Os pesquisadores desenvolveram novos sensores para medir aceleração e vibração em trens. A tecnologia poderia ser integrada à inteligência artificial para prevenir acidentes ferroviários e descarrilamentos catastróficos de trens.

"Cada ano, acidentes de trem causam ferimentos graves e até mortes, "disse o líder da equipe de pesquisa Hwa-yaw Tam, da Universidade Politécnica de Hong Kong. "Nossos acelerômetros de fibra podem ser usados ​​para monitoramento em tempo real de defeitos na ferrovia ou no trem para localizar problemas antes que ocorra um acidente."

Os pesquisadores descrevem seus novos acelerômetros na revista The Optical Society (OSA) Optics Express . Os dispositivos podem detectar frequências mais do que o dobro dos acelerômetros de fibra óptica tradicionais, tornando-os adequados para monitorar as interações roda-trilho. Os sensores duráveis ​​não incluem peças móveis e funcionam bem em ambientes ruidosos e de alta tensão encontrados em aplicações ferroviárias.

“Além do monitoramento ferroviário, esses novos acelerômetros podem ser utilizados em outras aplicações de monitoramento de vibração, por exemplo, monitoramento de integridade estrutural para edifícios e pontes e medições de vibração de asas de aeronaves, "disse Zhengyong Liu.

Sensoriamento ferroviário totalmente óptico

Por mais de 15 anos, os pesquisadores têm trabalhado em sistemas de monitoramento de condições que usam uma rede de detecção totalmente óptica para monitorar continuamente componentes ferroviários críticos. Esses sistemas podem ajudar a substituir rotinas de manutenção programada de ferrovias ineficientes e dispendiosas por manutenção preditiva com base nas condições reais. Os sistemas desenvolvidos pelos pesquisadores foram instalados em Hong Kong e Cingapura.

"Uma rede de detecção totalmente óptica tem muitas vantagens, pois é imune à interferência eletromagnética, tem longa distância de transmissão e os sensores não requerem eletricidade, "disse Liu." No entanto, há uma necessidade de sensores de fibra ótica que sejam otimizados para medir diferentes parâmetros em sistemas ferroviários. "

Os acelerômetros de fibra óptica normalmente usados ​​em sistemas de monitoramento de condição são baseados em grades de Bragg (FBGs) e não podem ser usados ​​para detectar vibrações superiores a 500 Hz. Embora seja adequado para a maioria das aplicações ferroviárias, não pode ser usado para medir as interações roda-trilho que são uma fonte importante de desgaste dos trilhos.

Para superar esse problema, os pesquisadores projetaram um novo acelerômetro de fibra ótica que usa uma fibra ótica especial conhecida como fibra de cristal fotônico de manutenção da polarização que é enrolada na forma de um disco com apenas 15 milímetros de diâmetro. A fibra enrolada é colada entre um substrato de aço inoxidável e um bloco de massa cilíndrica. Quando ocorre uma vibração, o bloco de massa pressionará a fibra enrolada em uma frequência compatível com a da vibração. Essa força externa faz com que o comprimento de onda da luz na fibra mude de forma mensurável.

"Esta configuração interferométrica usa mudanças na luz dentro da fibra para adquirir informações precisas sobre as vibrações, "disse Liu." Instalar esses acelerômetros no trem de pouso de um trem em serviço permite que eles monitorem as vibrações que indicariam defeitos na via. Eles também podem ser usados ​​para detectar problemas em linhas aéreas usadas para alimentar trens. "

Testes de campo de comparação

Depois de testar exaustivamente os protótipos do novo acelerômetro em laboratório, os pesquisadores realizaram um teste de campo instalando o dispositivo em um trem em serviço. Eles também instalaram um acelerômetro baseado em FBG e um acelerômetro piezoelétrico para comparação.

Eles descobriram que o novo acelerômetro de fibra detectou aceleração de maneira semelhante ao acelerômetro piezoelétrico. Contudo, Os sensores piezoelétricos requerem cabos blindados caros para reduzir os efeitos do ruído de interferência eletromagnética. Como o acelerômetro baseado em FBG não pode operar bem em altas frequências, o ruído ocultou algumas das informações úteis sobre vibração.

"Nossos resultados mostraram que nossos novos acelerômetros têm um desempenho consideravelmente melhor do que os acelerômetros existentes usados ​​para monitorar a aceleração em trens, "Liu disse.

Nesse trabalho, os pesquisadores usaram uma fibra comercial de cristal fotônico de manutenção da polarização. Desde então, eles projetaram e fabricaram um novo tipo de fibra com diâmetros externos menores, menores perdas de flexão e maior birrefringência, tudo isso lhes permitiria construir um acelerômetro menor com sensibilidade ainda maior.

"Esses novos acelerômetros podem abrir novas possibilidades de detecção e monitoramento, fornecendo dados que suportam a implementação de inteligência artificial na indústria ferroviária, "disse Tam." Embora o monitoramento ferroviário seja um bom exemplo de como o sensoriamento por fibra óptica pode ser combinado com inteligência artificial, acreditamos que essa combinação também é promissora para uma série de outras indústrias e aplicações. "