劉艷芬 柴雪松 馮毅杰 王智超 暴學(xué)志 時佳斌 凌烈鵬

1.中鐵科學(xué)技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

無砟軌道線路變形的檢測手段以綜合檢測車和輪軌小車為主，但只能實現(xiàn)周期性檢測，無法及時獲取軌道板的變形狀態(tài)。因此，亟待一種可靠的在線監(jiān)測技術(shù)來及時掌握軌道板線形變化。分布式光纖傳感技術(shù)具有測量范圍長、抗電磁干擾、傳感兼?zhèn)鬏數(shù)忍攸c［1］，被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道及土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測［2-3］、混凝土裂縫識別［4］、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測［5］、高壓輸電線覆冰狀態(tài)監(jiān)測［6］、變壓器繞組變形檢測［7］等領(lǐng)域。文獻(xiàn)［8］提出了分布式光纖傳感技術(shù)在軌道板翹曲上拱監(jiān)測中的應(yīng)用方案，并試驗驗證了方案的可行性。

對于下部基礎(chǔ)變化導(dǎo)致的軌道板變形，由于難以尋找保持不動的測量基準(zhǔn)點，常規(guī)監(jiān)測方法和技術(shù)無法實現(xiàn)監(jiān)測目的。本文通過試驗對傳感光纜的特性及分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，通過實尺模擬試驗驗證弦測分布式光纖傳感監(jiān)測方法在軌道板變形監(jiān)測應(yīng)用中的可行性，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、精度等進(jìn)行分析。

1 檢測原理

1.1 光纖布里淵散射原理

布里淵散射效應(yīng)是光纖中注入的光波場與其中的彈性聲波場相互耦合作用產(chǎn)生的一種非線性光散射現(xiàn)象。布里淵散射相對于入射光頻率的變化量稱為布里淵頻移?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感布里淵光時域分析（Brilouin Optical Time-Domain Analysis，BOTDA）的工作原理：處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光和一連續(xù)光（分別稱為泵浦光和探測光）注入傳感光纖，當(dāng)泵浦光和探測光的頻率差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，在該區(qū)就會產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。對兩激光器的頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，通過采集光纖一端射出的連續(xù)光的功率，就可以確定光纖在各小段區(qū)域內(nèi)能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時所對應(yīng)的頻率差，從而得到關(guān)于應(yīng)變、溫度的分布消息，實現(xiàn)分布測量。BOTDA工作原理如圖1所示。其中f0為脈沖波頻率；fB為光纖固有布里淵頻率；fB1為受到溫度或應(yīng)變反應(yīng)后光纖的布里淵頻率；f0+fB（fB1）為光纖中脈沖頻率和布里淵頻率的疊加連續(xù)波的頻率。

圖1 BOTDA工作原理示意

布里淵頻移、強度與光纖材料中的聲速有關(guān)，聲速受光纖材料的熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)的影響，而熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)與光纖材料的折射率、楊氏模量、泊松比和密度有關(guān)，所以光纖中溫度和應(yīng)變的變化都會引起布里淵頻移的變化。光纖在溫度T和應(yīng)變ε下的布里淵頻移fB(T，ε)及布里淵頻移變化量Δf B(T，ε)的表達(dá)式為

式中：fB0(T0，ε0)為光纖在初始溫度T0和初始應(yīng)變ε0下的布里淵頻移；CT、Cε分別為布里淵頻移的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)；ΔT、Δε分別為光纖溫度和應(yīng)變的變化量。

從式（2）可以看出，當(dāng)溫度不變，只有應(yīng)變引起布里淵頻移時，布里淵頻移變化量與應(yīng)變變化量呈線性關(guān)系；當(dāng)應(yīng)變不變，只有溫度引起布里淵頻移時，布里淵頻移變化量與溫度變化量呈線性關(guān)系。

