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《西南交通大学》 2015年
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光纤光栅传感技术在轨道状态监测中的研究

米秋实  
【摘要】:光纤传感技术因其自身灵敏度高、测量速度快、信息存储量大,便于大规模组网等优势被研究人员广泛关注,为实现更加合理的轨道结构状态监测与建立有效的预警机制提供了新的思路与行之有效的解决方法。本文在研究光纤光栅传感基础理论基础上,结合光纤光栅传感器的应用特点,讨论了将光纤光栅传感技术应用于车轮踏面缺陷监测中的可行性;在比较分析了现有高速列车车轮踏面缺陷监测方法的基础上,进一步结合光纤传感技术自身特点与实际工程应用需求,制定了基于光纤光栅传感技术的车轮踏面缺陷的监测方案,并进行了系统方案模块的实现;随后,建立了相关实验模型,根据系统设计目标进行了设计模块及设计方法的实验验证。本文的第一部分以耦合模理论为基础,应用传输矩阵法分析了光纤光栅的光谱响应,在得出谐振条件后,进一步分析了光纤光栅的传感理论基础。在分析光纤光栅传感基础理论以及光纤光栅传感器的应用特点基础上,进一步结合车轮踏面缺陷检测的要求,进行了应用光纤光栅传感技术进行车轮踏面擦伤在线监测可行性基础研究。本文的第二部分主要介绍了基于光纤光栅传感技术的车轮踏面缺陷检测系统的方案设计。和目前轨道交通结构监测系统中广泛使用的电类传感技术相比,基于光纤光栅传感技术的监测系统防电磁干扰能力强,不会发生零点漂移等故障;传输距离长,利于建成大规模的分布式组网。本文的第二部分设计了基于光纤光栅传感技术的高速车轮踏面擦伤在线监测系统方案,并以FPGA为数字核心控制模块设计了相应的功能模块。本文第三部分根据系统设计目标,建立了相关实验模型。首先建立了基于光纤光栅传感技术的车轮冲击响应仿真模型。而后,针对F-P腔解调模块中设计所采用的脉位解调方法,建立理论仿真模型,并将解调后所得到的波长变化曲线与实际车轮冲击响应曲线进行对比,验证解调方式的可行性。最后利用压控振荡器模拟实际检测系统的中的扫频过程。对实际测量系统中的Fabry-Perot谐振腔的光学扫描滤波过程进行模拟,将对光纤光栅传感量中心波长值λm的扫描过程对应为通过压控振荡器所进行的扫描过程,从而将实际过程中的中心波长变化值△λm对应为电子学中的频率变化量△ω,验证了解调模块中的设计思路。
【关键词】:光纤传感技术 踏面擦伤检测 FPGA 信号采集 实验室模拟
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:U216.3;TP212
【目录】:
  • 摘要6-8
  • Abstract8-12
  • 第1章 绪论12-20
  • 1.1 课题研究的背景及意义12-14
  • 1.2 相关领域国内外研究现状14-16
  • 1.2.1 光纤传感技术研究现状14-15
  • 1.2.2 光纤光栅在铁路领域的研究现状15-16
  • 1.3 课题研究内容和基本思路16-18
  • 1.3.1 课题研究的主要内容16-17
  • 1.3.2 本课题的关键问题17
  • 1.3.3 课题研究基本思路17-18
  • 1.4 章节安排18-20
  • 第2章 光纤光栅传感技术检测原理20-30
  • 2.1 光纤光栅传感理论20-25
  • 2.1.1 耦合模理论20-24
  • 2.1.2 光纤布拉格光栅24-25
  • 2.2 光纤布拉格光栅的应变传感特性25-27
  • 2.3 光纤光栅解调技术27-30
  • 第3章 基于光纤光栅传感技术的车轮踏面缺陷监测系统方案设计30-45
  • 3.1 车轮踏面缺陷成因及常用检测方法30-32
  • 3.2 应用光纤光栅传感技术检测的可行性研究32-37
  • 3.2.1 钢轨受力模型分析32-34
  • 3.2.2 FBG的均匀轴向应变传感理论分析讨论34-37
  • 3.3 系统方案架构设计37-40
  • 3.3.1 系统方案架构设计37-38
  • 3.3.2 各功能模块硬件需求分析与规划38-40
  • 3.4 基于可调谐F-P腔滤波法解调的光路模块设计分析40-43
  • 3.5 传感器的布置43-45
  • 第4章 基于光纤光栅传感技术的车轮踏面缺陷检测算法优化研究45-52
  • 4.1 踏面擦伤分析计算方法45-47
  • 4.2 取样光纤布拉格光栅在检测方案中的应用研究47-48
  • 4.3 算法优化实现48-52
  • 第5章 实验系统设计与实验结果验证52-73
  • 5.1 实验仿真系统模型52-60
  • 5.1.1 光纤布拉格光栅应变测量模型52-56
  • 5.1.2 可调谐F-P滤波法的脉位解调模型56-60
  • 5.2 方案设计模块实现60-63
  • 5.2.1 光电转换电路设计61
  • 5.2.2 信号采集模块的FPGA控制系统61-62
  • 5.2.3 数据采集电路设计62-63
  • 5.3 实验验证设计63-70
  • 5.4 全文总结70-72
  • 5.5 下一步工作展望72-73
  • 结论73-74
  • 致谢74-76
  • 参考文献76-81
  • 附录81-82
  • 攻读硕士期间发表论文及成果82

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