光纤光栅技术及组态软件的原理及铁路安全在线监测系统设计

1 光纤光栅技术与组态软件的分析

光纤光栅是利用紫外暴光技术在光纤芯中引起折射的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。反射光的波长对温度、应力和应变敏感，当环境温度、应力或应变发生变化时，光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量就可以实现对温度、应力和应变的感测。

组态软件为“组态式监控软件”。“组态”(Configure)的含义是“配置”、“设定”、“设置”，指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，即所谓的“组态”。“监控”（Supervisory Control）指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。

1.1 理论基础

光纤光栅的周期在几百纳米数量级。当某一宽带光源的光入射到光纤光栅中时，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，反射光的波长（即谐振波长）由Bragg公式确定：

光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。当弹性体受到压力时，光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅的谐振波长漂移，漂移量由式(2)给出：

从式(3)可以看出，如果已知光纤光栅谐振波长的漂移量以及其工作温度的改变量，就可以计算出光纤光栅的应变。

1.2 物理逻辑模型

光纤光栅感应输出的是波长改变量，必须采用专用的波长解调设备进行波长识别，然后送入计算机进行分析处理和报警。

图1给出了光纤光栅应力传感器与波长解调仪组成的应力测量系统。

该应力测量系统主要由宽带光源、光纤光栅应力传感器、基于可调F-P滤波器的波长解调仪和计算机及软件分析处理系统四部分组成。图中给出等间隔分布的多个光纤光栅应力传感器，这些光纤光栅通常要进行串接。由宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3 dB耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3 dB耦合器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感信息。当检测传感器外部应力发生变化时，通过光栅解调器监测出波长的变化即应力变化之后，输入到计算机进行数据分析处理，最后得到传感器受压分布状况，从而判断是否会产生塌方、位移等危险影响，起到报警作用。

波长解调仪由可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、抖动信号发生器、信号混合器和LP低通滤波器五部分组成。波长解调仪的工作原理是：波长编码的压力传感信号输入到可调谐F-P滤波器，当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与光纤光栅反射峰重合时，即可根据此时的F-P滤波器驱动电压与透射波长关系测得光纤光栅反射峰位置。但由于F-P滤波器输出的透射谱是光栅反射谱与F-P滤波器透射谱的卷积，会使带宽增加，分辨率降低。所以，在扫描电压上加一小的抖动电压，其输出经混频和低通滤波器，测量抖动频率，在信号为零时，所测得数据即为光栅的反射峰值波长。

1.3 组态软件

组态软件（Configuration）为模块化任意组合，软件包括系统组态软件平台和应用软件平台两部分。操作系统可任意选用Window NT、Linux、Unix等。网络传输统一采用TCP/IP协议。在系统软件的基础上建立应用软件的支撑平台，即分布式实时运行环境。包括分布式系统管理与监视、基于内存的实时数据库、实时数据库组态工具、基于OPENGL的三维图形组态工具、多层次多协议网络通信结构等。在组态平台之上二次开发应用软件平台全面建立在开放的国际工业标准基础上，需要具有良好的开放性。考虑系统的开发性，采用商业数据库，并且应用系统的开放性设计需具备多层次特征，为多方位、多层次持续拓展系统功能提供坚实的基础。

组态软件平台的层次结构分为操作系统(可选Windows、Linux、Unix等)、实时运行环境（包含实时数据库、实时数据库组态工具、关系数据库、多层次/多协议网络接口三部分）、图形组态以及数据库维护和SCADA应用功能四部分。

2 系统方案

2.1 系统逻辑功能

铁路在线监测系统包括数据测量系统和数据管理与分析两大子系统。其中，数据测量系统由传感器子系统和数据采集与传输子系统有机地组成；数据管理与分析系统包括监测数据管理子系统和数据分析处理子系统。系统逻辑功能如图2所示。

传感器子系统由分布在现场的传感器组成，主要包括光纤温度、应变、压力、位移、振动传感器，光纤传感分析仪根据现场监测点的多少可以配置不同通道的仪器。传感器主要分布在牵引变电站的电力开关柜、电缆接头、变压器、互感器等输变电设备上，用来在线测温及自动报警，还有分布在桥梁、铁路轨道、铁路隧道等土木工程结构里，用来应力变形结构的安全监测。

数据采集子系统由光纤光栅分析仪完成，将光纤光栅分析仪接入现场的传感器，仪器分析光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。反射光的波长对温度、应力和应变敏感，当环境温度、应力或应变发生变化时，光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量就可以实现对温度、应力和应变的感测。感测的数据通过数据传输系统传输给数据处理和控制系统。

数据传输系统是光纤光栅分析仪与监控系统的通信通道，在具备有线传输的场所可以考虑光纤(例如在牵引变或分区所)，通道稳定可靠；在不具备条件的场所(例如隧道、桥梁等)，可以采用无线方式，虽然通道的质量会差一些，但对在线监测系统还是可以满足需求。

数据处理与控制系统，为了保证系统的实时性、稳定性采用组态软件，系统具备实时数据采集、数据越限处理、历史数据采用、事故采样、事故追忆等功能，在实时系统之上配有决策支持系统，帮助调度人员对现场情况迅速、准确地做出判断。

2.2 系统结构

整体系统结构如图3所示。

(1)在每个被检测设备的内部安装若干个光纤光栅传感器，采集现场信息；

(2)在相对集中的监测现场设置主控室或主控箱体，用来安放光纤光栅分析仪和通信设备，对温度、应力和应变的感测信息数据进行分析、预警报告及数据传输；

(3)主站调度系统通过不同的传输通道（光纤、微波、载波、GPRS等）按照一定的传输协议采集分布在各个现场（铁轨、铁路桥梁、铁路隧道、铁路牵引变电站等）的光纤光栅分析仪的数据，由调度系统对实时现场数据进行告警、采样等处理，由决策支持系统协助调度人员提出预知方案。

2.3 牵引变测温系统

以牵引变测温系统为例对系统物理结构及现场安装情况进行详细描述，如图4所示。

系统各部分的功能描述：

(1)光纤光栅温度传感器：布置在高压开关柜内，采集温度信号；

(2)传输系统：将温度传感器信号传到控制室内的光纤光栅解调仪；

(3)光纤光栅信号解调系统：对温度信号进行解调，提供现场温度的实时信息；

(4)系统软件：给整个系统的运行提供软件支持。

综上所述，光纤光栅传感技术在铁路安全防护上具有很高的应用价值，实践证明在线监测系统比以往传统的铁路安全巡检更安全、快捷，会带来更大的经济效益和更好的社会效应。尤其采用了多种通信技术以及运用了组态软件与决策支持系统，为调度员的决策提供了安全保障。