1.2 弦測原理

如圖2所示，使用弦測分布式光纖傳感監(jiān)測方法對軌道板的變形進(jìn)行監(jiān)測時，首先將傳感光纜按一定工藝布設(shè)于剛性弦測裝置中，然后將剛性弦測裝置的一端（E端）固定在道床板表面邊緣，另一端（F端）放置于固定在軌道板表面的限位槽內(nèi)，即E端同步于軌道板運動，F(xiàn)端在限位槽內(nèi)滑動。光纜與軌道板固定于O點，轉(zhuǎn)向固定裝置安裝于EF的中點D點。當(dāng)軌道板發(fā)生橫向位移時，F(xiàn)端會跟隨軌道移動，轉(zhuǎn)向固定裝置會帶動鋼絲繩對傳感光纜進(jìn)行縱向拉伸，進(jìn)而可以檢測到軌道板的變形信號。

圖2 弦測裝置檢測原理

已知OD=m。當(dāng)弦測裝置F端由A點移動到B點時，D點相應(yīng)移動到C點。此時OC=n，F(xiàn)端的旋轉(zhuǎn)角度為θ。計算OC與OD的長度差便可得出檢測光纖的縱向拉伸位移Δl，表達(dá)式為

式中：h為軌道板橫向位移。

由式（3）可以看出，光纜的縱向拉伸位移Δl與軌道板橫向位移h、旋轉(zhuǎn)角度θ有關(guān)，且隨變量的增大而增大。當(dāng)θ較小時，Δl≈h/2。可見，弦測裝置可以檢測出軌道板是否發(fā)生橫向位移，且檢測值約為軌道板橫向位移的一半。

2 傳感光纜特性

分布式光纖傳感技術(shù)使用緊套光纜監(jiān)測變形。傳感光纜作為分布式光纖應(yīng)用中的傳感環(huán)節(jié)，其特性直接影響方案的實施效果。

2.1 傳感光纜結(jié)構(gòu)組成

選用的緊套光纜為單模石英光纜，從內(nèi)到外依次為纖芯、包層、涂覆層和外套層［9］。其中光纜的主體結(jié)構(gòu)光纖由纖芯和包層組成，纖芯的折射率較高，包層的折射率較低；涂覆層可以隔離雜散光；護(hù)套層可以提高光纜的強度進(jìn)而對光纜起到保護(hù)作用。

2.2 傳感光纜力學(xué)性能試驗

使用分布式光纖傳感技術(shù)時，傳感光纜的抗拉強度、彈性模量、延伸率都是衡量檢測能力的重要指標(biāo)。使用萬能材料試驗機，采用單根傳感光纜拉伸的試驗方法測試傳感光纜的力學(xué)性能。

光纜試樣直徑2.8 mm，初始標(biāo)距為50 mm。對松弛狀態(tài)的光纜施以一定的預(yù)加載，并以荷載反饋值大于0時所對應(yīng)的位移作為位移0點進(jìn)行光纜標(biāo)距、荷載和位移的計算。

傳感光纜拉伸應(yīng)力σ、應(yīng)變ε的計算式為

式中：F為拉伸荷載；S0為光纜截面積；L為光纜長度。

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出傳感光纜拉伸加載試驗結(jié)果，見圖3。

圖3 傳感光纜拉伸加載試驗結(jié)果

由圖3可知：①F＜50.05 N時，拉伸位移隨拉伸荷載的增加而線性增加；F達(dá)到50.05 N，光纜發(fā)生塑性變形，此時光纜變形為3.5 mm；而后拉伸荷載基本保持不變，拉伸位移迅速增加。因此可以認(rèn)為傳感光纜的最大抗拉荷載為50.05 N，極限拉伸率為7.0%。②傳感光纜的抗拉強度為8.2 GPa。③ε＜0.01時，傳感光纜的應(yīng)變與拉伸位移的線性關(guān)系較好。④F=5.12 N時，拉伸荷載-應(yīng)變曲線有突變，可能是光纜與夾具或夾具接觸面的涂覆層變形破壞導(dǎo)致的；ε＜0.01時，光纜的拉伸荷載和應(yīng)變有較好的線性關(guān)系。

文獻(xiàn)［10］對特殊光纖進(jìn)行張拉極限試驗，拉應(yīng)變達(dá)到0.025時錨固裝置壞掉但是光纖沒有被拉斷。因此，光纖的拉應(yīng)變越大對錨固裝置的要求就越高。工程中光纖的常規(guī)拉應(yīng)變約0.01。

