的传感原理及其实验验证，检测定位的优化设计，系统总体方案设计及软硬件构架的具体实现，数据分析及处理进行了详细的阐述，而且得出了重要的结果。 本项目的主要研究内容及结果如下： 一．对光纤光栅的制作原理进行分析。依据经典的“耦合模理论”和“传输矩阵法”，利用数值仿真的方法分析FBG和FCG的光谱特性。它们的特性表明：在传感应用中，FBG适于检测波长，能提供绝对波长参量变化信息；FCG适于检测光强，实现低成本的动态测量。 二．对FBG和FCG的应变传感特性进行理论分析和实验验证。结果表明：FBG和FCG的传感输出量与输入应变量之间有着良好的线性关系和高的灵敏系数，中心波长为1300nm的FBG的轴向形变的灵敏度为1.0344pm/με，FCG的随轴向应变的谱形移动的灵敏度约为1 pm/με。 三．按照FBG和FCG的应变传感原理，传感检测的最优位置应兼顾信噪比和应变场沿光栅方向的方向导数。依据约束条件，利用Ansys软件进行有限元分析结果表明，钢轨底部中间沿中线方向为最佳检测位置，并设计了相应的固定装置。试验结果显示，当一列140km/h的客车通过检测处时，FBG传感器检测到的波长峰值偏移量达到150pm，FCG传感器检测到的电压变化量到达150mv。 四，依据FBG和FCG检测信号特点，分别为它们设计了传感检测系统的硬件组成方案。 五．结合系统硬件系统，通过对系统软件进行需求分析，找出了软件系统的参与者与系统交互的用例。为保证软件系统的运行稳定度和执行效率，检测系统采用多线程技术的解决方案。 六，通过对导数法、高斯拟合法、循环计数法等寻峰算法的对比和分析，找到了一种合适的实时寻峰算法，在软件系统的主运算单元实现其功能，并达到了良好的效果。 |
| 作者： | 潘建军 |
| 专业： | 机械电子工程 |
| 导师： | 李维来 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2009 |
| 正文语种： | 中文 |
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