我国传感器行业在轨道交通行业领域的应用分析

　　根据中国城市轨道交通协会发布的最新统计数据：截止2015年末，我国累计有26个城市建成城轨线路116条，线路长度3612公里。2015年新增青岛、南昌、淮安和兰州4个城市；全国新增15条运营线路，438公里运营线路长度。

2011-2015年我国城市轨道交通线路建设概况

资料来源：中经先略数据中心整理

　　在3612公里线路长度中，地铁2658公里，占线路总长的73.6%；轻轨239公里，占线路总长的6.6%；单轨89公里，占线路总长的2.5%；现代有轨电车161公里，占线路总长的4.5%；磁浮交通49公里，占线路总长的1.4%；市域快轨412公里，占线路总长的11.4%；APM线4公里，占线路总长的0.1%。

　　轨道交通领域应用主要为光纤传感器。光纤自上世纪６０年代问世以来，就被应用于传感领域。最初的光纤传感器仍是基于传统的测量原理，光纤只是用来传输远距离和难以接收到的信号。近年来，随着光通信技术的发展，许多影响光通信质量的因素得到研究，大量新的光纤测量手段也不断涌现。目前，光纤传感器正朝着微型化、数字化、智能化、网络化的方向发展。光纤传感器具有许多优异的性能：光纤中传输的是光信号，完全不受电磁干扰的影响，信号可以以较小的损耗传输很远的距离；光纤的材料石英玻璃是很好的绝缘体，光纤传感器的耐压等级很高；光纤传感器在测量现场不带电信号，没有产生电火花，起火爆炸的危险。光纤传感器还具有体积小、质量轻、灵敏度高、响应速度快等特点，非常适合在各种恶劣环境下实现高性能的参数测量。

　　随着机车向重载化、高速化的方向发展，其所处的电磁环境日益复杂。目前在轨道领域大量使用的传统型电类传感器，其在抗电磁干扰能力、绝缘耐压性能等方面越来越难满足需求，而这正是光纤传感器的优势所在。同时，随着我国铁路事业的发展，铁路灾害防治的问题也愈加突出；光纤传感器已经成功应用于桥梁、建筑的健康监测，其相关技术可以引入铁路灾害防治领域。目前光纤传感器作为一门新兴的技术，在轨道交通领域的应用还较为少见。

　　1、光纤传感器在列车温度和速度测量方面的应用

　　（1）高电压环境下电机温度的测量

　　列车在运行过程中需要监测转向架上的电机温度，现在列车上大量使用的是铂电阻式温度传感器，这种传感器在电机温度的测量中可能出现因耐压绝缘不够而导致线路烧毁的问题；同时由于铂电阻体积很小，容易发生引线断裂、短路的故障。使用荧光光纤温度传感器可以很好地解决以上问题。一方面光纤传感器没有金属元件，绝缘性能良好；另一方面它只需要一根光纤就能进行测量，结构上更为牢固可靠。同时，荧光光纤传感器成本较低，测量电路结构较为简单，十分适合于电机的温度测量。

　　（２）列车车厢防火监控

　　列车需要对车厢中的温度进行测量，以达到防火监控的目的。目前列车上主要使用烟雾报警器和红外报警器来进行防火监控，但这类系统存在两个方面的问题：一是它们只能在火灾发展到明火阶段后才能发现，无法将火灾消灭在隐患阶段；二是它们的可靠性较差，常发生误报，例如乘客在车上吸烟时就会触发烟雾报警器。

　　（３）高电压环境下轮轴转速的测量

　　现在列车上测量车轮速度的传感器主要有三种：光电式、霍尔式和磁电式，其中光电式传感器是通过光电码盘来测量转速。这种传感器有绝缘耐压和电磁干扰两个方面的问题：首先当车轮与轨道之间导电不良时，光电码盘上会存在高电压，从而导致光电传感器发生击穿、烧毁的现象；其次光电速度传感器的信号受到电磁干扰时会产生波动，在停车或启动期间会发生速度跳变问题。光纤传感器抗电磁干扰能力强，耐压等级高，耐温等级也要高于普通电子元器件，十分适合于机车轮轴转速的测量。可考虑采用基于光纤码盘的光纤传感器，将光电码盘替换为光纤码盘，使测量电路远离测量现场，可以极大地提高光电速度传感器的耐压等级和抗电磁干扰能力。

　　2、光纤光栅传感器在列车健康监测中的应用

　　轨道装备的智能诊断与维护检修是轨道交通装备智能化的重要方向。在轨道装备的智能诊断中，需要由各类高精度的传感器来获取铁路运行的大量实时信息，这些信息汇总到铁路指挥调度中心的专家系统里面，进行故障预警和故障诊断，通过智能网络支持列车的维护检修。光纤光栅传感器在列车健康状况参数的实时监测中具有很大优势，因为它可以测量许多参数，同时也可以很方便地分布成网，对大量信息进行实时监测。

　　3、光纤传感器在铁道灾害防治中的应用

　　我国是一个自然灾害多发的国家，每年发生的地震、洪水、风暴、滑坡、泥石流、冰雪等自然灾害给铁路运输带来了严重的损失。通过铁路防灾监控系统，可以提前对铁路沿线灾害的发生进行预测，并对灾害发生后帮助指挥人员及时进行响应，将灾害的损失降到最低。光纤传感器由于其优异的测量性能，在铁路的自然灾害监测中有着良好的应用前景。

　　资料显示，光纤传感器在轨道领域有很好的应用前景，例如，由于光纤传感器具有良好的抗电磁干扰性能和绝缘性能，十分适合于列车温度、速度的测量；由于光纤光栅传感器具有灵敏度高、体积小、能够串联组网的优点，可以用于列车健康监测和桥梁、隧道的健康监测；由于分布式光纤传感器成本较低、可长距离连续测量，可解决铁路沿线的泥石流监测和铁路电力传输网的结冰监测问题。

　　目前我国的轨道交通正向着智能化、网络化的方向发展。轨道系统智能控制与智能决策的前提就是信息量的及时、准确获取。加大光纤传感器在轨道交通领域的应用，不仅能够提高信息获取的可靠性与准确性，还能够对传统的测量领域进行补充和延伸，对于提升我国轨道交通装备智能化以及交通系统智能化有着积极意义。