2.3 光纖光學(xué)性能

2.3.1 應(yīng)變與頻移的關(guān)系

利用布里淵散射識別光纜發(fā)生的應(yīng)變或溫度，實際上是識別光纜的布里淵頻移。因此，獲得光纜的應(yīng)變與頻移的關(guān)系尤為重要。

將標(biāo)距330 mm的光纜布設(shè)到光學(xué)平臺上，按步距0.1 mm（拉伸位移）進(jìn)行逐級加載拉伸，拉伸位移達(dá)到1.0 mm時停止加載。分析逐級加載的應(yīng)變和頻移數(shù)據(jù)，得到光纜的應(yīng)變與頻移的數(shù)學(xué)關(guān)系，見表1。對光纜的拉伸位移-頻移數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析（圖4），可見其線性回歸度較好。

表1 不同位移下的應(yīng)變系數(shù)

圖4 拉伸位移-頻移回歸分析曲線

2.3.2 溫度與頻移的關(guān)系

將標(biāo)距1 000 mm的光纜浸到水浴鍋內(nèi)，對水浴鍋按約10℃級差逐級加熱到100℃，分析逐級加熱的溫度和頻移數(shù)據(jù)，得到光纜的溫度-頻移數(shù)學(xué)關(guān)系，即溫度系數(shù)，見表2。可知，測量光纜的溫度系數(shù)平均值為1.26 MHz/℃，比裸纖的溫度系數(shù)1.20 MHz/℃略大。這是因為溫度系數(shù)標(biāo)定時將緊套光纜浸在水浴鍋中，溫度升高的過程中纖芯會受到緊套護(hù)套的張應(yīng)變和壓應(yīng)變的影響，測量的溫度系數(shù)會大于裸纖。

表2 不同溫度下的溫度系數(shù)

3 關(guān)鍵參數(shù)

3.1 空間分辨率

空間分辨率的大小直接影響采集數(shù)據(jù)的精度，空間分辨率越小采集精度就會越高?？臻g分辨率的選取還依賴測區(qū)長度、檢測范圍等參數(shù)?？臻g分辨率大于測區(qū)長度時，采集得到數(shù)據(jù)的誤差會較大，所以空間分辨率應(yīng)小于測區(qū)長度?？臻g分辨率與檢測范圍的關(guān)系取決于選用的分布式光纖傳感解調(diào)儀參數(shù)，如Ozoptic公司解調(diào)儀50、100 cm空間分辨率的理論檢測范圍分別是5、10 km。

通過室內(nèi)模擬試驗探討同時滿足測區(qū)長度和檢測范圍要求的空間分辨率選取方法。

將長度為3 km的傳感傳輸光纜接入分布式光纖傳感解調(diào)儀，選取標(biāo)距150 cm的光纜布設(shè)在光學(xué)平臺上，對測區(qū)內(nèi)的光纜按步距0.5 mm（拉伸位移）進(jìn)行逐級加載拉伸，拉伸位移達(dá)10.0 mm時停止加載。使用50、100 cm空間分辨率各采集若干組數(shù)據(jù)。

根據(jù)兩種空間分辨率采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)，擬合得到應(yīng)變-拉伸位移的線性回歸關(guān)系（圖5）。利用線性回歸方程反算得到不同拉伸位移下的計算應(yīng)變，然后對采集應(yīng)變數(shù)據(jù)和計算應(yīng)變數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到應(yīng)變數(shù)據(jù)的誤差分布，見圖6?？芍?0、100 cm空間分辨率的均值分別為56.625 7、48.324 9，均方差分別為24.916 1、19.142 4。顯然，在測區(qū)長度和檢測范圍都適用的條件下，100 cm空間分辨率采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更好。這是因為100 cm空間分辨率的脈沖光含有的能量和信噪比較高，即空間分辨率越小，脈沖光中含有的能量越小，信噪比越差。

圖5 兩種空間分辨率采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果

圖6 兩種空間分辨率采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)誤差分布

因此，空間分辨率的選取不僅要考慮采集精度，還要考慮采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，要根據(jù)工程數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性的要求進(jìn)行選取。

