Des chercheurs ont développé de nouveaux capteurs pour mesurer l'accélération et les vibrations des trains. La technologie pourrait être intégrée à l'intelligence artificielle pour prévenir les accidents ferroviaires et les déraillements catastrophiques de train.

"Chaque année, les accidents de train entraînent des blessures graves et même des décès, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Hwa-yaw Tam, de l'Université polytechnique de Hong Kong. "Nos accéléromètres à fibre pourraient être utilisés pour surveiller en temps réel les défauts de la voie ferrée ou du train afin de localiser les problèmes avant qu'un accident ne se produise."

Les chercheurs décrivent leurs nouveaux accéléromètres dans le journal The Optical Society (OSA) Optique Express . Les appareils peuvent détecter des fréquences plus du double de celles des accéléromètres à fibre optique traditionnels, ce qui les rend aptes à surveiller les interactions roue-rail. Les capteurs durables ne comprennent aucune pièce mobile et fonctionnent bien dans les environnements bruyants et à haute tension rencontrés dans les applications ferroviaires.

« En plus de la surveillance ferroviaire, ces nouveaux accéléromètres peuvent être utilisés dans d'autres applications de surveillance des vibrations, par exemple, surveillance de la santé structurelle des bâtiments et des ponts et mesures des vibrations des ailes d'avion, ", a déclaré Zhengyong Liu.

Détection ferroviaire tout optique

Depuis plus de 15 ans, les chercheurs ont travaillé sur des systèmes de surveillance de l'état qui utilisent un réseau de détection entièrement optique pour surveiller en permanence les composants ferroviaires critiques. Ces systèmes peuvent aider à remplacer les routines de maintenance ferroviaire programmées inefficaces et coûteuses par une maintenance prédictive basée sur les conditions réelles. Des systèmes développés par les chercheurs ont été installés à Hong Kong et à Singapour.

"Un réseau de détection tout optique présente de nombreux avantages car il est insensible aux interférences électromagnétiques, a une longue distance de transmission et les capteurs ne nécessitent pas d'électricité, " dit Liu. " Cependant, il existe un besoin de capteurs à fibre optique optimisés pour mesurer différents paramètres dans les systèmes ferroviaires."

Les accéléromètres à fibre optique généralement utilisés dans les systèmes de surveillance des conditions sont basés sur des réseaux de Bragg à fibre (FBG) et ne peuvent pas être utilisés pour détecter des vibrations supérieures à 500 Hz. Bien que cela soit adéquat pour la plupart des applications ferroviaires, il ne peut pas être utilisé pour mesurer les interactions roue-rail qui sont une source importante d'usure de la voie.

Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont conçu un nouvel accéléromètre à fibre optique qui utilise une fibre optique spéciale connue sous le nom de fibre à cristal photonique à maintien de polarisation qui est enroulée en forme de disque de seulement 15 millimètres de diamètre. La fibre enroulée est collée entre un substrat en acier inoxydable et un bloc de masse cylindrique. Lorsqu'une vibration se produit, le bloc de masse va appuyer sur la fibre enroulée à une fréquence correspondant à celle de la vibration. Cette force externe provoque un décalage mesurable de la longueur d'onde de la lumière dans la fibre.

"Cette configuration interférométrique utilise les changements de lumière à l'intérieur de la fibre pour acquérir des informations précises sur les vibrations, " a déclaré Liu. " L'installation de ces accéléromètres sur le train d'atterrissage d'un train en service leur permet de surveiller les vibrations qui indiqueraient des défauts de la voie. Ils peuvent également être utilisés pour détecter des problèmes dans les lignes aériennes utilisées pour alimenter les trains. »

Essais comparatifs sur le terrain

Après avoir testé minutieusement les prototypes du nouvel accéléromètre en laboratoire, les chercheurs ont effectué un test sur le terrain en installant l'appareil sur un train en service. Ils ont également installé un accéléromètre basé sur FBG et un accéléromètre piézoélectrique à des fins de comparaison.

Ils ont découvert que le nouvel accéléromètre à fibre détectait l'accélération d'une manière similaire à l'accéléromètre piézoélectrique. Cependant, les capteurs piézoélectriques nécessitent des câbles blindés coûteux pour réduire les effets du bruit d'interférence électromagnétique. Parce que l'accéléromètre basé sur FBG ne peut pas bien fonctionner à hautes fréquences, le bruit cachait une partie des informations utiles sur les vibrations.

"Nos résultats ont montré que nos nouveaux accéléromètres fonctionnent considérablement mieux que les accéléromètres existants utilisés pour surveiller l'accélération des trains, " dit Liu.

Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé une fibre à cristal photonique à maintien de polarisation commerciale. Ils ont depuis conçu et fabriqué un nouveau type de fibre avec des diamètres extérieurs plus petits, des pertes de flexion plus faibles et une biréfringence plus élevée, tout cela leur permettrait de construire un accéléromètre plus petit avec une sensibilité encore plus élevée.

"Ces nouveaux accéléromètres pourraient ouvrir de nouvelles possibilités de détection et de surveillance en fournissant des données qui soutiennent la mise en œuvre de l'intelligence artificielle dans l'industrie ferroviaire, " a déclaré Tam. " Bien que la surveillance ferroviaire soit un bon exemple de la façon dont la détection par fibre optique peut être combinée avec l'intelligence artificielle, nous pensons que cette combinaison est également prometteuse pour un certain nombre d'autres industries et applications."