Fiberoptiske vibrationssensorer kan forhindre togulykker

Forskere har udviklet nye sensorer til måling af acceleration og vibrationer på tog. Teknologien kunne integreres med kunstig intelligens for at forhindre jernbaneulykker og katastrofale togafsporinger.

"Hvert år, togulykker fører til alvorlige kvæstelser og endda dødsfald, " sagde leder af forskningsteamet Hwa-yaw Tam, fra Hong Kong Polytechnic University. "Vores fiberaccelerometre kunne bruges til overvågning i realtid af defekter i jernbanesporet eller toget for at lokalisere problemer, før der sker en ulykke."

Forskerne beskriver deres nye accelerometre i tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express . Enhederne kan detektere frekvenser mere end det dobbelte af traditionelle fiberoptiske accelerometre, hvilket gør dem velegnede til at overvåge interaktioner mellem hjul og skinner. De holdbare sensorer inkluderer ingen bevægelige dele og fungerer godt i de støjende og højspændingsmiljøer, der findes i jernbaneapplikationer.

"Ud over jernbaneovervågning, disse nye accelerometre kan bruges i andre vibrationsovervågningsapplikationer, for eksempel, strukturel sundhedsovervågning af bygninger og broer og vibrationsmålinger af flyvinger, " sagde Zhengyong Liu.

All-optisk jernbane sensing

I mere end 15 år, forskerne har arbejdet på tilstandsovervågningssystemer, der bruger et helt optisk sensornetværk til kontinuerligt at overvåge kritiske jernbanekomponenter. Disse systemer kan hjælpe med at erstatte ineffektive og bekostelige planlagte jernbanevedligeholdelsesrutiner med forudsigelig vedligeholdelse baseret på faktiske forhold. Systemer udviklet af forskerne er blevet installeret i Hong Kong og Singapore.

"Et helt optisk sensornetværk har mange fordele, da det er immunt over for elektromagnetisk interferens, har lang transmissionsafstand og sensorerne kræver ikke elektricitet, " sagde Liu. "Men, der er behov for fiberoptiske sensorer, der er optimeret til at måle forskellige parametre i jernbanesystemer."

De fiberoptiske accelerometre, der typisk bruges i tilstandsovervågningssystemer, er baseret på fiber Bragg-riste (FBG'er) og kan ikke bruges til at detektere vibrationer højere end 500 Hz. Selvom dette er tilstrækkeligt til de fleste jernbaneapplikationer, kan det ikke bruges til at måle hjul-skinne-interaktioner, der er en vigtig kilde til sporslid.

For at overvinde dette problem, forskerne designet et nyt fiberoptisk accelerometer, der bruger en speciel optisk fiber kendt som en polarisationsvedligeholdende fotonisk krystalfiber, der er viklet ind i form af en skive med kun 15 millimeter i diameter. Den oprullede fiber er limet mellem et rustfrit stålsubstrat og en cylindrisk masseblok. Når der opstår en vibration, masseblokken vil trykke på den oprullede fiber med en frekvens, der svarer til vibrationens. Denne ydre kraft får lysets bølgelængde i fiberen til at forskydes på en målbar måde.

"Denne interferometriske konfiguration bruger ændringer i lyset inde i fiberen til at opnå præcis information om vibrationerne, " sagde Liu. "Ved at installere disse accelerometre på undervognen af ​​et tog, der er i drift, kan de overvåge vibrationer, der ville indikere defekter i sporet. De kan også bruges til at opdage problemer i luftledninger, der bruges til at drive tog."

Sammenligning af felttest

Efter grundig test af prototyper af det nye accelerometer i laboratoriet, forskerne udførte en felttest ved at installere enheden på et tog i drift. De installerede også et FBG-baseret accelerometer og et piezoelektrisk accelerometer til sammenligning.

De fandt ud af, at det nye fiberaccelerometer registrerede acceleration på samme måde som det piezoelektriske accelerometer. Imidlertid, piezoelektriske sensorer kræver dyre skærmede kabler for at reducere virkningerne af elektromagnetisk interferens. Fordi det FBG-baserede accelerometer ikke kan fungere godt ved høje frekvenser, støj skjulte nogle af de nyttige vibrationsoplysninger.

"Vores resultater viste, at vores nye accelerometre yder betydeligt bedre end eksisterende accelerometre, der bruges til at overvåge acceleration i tog, " sagde Liu.

I dette arbejde, forskerne brugte en kommerciel polarisationsvedligeholdende fotonisk krystalfiber. De har siden designet og fremstillet en ny type fiber med mindre ydre diametre, lavere bøjningstab og højere dobbeltbrydning, alt dette ville give dem mulighed for at bygge et mindre accelerometer med endnu højere følsomhed.

"Disse nye accelerometre kan åbne nye sansnings- og overvågningsmuligheder ved at levere data, der understøtter implementering af kunstig intelligens i jernbaneindustrien, " sagde Tam. "Selvom jernbaneovervågning er et godt eksempel på, hvordan fiberoptisk sensing kan kombineres med kunstig intelligens, Vi mener, at denne kombination også er lovende for en række andre industrier og applikationer."