3.2 測區(qū)定位和測點設(shè)置

使用弦測分布式光纖傳感監(jiān)測方法對無砟軌道變形監(jiān)測時，需要根據(jù)頻率曲線的波形特點定位測區(qū)和識別測區(qū)內(nèi)部監(jiān)測點位。根據(jù)監(jiān)測頻率曲線半寬全峰的起止點對測區(qū)的起點、終點進(jìn)行定位。根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)點的洛倫茲擬合曲線波峰的數(shù)量，對測區(qū)監(jiān)測點位進(jìn)行識別。

測區(qū)長度是頻率曲線的半寬全峰（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM）長度。過波峰幅值中點作平行于峰底的直線，與曲線相交兩點之間的距離即測區(qū)長度。如圖7所示，交點X1、X2便是測區(qū)的起點和終點。

圖7 測區(qū)的起點和終點定位

監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的光纜因外部張力或溫度變化產(chǎn)生應(yīng)變時，錨固區(qū)附近監(jiān)測光纜的受力比較復(fù)雜，監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)不僅包括目標(biāo)監(jiān)測應(yīng)變數(shù)據(jù)，還包括錨固件與光纜之間相互作用產(chǎn)生的拉壓應(yīng)變。因此，錨固區(qū)附近的監(jiān)測點不能作為測區(qū)的監(jiān)測點。

對錨固區(qū)附近和測區(qū)內(nèi)部監(jiān)測點的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，錨固區(qū)附近監(jiān)測點的頻譜數(shù)據(jù)有雙峰，測區(qū)內(nèi)部監(jiān)測點的頻譜數(shù)據(jù)有單峰，如圖8所示。對頻譜數(shù)據(jù)按一定規(guī)則進(jìn)行洛倫茲曲線和改進(jìn)的洛倫茲曲線擬合，根據(jù)每個測點頻譜數(shù)據(jù)的洛倫茲擬合曲線中出現(xiàn)的波峰數(shù)量以及每個波峰的跨度和幅值所占的比例，對該點是否可以作為監(jiān)測點進(jìn)行評估。

圖8 錨固區(qū)附近和測區(qū)內(nèi)部監(jiān)測點頻譜數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果

4 傳感光纜的布設(shè)工藝

4.1 黏合材料的選取

為研究道床板表面布設(shè)傳感光纜及弦測法光纜端部固定方式，使用多種膠黏劑作為光纜固定的黏合材料。結(jié)合實驗室環(huán)境，將光纜粘接于混凝土板表面，固化后對光纜進(jìn)行張拉。

通過對膠黏劑進(jìn)行優(yōu)選及在原材料基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，選取10種膠黏劑作為光纜黏合材料。養(yǎng)護(hù)方式均為室溫養(yǎng)護(hù)。測試結(jié)果見表3?？芍?，10種膠黏劑粘接效果良好；對光纜進(jìn)行張拉時，隨著荷載增大，大部分膠體與光纜發(fā)生脫離，甚至出現(xiàn)被抽出的現(xiàn)象；對以丙烯酸酯固化膠作為膠黏劑的光纜進(jìn)行張拉時，直至光纜拉斷也未脫離出膠體，滿足監(jiān)測方案需求，丙烯酸酯固化膠可作為光纜優(yōu)選粘接材料。

表3 10種膠黏劑光纜粘接效果對比

4.2 布設(shè)方式

傳感光纜的布設(shè)方式一般有植入式、定點式兩種。植入式是將傳感光纜植入被測對象體內(nèi)或通過膠黏劑在被測物體全覆蓋粘貼，使傳感光纜與被測物體同步變形，達(dá)到變形監(jiān)測的目的。定點式是在被測對象上通過膨脹固定、注膠固定、器件固定等方法，每隔一定距離固定傳感光纜，通過固定點間光纜的應(yīng)變來測量被測對象的變形情況。定點式布設(shè)方法具有施工簡單、維護(hù)方便、測試量程大、變形值方便量化等特點［5］，選用定點式方法布設(shè)光纜。

