I ricercatori hanno sviluppato nuovi sensori per misurare l'accelerazione e le vibrazioni sui treni. La tecnologia potrebbe essere integrata con l'intelligenza artificiale per prevenire incidenti ferroviari e catastrofici deragliamenti dei treni.

"Ogni anno, gli incidenti ferroviari provocano lesioni gravi e persino la morte, " ha detto il capo del gruppo di ricerca Hwa-yaw Tam, dall'Università Politecnica di Hong Kong. "I nostri accelerometri in fibra potrebbero essere utilizzati per il monitoraggio in tempo reale dei difetti nei binari ferroviari o nel treno per individuare i problemi prima che si verifichi un incidente".

I ricercatori descrivono i loro nuovi accelerometri nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express . I dispositivi possono rilevare frequenze più del doppio di quelle dei tradizionali accelerometri a fibra ottica, rendendoli adatti al monitoraggio delle interazioni ruota-rotaia. I sensori durevoli non includono parti mobili e funzionano bene negli ambienti rumorosi e ad alta tensione presenti nelle applicazioni ferroviarie.

"Oltre al monitoraggio ferroviario, questi nuovi accelerometri possono essere utilizzati in altre applicazioni di monitoraggio delle vibrazioni, Per esempio, monitoraggio della salute strutturale per edifici e ponti e misurazioni delle vibrazioni delle ali degli aerei, " ha detto Zhengyong Liu.

Rilevamento ferroviario completamente ottico

Da più di 15 anni, i ricercatori hanno lavorato su sistemi di monitoraggio delle condizioni che utilizzano una rete di rilevamento completamente ottica per monitorare continuamente i componenti ferroviari critici. Questi sistemi possono aiutare a sostituire le routine di manutenzione ferroviaria programmata inefficienti e costose con una manutenzione predittiva basata sulle condizioni reali. I sistemi sviluppati dai ricercatori sono stati installati a Hong Kong e Singapore.

"Una rete di rilevamento completamente ottica ha molti vantaggi in quanto è immune alle interferenze elettromagnetiche, ha una lunga distanza di trasmissione e i sensori non richiedono elettricità, " disse Liu. "Tuttavia, c'è bisogno di sensori in fibra ottica ottimizzati per misurare diversi parametri nei sistemi ferroviari".

Gli accelerometri a fibra ottica tipicamente utilizzati nei sistemi di monitoraggio delle condizioni sono basati su reticoli in fibra di Bragg (FBG) e non possono essere utilizzati per rilevare vibrazioni superiori a 500 Hz. Sebbene questo sia adeguato per la maggior parte delle applicazioni ferroviarie, non può essere utilizzato per misurare le interazioni ruota-rotaia che sono un'importante fonte di usura dei binari.

Per superare questo problema, i ricercatori hanno progettato un nuovo accelerometro a fibra ottica che utilizza una speciale fibra ottica nota come fibra di cristallo fotonico che mantiene la polarizzazione, arrotolata a forma di disco di soli 15 millimetri di diametro. La fibra arrotolata è incollata tra un substrato di acciaio inossidabile e un blocco di massa cilindrico. Quando si verifica una vibrazione, il blocco di massa premerà sulla fibra arrotolata ad una frequenza corrispondente a quella della vibrazione. Questa forza esterna fa sì che la lunghezza d'onda della luce nella fibra si sposti in modo misurabile.

"Questa configurazione interferometrica utilizza i cambiamenti della luce all'interno della fibra per acquisire informazioni precise sulle vibrazioni, " ha detto Liu. "L'installazione di questi accelerometri sul telaio di un treno in servizio consente loro di monitorare le vibrazioni che indicherebbero difetti nel binario. Possono anche essere utilizzati per rilevare problemi nelle linee aeree utilizzate per alimentare i treni".

Test di confronto sul campo

Dopo aver testato a fondo in laboratorio i prototipi del nuovo accelerometro, i ricercatori hanno effettuato una prova sul campo installando il dispositivo su un treno in servizio. Hanno anche installato un accelerometro basato su FBG e un accelerometro piezoelettrico per il confronto.

Hanno scoperto che il nuovo accelerometro a fibra ha rilevato l'accelerazione in modo simile all'accelerometro piezoelettrico. Però, i sensori piezoelettrici richiedono costosi cavi schermati per ridurre gli effetti del rumore di interferenza elettromagnetica. Poiché l'accelerometro basato su FBG non può funzionare bene alle alte frequenze, il rumore nascondeva alcune delle utili informazioni sulle vibrazioni.

"I nostri risultati hanno mostrato che i nostri nuovi accelerometri hanno prestazioni considerevolmente migliori rispetto agli accelerometri esistenti utilizzati per monitorare l'accelerazione nei treni, " ha detto Liù.

In questo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato una fibra di cristallo fotonico commerciale che mantiene la polarizzazione. Da allora hanno progettato e fabbricato un nuovo tipo di fibra con diametri esterni più piccoli, minori perdite di flessione e maggiore birifrangenza, tutto ciò consentirebbe loro di costruire un accelerometro più piccolo con una sensibilità ancora maggiore.

"Questi nuovi accelerometri potrebbero aprire nuove possibilità di rilevamento e monitoraggio fornendo dati che supportano l'implementazione dell'intelligenza artificiale nel settore ferroviario, ", ha affermato Tam. "Sebbene il monitoraggio ferroviario sia un buon esempio di come il rilevamento in fibra ottica possa essere combinato con l'intelligenza artificiale, riteniamo che questa combinazione sia promettente anche per una serie di altri settori e applicazioni".