Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

Обухов Д.А. 1 Почашев И.С. 1
1 Красноярский институт железнодорожного транспорта
В данной статье рассматривается принцип действия и классификация волоконно-оптических датчиков с перспективой применения их в системе ОАО “РЖД”. 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.
оптический датчик
источник
излучатель
приёмник
светодиод
индикатор
рефлектор
1 Шерстобитова А.С. Датчики физических величин. 2017. – 57 с.
2 Ефименко Ю. И. Железные дороги. Общий курс. 2013. – 501 с.
3 Буймистрюк Григорий Яковлевич Информационно-измерительная техника и технология на основе волоконно-оптических датчиков и систем : монография - СПб : ИВА, ГРОЦ Минатома, 2005. - 191 с.
4 Пнев, А. Б. распределѐнные волоконно-оптические датчики регистрации вибрационных воздействий на основе слабоотражающих брэгговских решѐток для мониторинга железнодорожного транспорта. / А. Б. Пнев, К.В. Степанов, А.А. Жирнов, А.О. Чернуцкий, Е.Т. Нестеров, В.Е. Карасик // Фотонэкспресс. – 2019. – № 6 (158). – C. 28-29.

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.


Библиографическая ссылка

Обухов Д.А., Почашев И.С. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ // Международный студенческий научный вестник. – 2022. – № 6. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=21099 (дата обращения: 24.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674