5 試驗分析

5.1 試驗場地

在工務(wù)工程技術(shù)創(chuàng)新試驗基地內(nèi)進(jìn)行實尺模擬試驗。試驗基地內(nèi)包含CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式、CRTSⅠ型雙塊式等多種無砟軌道結(jié)構(gòu)實尺模型，總長度約200 m。

5.2 試驗工況

在CRTSⅠ型板東側(cè)上表面邊緣安裝弦測裝置，裝置覆蓋5塊軌道板，利用軌道精調(diào)裝置對2#、3#、4#軌道板進(jìn)行橫向推動。設(shè)單塊軌道板南側(cè)為S，北側(cè)為N。在N2、S3、N3、S4位置安裝百分表控制推動位移，在弦測裝置正矢對應(yīng)軌道板位置加裝百分表進(jìn)行輔助測量，其中位置②與N2共用一個百分表，位置④與N3共用一個百分表，如圖9所示。試驗中設(shè)置5種工況，如圖10所示。

圖9 實尺模擬試驗百分表位置

圖10 試驗工況示意

工況1：單板等量平推。模擬3#軌道板橫向移動，S3、N3位置同向等量平推，通過S3、N3位置的百分表控制推板位移。軌道板先向西平推，每次平推位移分別是2、4、6、8、10 mm，重復(fù)3次；然后向東平推，平推量和次數(shù)與向西一致。共推板30次。

工況2：三板等量平推。對2#、3#、4#軌道板進(jìn)行橫推加載，N2、S3、N3、S4位置同向等量平推，保證N2、S3同時推動，N3、S4同時推動，通過N2、S3、N3、S4位置的百分表控制推板位移。軌道板先向西平推，每次平推位移分別是4、6、8、10、12、14、16 mm，重復(fù)3次；然后向東平推，平推量和次數(shù)與向西一致。共推板42次。

工況3：單板不等量平推。模擬3#軌道板橫向移動，S3、N3位置交替增加推板位移，通過S3、N3位置的百分表控制推板位移，先南（S3）后北（N3）和先北（N3）后南（S3），先推動端的位移按2 mm變化量從2 mm增加到10 mm，后推動端的位移也按2 mm變化量從0增加到10 mm，重復(fù)3次。共推板60次。

工況4：雙板平斜推。模擬2#、3#軌道板橫向移動，S3、N2位置交替增加推板位移，通過S3、N2位置的百分表控制推板位移，先南（N2）后北（S3）和先北（S3）后南（N2），推板方法同工況3，共推板60次。

工況5：三板不等量平斜推。對2#、3#、4#軌道板進(jìn)行橫推加載，N2、S3和N3、S4位置交替增加推板位移，保證N2、S3同時推動，N3、S4同時推動，通過N2、S3、N3、S4位置的百分表控制推板位移，先南（N2、S3）后北（N3、S4）和先北（N3、S4）后南（N2、S3）。先推動端的位移按4 mm的變化量從4 mm增加到20 mm，后推動端的位移也按4 mm的變化量從0增加到20 mm，重復(fù)4次，共推板80次。

5.3 數(shù)據(jù)分析

匯總5種工況試驗結(jié)果，計算各種工況下軌道板變形的測量值和真實值的誤差，統(tǒng)計得到誤差的最大值、最小值、均值、均方差以及誤差在-1.5～1.5 mm內(nèi)的占比P，結(jié)果見表4?？芍?種工況的誤差在-1.5～1.5 mm內(nèi)的占比平均為93.57%，說明方法可行。

表4 5種工況誤差分布統(tǒng)計結(jié)果

6 結(jié)論

1）使用頻率數(shù)據(jù)點頻譜數(shù)據(jù)洛倫茲擬合曲線單雙峰判斷的方法，可以快速有效地評估各監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的可信度。

2）空間分辨率越高，脈沖光的信噪比就越低，抗干擾能力相對就越差。

3）使用弦測分布式光纖傳感監(jiān)測方法對軌道板變形進(jìn)行監(jiān)測的誤差在-1.5～1.5 mm內(nèi)的占比平均達(dá)93.57%，說明該方法可行。