Los investigadores han desarrollado nuevos sensores para medir la aceleración y la vibración en los trenes. La tecnología podría integrarse con inteligencia artificial para prevenir accidentes ferroviarios y descarrilamientos catastróficos de trenes.

"Cada año, Los accidentes de tren provocan lesiones graves e incluso la muerte. "dijo el líder del equipo de investigación Hwa-yaw Tam, de la Universidad Politécnica de Hong Kong. "Nuestros acelerómetros de fibra podrían usarse para el monitoreo en tiempo real de defectos en la vía del tren o en el tren para identificar problemas antes de que ocurra un accidente".

Los investigadores describen sus nuevos acelerómetros en la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express . Los dispositivos pueden detectar frecuencias más del doble que las de los acelerómetros de fibra óptica tradicionales, haciéndolos adecuados para monitorear las interacciones rueda-carril. Los sensores duraderos no incluyen partes móviles y funcionan bien en los entornos ruidosos y de alto voltaje que se encuentran en las aplicaciones ferroviarias.

"Además de la vigilancia ferroviaria, Estos nuevos acelerómetros se pueden utilizar en otras aplicaciones de monitoreo de vibraciones, por ejemplo, monitoreo de la salud estructural de edificios y puentes y mediciones de vibraciones de alas de aviones, "dijo Zhengyong Liu.

Detección ferroviaria totalmente óptica

Durante más de 15 años, Los investigadores han estado trabajando en sistemas de monitoreo de condición que utilizan una red de detección totalmente óptica para monitorear continuamente componentes ferroviarios críticos. Estos sistemas pueden ayudar a reemplazar rutinas de mantenimiento ferroviario programadas ineficientes y costosas con mantenimiento predictivo basado en condiciones reales. Los sistemas desarrollados por los investigadores se han instalado en Hong Kong y Singapur.

"Una red de detección totalmente óptica tiene muchas ventajas, ya que es inmune a las interferencias electromagnéticas, tiene una larga distancia de transmisión y los sensores no requieren electricidad, "dijo Liu." Sin embargo, existe la necesidad de sensores de fibra óptica que estén optimizados para medir diferentes parámetros en los sistemas ferroviarios ".

Los acelerómetros de fibra óptica que se usan típicamente en los sistemas de monitoreo de condición se basan en rejillas de Bragg de fibra (FBG) y no se pueden usar para detectar vibraciones superiores a 500 Hz. Aunque esto es adecuado para la mayoría de las aplicaciones ferroviarias, no se puede utilizar para medir las interacciones rueda-carril que son una fuente importante de desgaste de la vía.

Para superar este problema, Los investigadores diseñaron un nuevo acelerómetro de fibra óptica que utiliza una fibra óptica especial conocida como fibra de cristal fotónico que mantiene la polarización y que está enrollada en forma de disco de sólo 15 milímetros de diámetro. La fibra enrollada se pega entre un sustrato de acero inoxidable y un bloque de masa cilíndrico. Cuando ocurre una vibración, el bloque de masa presionará la fibra enrollada a una frecuencia que coincida con la de la vibración. Esta fuerza externa hace que la longitud de onda de la luz en la fibra cambie de manera mensurable.

"Esta configuración interferométrica utiliza cambios en la luz dentro de la fibra para adquirir información precisa sobre las vibraciones, ", dijo Liu." La instalación de estos acelerómetros en el tren de aterrizaje de un tren en servicio les permite monitorear las vibraciones que indicarían defectos en la vía. También se pueden utilizar para detectar problemas en las líneas aéreas utilizadas para impulsar los trenes ".

Pruebas de campo de comparación

Después de probar a fondo los prototipos del nuevo acelerómetro en el laboratorio, los investigadores llevaron a cabo una prueba de campo instalando el dispositivo en un tren en servicio. También instalaron un acelerómetro basado en FBG y un acelerómetro piezoeléctrico para comparar.

Descubrieron que el nuevo acelerómetro de fibra detectaba la aceleración de una manera similar al acelerómetro piezoeléctrico. Sin embargo, Los sensores piezoeléctricos requieren costosos cables blindados para reducir los efectos del ruido de interferencia electromagnética. Debido a que el acelerómetro basado en FBG no puede funcionar bien a altas frecuencias, el ruido ocultaba parte de la información útil sobre vibraciones.

"Nuestros resultados mostraron que nuestros nuevos acelerómetros funcionan considerablemente mejor que los acelerómetros existentes que se utilizan para monitorear la aceleración en los trenes, "Dijo Liu.

En este trabajo, los investigadores utilizaron una fibra de cristal fotónico comercial que mantiene la polarización. Desde entonces, han diseñado y fabricado un nuevo tipo de fibra con diámetros exteriores más pequeños, menores pérdidas por flexión y mayor birrefringencia, todo lo cual les permitiría construir un acelerómetro más pequeño con una sensibilidad aún mayor.

"Estos nuevos acelerómetros podrían abrir nuevas posibilidades de detección y monitoreo al proporcionar datos que respalden la implementación de la inteligencia artificial en la industria ferroviaria, ", dijo Tam." Aunque la monitorización ferroviaria es un buen ejemplo de cómo la detección de fibra óptica se puede combinar con la inteligencia artificial, creemos que esta combinación también es prometedora para otras industrias y aplicaciones ".