Forskare har utvecklat nya sensorer för att mäta acceleration och vibrationer på tåg. Tekniken skulle kunna integreras med artificiell intelligens för att förhindra järnvägsolyckor och katastrofala tågavspårningar.

"Varje år, tågolyckor leder till svåra skador och till och med dödsfall, " sa forskargruppsledaren Hwa-yaw Tam, från Hong Kong Polytechnic University. "Våra fiberaccelerometrar skulle kunna användas för realtidsövervakning av defekter i järnvägsspåret eller tåget för att lokalisera problem innan en olycka inträffar."

Forskarna beskriver sina nya accelerometrar i tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express . Enheterna kan detektera frekvenser som är mer än dubbelt så höga som traditionella fiberoptiska accelerometrar, vilket gör dem lämpliga för att övervaka interaktioner mellan hjul och skenor. De hållbara sensorerna innehåller inga rörliga delar och fungerar bra i de bullriga och högspänningsmiljöer som finns i järnvägsapplikationer.

"Förutom järnvägsövervakning, dessa nya accelerometrar kan användas i andra vibrationsövervakningsapplikationer, till exempel, strukturell hälsoövervakning för byggnader och broar och vibrationsmätningar av flygplansvingar, " sa Zhengyong Liu.

Helt optisk järnvägsavkänning

I mer än 15 år, forskarna har arbetat med tillståndsövervakningssystem som använder ett helt optiskt avkänningsnätverk för att kontinuerligt övervaka kritiska järnvägskomponenter. Dessa system kan hjälpa till att ersätta ineffektiva och kostsamma rutiner för schemalagd järnvägsunderhåll med prediktivt underhåll baserat på faktiska förhållanden. System som utvecklats av forskarna har installerats i Hong Kong och Singapore.

"Ett helt optiskt avkänningsnätverk har många fördelar eftersom det är immunt mot elektromagnetiska störningar, har långt överföringsavstånd och sensorerna kräver ingen elektricitet, " sa Liu. "Men, det finns ett behov av fiberoptiska sensorer som är optimerade för att mäta olika parametrar i järnvägssystem."

De fiberoptiska accelerometrarna som vanligtvis används i tillståndsövervakningssystem är baserade på fiber Bragg-gitter (FBG) och kan inte användas för att detektera vibrationer högre än 500 Hz. Även om detta är tillräckligt för de flesta järnvägsapplikationer kan det inte användas för att mäta interaktioner mellan hjul och räl som är en viktig källa till spårslitage.

För att övervinna detta problem, forskarna designade en ny fiberoptisk accelerometer som använder en speciell optisk fiber känd som en polarisationsupprätthållande fotonisk kristallfiber som är lindad till formen av en skiva med endast 15 millimeter i diameter. Den lindade fibern limmas mellan ett substrat av rostfritt stål och ett cylindriskt massblock. När en vibration uppstår, massblocket kommer att trycka på den lindade fibern med en frekvens som matchar vibrationens. Denna yttre kraft gör att ljusets våglängd i fibern förskjuts på ett mätbart sätt.

"Denna interferometriska konfigurationen använder förändringar i ljuset inuti fibern för att få exakt information om vibrationerna, ", sa Liu. "Att installera dessa accelerometrar på underredet av ett i drift tåg gör det möjligt för dem att övervaka vibrationer som skulle indikera defekter i spåret. De kan också användas för att upptäcka problem i luftledningar som används för att driva tåg."

Jämförelse fälttester

Efter att ha noggrant testat prototyper av den nya accelerometern i laboratoriet, forskarna genomförde ett fälttest genom att installera enheten på ett i drift tåg. De installerade också en FBG-baserad accelerometer och en piezoelektrisk accelerometer för jämförelse.

De fann att den nya fiberaccelerometern upptäckte acceleration på ett sätt som liknar den piezoelektriska accelerometern. Dock, piezoelektriska sensorer kräver dyra skärmade kablar för att minska effekterna av elektromagnetiskt störningsbrus. Eftersom den FBG-baserade accelerometern inte kan fungera bra vid höga frekvenser, buller dolde en del av den användbara vibrationsinformationen.

"Våra resultat visade att våra nya accelerometrar presterar betydligt bättre än befintliga accelerometrar som används för att övervaka acceleration i tåg, " sa Liu.

I det här arbetet, forskarna använde en kommersiell polarisationsupprätthållande fotonisk kristallfiber. De har sedan dess designat och tillverkat en ny typ av fiber med mindre ytterdiametrar, lägre böjförluster och högre dubbelbrytning, allt detta skulle göra det möjligt för dem att bygga en mindre accelerometer med ännu högre känslighet.

"Dessa nya accelerometrar kan öppna nya avkännings- och övervakningsmöjligheter genom att tillhandahålla data som stöder implementering av artificiell intelligens i järnvägsindustrin, ", sa Tam. "Även om järnvägsövervakning är ett bra exempel på hur fiberoptisk avkänning kan kombineras med artificiell intelligens, vi tror att denna kombination också är lovande för ett antal andra industrier och applikationer."