Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

FIBER OPTIC SENSORS IN RAILWAY TRANSPORT

Obukhov D.A. 1 Pochashev I.S. 1
1 Krasnoyarsk Institute of Railway Transport
This article discusses the principle of operation and classification of fiber-optic sensors with the prospect of their use in the Russian Railways system. The railroad system includes countless controlled facilities, that require constant monitoring. Analysis, information and execution the tasks of obtaining such information are functions performed by devices which monitor the progress of certain processes. These devices are sensors. From year to year, the scope of data application and the type of data obtained are expanding. information. Optical sensors are no exception.
optical sensor
source
emitter
receiver
light-emitting diode
indicator
reflector

1. Введение

Система железной дороги включает в себя бесчисленные подконтрольные объекты, которые требуют постоянного контроля. Анализ, получение информации и выполнение задачи получения такой информации являются функциями, выполняемыми устройствами, которые следят за протеканием определенных процессах. Эти приборы являются датчиками. Из года в год расширяется область применения данных и вид полученной информации. Оптические датчики - не исключение.

2. Принцип действия оптического датчика

Эти устройства являются электронными схемами, реагирующими на изменение потока света, которые падают на приемник, благодаря чему фиксируется присутствие или не присутствие объекта в какой-либо области пространстве. Повышение эффективности кодирования источника света повышает его эффективность и уменьшает влияние колебаний. Конструктивно в систему датчика входят два основных функциональных блока: источник и приемник излучения.

Излучатель состоит из следующих элементов: генератора, излучателя, индикатора, оптической системы и корпуса, в котором расположена защитная компаундная система, а внутри - все, что необходимо для крепления. Основная задача генератора заключается в выработке последовательности сигналов для излучения. Непосредственно излучение - это световой диод. Диаграмма направления светодиодного излучения формируется системой оптического излучения. Индикатор означает, что датчик имеет или нет питания.

Непосредственно излучатель — это светодиод. Диаграмма направленности излучения светодиода формируется оптической системой. Индикатор свидетельствует о наличии либо отсутствии питания датчика. Корпус защищает от внешних механических воздействий, и служит для удобного монтажа на место применения датчика.

Приемник, в свою очередь, также имеет оптическую систему, формирующую диаграмму направленности приемника, и обеспечивающую селекцию. Фотоприемник, которым служит фототранзистор, воспринимающий излучение, и преобразующий его в электрический сигнал; схему усилителя с пороговым элементом для обеспечения надежной крутизны фронта с гистерезисом; электронный ключ для коммутации нагрузки, и регулятор для настройки чувствительности приемника, чтобы объекты четко фиксировались на окружающем фоне.

Индикаторов два: первый показывает состояние выхода, второй — указывает о качестве принимаемого сигнала и позволяет определить функциональный резерв по отслеживаемому объекту.

В данном случае, функциональный резерв определяет характер получаемого приемником светового потока от излучателя к минимальному его значению, уже вызывающему срабатывание.

3. Классификация оптических датчиков

Существуют более подробные классификации волоконно-оптических датчиков – по типу применяемых оптических волокон – одномодовые и многомодовые, а по типу взаимодействия с измеряемой средой волоконно-оптические датчики обычно подразделяют на проходящие, отражательные и антенные.

По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.

Рисунок 1 – Виды волоконно-оптических датчиков

Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.

4. Основные преимущества волоконно-оптических датчиков и систем

Развитие технологии предусматривает создание автоматизированных систем контроля и управления, а также внедрение сенсоров, которые позволяют с высокой точностью определять изменения физической величины контактно-бесконтактно. Среди остальных требований, касающихся перспективных конструкций современного метрологического устройства, специалисты назвали:

  • долговечность;
  • небольшие затраты энергии на работу;
  • возможность применения совместно с микроэлектронными устройствами для обработки данных;
  • стабильность;
  • небольшие габариты;
  • малый вес;
  • высокая достоверность получаемой информации;
  • малая трудоемкость изготовления;
  • небольшая стоимость.

5. Применение волоконно-оптических датчиков на железной дороге

К традиционным средствам контроля свободности состояния железнодорожного участка как на дорогах общего пользования, так и на железнодорожных объектах промышленного назначения относятся технические решения, основанные на использовании электрических рельсовых цепей и индуктивных датчиков колеса.

Рисунок 2 – Волоконно-оптический датчик на решетке Брэгга

Модуляции длины волны оптического излучения наблюдается в датчиках, построенных на основе технологии волоконных решеток Брэгга (ВБР). Датчики ВБР монтируются на подошве рельса (рис. 2) и, таким образом, позволяют определить скорость, ускорение, выполнить счет осей и взвешивание подвижного состава в движении.

Недостатком волоконно-оптического датчика давления, как и вышеуказанного датчика для мониторинга железнодорожного пути, является невысокая надежность работы, обусловленная влиянием на датчик ненормированной силой в процессе его работы, которая может привести либо к ошибке при идентификации выходного сигнала, либо к выходу его из строя.

Инженерно-технический результат изобретения состоит в увеличении долговечности работы волоконно-оптического датчика за счет обеспечения нормированной силы влияния на него в процессе его работы.

6. Заключение

В данной статье были показаны возможности применения оптических сенсоров в составе систем управления движением на железнодорожном транспорте. Рассмотрены понятия волоконно-оптических датчиков, их особенности и достоинства, а также наглядное применение их на железной дороге. Существенным недостатком применения оптических технологий является отсутствие возможности контроля целостности рельсовой нити, однако при совершенствовании подхода и прокладке оптоволокна возможно выполнять непрерывный мониторинг геометрических параметров железнодорожного пути, что крайне необходимо.