研究人员在美国光学学会（OSA）期刊《光学快报》上描述了他们的新型加速度计。该设备能够检测的频率是传统光纤加速度计的两倍以上，非常适合监测轮轨相互作用。这些耐用的传感器不含任何活动部件，在铁路应用中常见的嘈杂高压环境中也能正常工作。

刘正永说：“除了铁路监测之外，这些新型加速度计还可用于其他振动监测应用，例如建筑物和桥梁的结构健康监测以及飞机机翼的振动测量。”

全光铁路传感

15年来，研究人员一直致力于状态监测系统的研究，该系统利用全光传感网络持续监测铁路关键部件。这些系统可以帮助用基于实际情况的预测性维护取代低效且昂贵的定期铁路维护。研究人员开发的系统已在香港和新加坡安装。

刘教授表示：“全光传感网络具有诸多优势，例如抗电磁干扰、传输距离远、传感器无需电力。然而，我们需要针对铁路系统不同参数进行优化的光纤传感器。”

状态监测系统中常用的光纤加速度计基于光纤布拉格光栅 (FBG)，无法用于检测高于 500 Hz 的振动。虽然这足以满足大多数铁路应用的需求，但它无法用于测量轮轨相互作用，而轮轨相互作用是轨道磨损的重要原因。

为了克服这个问题，研究人员设计了一种新型光纤加速度计，它使用一种被称为保偏光子晶体光纤的特殊光纤，这种光纤被卷成直径仅为15毫米的圆盘状。卷绕的光纤被粘合在不锈钢基板和圆柱形质量块之间。当发生振动时，质量块会以与振动频率匹配的频率压在卷绕的光纤上。这种外力会导致光纤中光的波长发生可测量的偏移。

“这种干涉测量装置利用光纤内部光线的变化来获取有关振动的精确信息，”刘教授说道。“将这些加速度计安装在运行列车的底盘上，可以监测可能指示轨道缺陷的振动。它们还可以用来检测列车动力架空线路的问题。”

对比现场测试

在实验室对新型加速度计的原型进行了全面测试后，研究人员将其安装在一辆正在运行的列车上进行了现场测试。他们还安装了基于光纤布拉格光栅的加速度计和压电加速度计进行比较。

他们发现，新型光纤加速度计检测加速度的方式与压电加速度计类似。然而，压电传感器需要昂贵的屏蔽电缆来降低电磁干扰噪声的影响。由于基于光纤光栅的加速度计在高频下运行不佳，噪声掩盖了一些有用的振动信息。

刘说：“我们的结果表明，我们的新加速度计的性能比用于监测火车加速度的现有加速度计要好得多。”

在这项研究中，研究人员使用了商用保偏光子晶体光纤。之后，他们设计并制造了一种新型光纤，其外径更小、弯曲损耗更低、双折射性更高，这些特性使得他们能够构建更小、灵敏度更高的加速度计。

“这些新型加速度计能够提供数据，支持铁路行业人工智能的实施，从而开辟新的传感和监测可能性，”谭博士说道。“虽然铁路监测是光纤传感与人工智能结合的一个很好的例子，但我们相信，这种结合在其他许多行业和应用领域也同样前景光明。”