Onderzoekers hebben nieuwe sensoren ontwikkeld voor het meten van versnelling en trillingen in treinen. De technologie kan worden geïntegreerd met kunstmatige intelligentie om spoorwegongevallen en catastrofale treinontsporingen te voorkomen.

"Elk jaar, treinongevallen leiden tot ernstige verwondingen en zelfs doden, " zei onderzoeksteamleider Hwa-yaw Tam, van de Hong Kong Polytechnic University. "Onze glasvezelversnellingsmeters kunnen worden gebruikt voor realtime monitoring van defecten in het spoor of de trein om problemen op te sporen voordat er een ongeval plaatsvindt."

De onderzoekers beschrijven hun nieuwe versnellingsmeters in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express . De apparaten kunnen frequenties detecteren die meer dan het dubbele zijn van die van traditionele glasvezelversnellingsmeters, waardoor ze geschikt zijn voor het bewaken van wiel-rail interacties. De duurzame sensoren bevatten geen bewegende delen en werken goed in de lawaaierige en hoogspanningsomgevingen in spoorwegtoepassingen.

"Naast het spoortoezicht, deze nieuwe versnellingsmeters kunnen worden gebruikt in andere toepassingen voor trillingsbewaking, bijvoorbeeld, structurele gezondheidsmonitoring voor gebouwen en bruggen en trillingsmetingen van vliegtuigvleugels, ' zei Zhengyong Liu.

Volledig optische spoordetectie

Al meer dan 15 jaar, de onderzoekers hebben gewerkt aan conditiebewakingssystemen die een volledig optisch detectienetwerk gebruiken om continu kritieke spoorcomponenten te bewaken. Deze systemen kunnen helpen om inefficiënte en dure geplande onderhoudsroutines voor de spoorwegen te vervangen door voorspellend onderhoud op basis van werkelijke omstandigheden. In Hong Kong en Singapore zijn door de onderzoekers ontwikkelde systemen geïnstalleerd.

"Een volledig optisch detectienetwerk heeft veel voordelen omdat het immuun is voor elektromagnetische interferentie, heeft een lange transmissieafstand en de sensoren hebben geen elektriciteit nodig, "zei Liu. "Echter, er is behoefte aan glasvezelsensoren die geoptimaliseerd zijn om verschillende parameters in spoorwegsystemen te meten."

De glasvezelversnellingsmeters die doorgaans worden gebruikt in conditiebewakingssystemen zijn gebaseerd op Bragg-vezelroosters (FBG's) en kunnen niet worden gebruikt om trillingen hoger dan 500 Hz te detecteren. Hoewel dit voldoende is voor de meeste spoorwegtoepassingen, kan het niet worden gebruikt om de wiel-railinteracties te meten die een belangrijke bron van spoorslijtage zijn.

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers ontwierpen een nieuwe glasvezelversnellingsmeter die een speciale optische vezel gebruikt die bekend staat als een polarisatiebehoudende fotonische kristalvezel die is opgerold in de vorm van een schijf met een diameter van slechts 15 millimeter. De opgerolde vezel wordt verlijmd tussen een roestvrijstalen ondergrond en een cilindrisch massablok. Wanneer er een trilling optreedt, het massablok zal op de opgerolde vezel drukken met een frequentie die overeenkomt met die van de trilling. Deze externe kracht zorgt ervoor dat de golflengte van het licht in de vezel meetbaar verschuift.

"Deze interferometrische configuratie gebruikt veranderingen in het licht in de vezel om nauwkeurige informatie over de trillingen te verkrijgen, "Zei Liu. "Door deze versnellingsmeters op het onderstel van een in dienst zijnde trein te installeren, kunnen ze trillingen volgen die zouden wijzen op defecten in het spoor. Ze kunnen ook worden gebruikt om problemen op te sporen in bovenleidingen die worden gebruikt om treinen aan te drijven."

Vergelijking veldtesten

Na het grondig testen van prototypes van de nieuwe versnellingsmeter in het laboratorium, de onderzoekers voerden een veldtest uit door het apparaat op een rijdende trein te installeren. Ze installeerden ook een op FBG gebaseerde versnellingsmeter en een piëzo-elektrische versnellingsmeter ter vergelijking.

Ze ontdekten dat de nieuwe vezelversnellingsmeter versnelling detecteerde op een manier die vergelijkbaar is met de piëzo-elektrische versnellingsmeter. Echter, piëzo-elektrische sensoren vereisen dure afgeschermde kabels om de effecten van elektromagnetische interferentieruis te verminderen. Omdat de op FBG gebaseerde versnellingsmeter niet goed kan werken bij hoge frequenties, lawaai verborg een deel van de nuttige trillingsinformatie.

"Onze resultaten toonden aan dat onze nieuwe versnellingsmeters aanzienlijk beter presteren dan bestaande versnellingsmeters die worden gebruikt voor het bewaken van versnelling in treinen, ' zei Liu.

In dit werk, de onderzoekers gebruikten een commerciële polarisatiebehoudende fotonische kristalvezel. Sindsdien hebben ze een nieuw type vezel ontworpen en gefabriceerd met kleinere buitendiameters, lagere buigverliezen en hogere dubbele breking, dit alles zou hen in staat stellen een kleinere versnellingsmeter te bouwen met een nog hogere gevoeligheid.

"Deze nieuwe versnellingsmeters kunnen nieuwe detectie- en monitoringmogelijkheden openen door gegevens te leveren die de implementatie van kunstmatige intelligentie in de spoorwegindustrie ondersteunen, ", aldus Tam. "Hoewel spoorwegmonitoring een goed voorbeeld is van hoe glasvezeldetectie kan worden gecombineerd met kunstmatige intelligentie, we denken dat deze combinatie ook veelbelovend is voor een aantal andere industrieën en toepassingen."