張文浩，劉統(tǒng)玉,，石智棟，姜龍，魏玉賓，王紀(jì)強(qiáng)，王鳳雪

(1.山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南250013；2.山東省光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

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基于光纖傳感技術(shù)的電力機(jī)車(chē)受電弓狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張文浩1，劉統(tǒng)玉1,2，石智棟1，姜龍1，魏玉賓2，王紀(jì)強(qiáng)2，王鳳雪1

(1.山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南250013；2.山東省光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

摘要：基于光纖光柵傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電力機(jī)車(chē)受電弓狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)壓力、受電弓振動(dòng)狀態(tài)以及受電弓滑板應(yīng)力溫度等。系統(tǒng)通過(guò)仿真、標(biāo)定及測(cè)試，得出弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)范圍在0～500 N，應(yīng)變監(jiān)測(cè)范圍在-0.2%～0.2%。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；受電弓；動(dòng)態(tài)壓力；應(yīng)變；接觸網(wǎng)安全

十三五期間，中國(guó)鐵路固定投資規(guī)模將達(dá)3.8萬(wàn)億元[1]。近年來(lái)，中國(guó)高速鐵路正在迅速形成線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)軌道交通的高效安全監(jiān)控需求迫切。受電弓是電力牽引機(jī)車(chē)從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備，其狀態(tài)直接影響列車(chē)安全及可靠運(yùn)行[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)受電弓的動(dòng)力學(xué)[3]、機(jī)構(gòu)學(xué)[4]以及接觸網(wǎng)關(guān)系等做了許多研究工作。目前接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)采用的是在地面設(shè)置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用人工巡檢的方式監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全線路覆蓋和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，沒(méi)有可長(zhǎng)期化監(jiān)測(cè)的理想方式[5]。在實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)研究方面，目前國(guó)內(nèi)外主要采用電子測(cè)溫和電阻應(yīng)變片進(jìn)行受電弓運(yùn)行監(jiān)測(cè)，因受電火花、電磁場(chǎng)以及雷電干擾影響較大，難以實(shí)現(xiàn)智能化狀態(tài)分析和預(yù)警。傳統(tǒng)的電子類傳感器對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的監(jiān)視需要一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的裝置，對(duì)傳感器進(jìn)行電絕緣，以避免測(cè)量信號(hào)之間的干擾和電弧現(xiàn)象所產(chǎn)生的電磁干擾。與傳統(tǒng)的電子傳感器相比，光纖類傳感器則完全不需要該復(fù)雜裝置，因?yàn)槠淅霉庑盘?hào)進(jìn)行信息傳輸，本質(zhì)絕緣、不導(dǎo)電且不受電磁干擾，特別適用于電磁干擾大、雷擊頻繁等惡劣環(huán)境，能夠大大降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，且提高監(jiān)測(cè)性能[6-7]。本文基于光纖光柵傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電力機(jī)車(chē)受電弓狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為減少弓網(wǎng)故障，并進(jìn)一步降低受電弓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，本設(shè)計(jì)利用光纖光柵及光纖傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓溫度[8]、應(yīng)力應(yīng)變[9]和振動(dòng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，建立高鐵電力接觸受電弓運(yùn)行狀態(tài)光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在受電弓上安裝多參數(shù)光纖傳感器，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)，然后通過(guò)遠(yuǎn)程通信將數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)車(chē)監(jiān)控中心等部門(mén)，可對(duì)電力機(jī)車(chē)受電弓實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

電力機(jī)車(chē)受電弓運(yùn)行狀態(tài)光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括3個(gè)部分：光纖檢測(cè)傳感器部分、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，如圖1所示。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of the monitoring system

系統(tǒng)中的檢測(cè)單元安裝在機(jī)車(chē)頂端的受電弓上，在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)受電弓的狀態(tài)，機(jī)車(chē)管理部門(mén)可通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施采集，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給受電弓生產(chǎn)廠家，廠家可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常時(shí)及時(shí)通知機(jī)車(chē)管理部門(mén)進(jìn)行檢查處理，變被動(dòng)檢修為主動(dòng)檢修，提高了效率，同時(shí)節(jié)省人力物力[10-11]。

1.1傳感器設(shè)計(jì)及安裝

系統(tǒng)中涉及到的傳感器安裝的前提是不破壞原本受電弓的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并盡可能減少對(duì)電力機(jī)車(chē)受電弓的受流及受力狀況的影響。本文中所使用的受電弓為DSA250型高鐵受電弓。

1.1.1傳感器設(shè)計(jì)

光纖溫度/應(yīng)變傳感器按照受電弓的尺寸設(shè)計(jì)，將光纖光柵附在彈性體上，并進(jìn)行保護(hù)封裝。反射光的波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變變化非常敏感，當(dāng)彈性體受到壓力時(shí)，光纖光柵與彈性體一同發(fā)生應(yīng)變，從而引起反射波長(zhǎng)的變化，通過(guò)對(duì)反射波長(zhǎng)的采集分析，計(jì)算得到溫度、應(yīng)變。文中設(shè)計(jì)的傳感器具有溫度補(bǔ)償光柵(計(jì)算溫度)和應(yīng)變光柵(計(jì)算溫度補(bǔ)償后的應(yīng)變)。

按照受電弓的尺寸設(shè)計(jì)光纖振動(dòng)傳感器，使得振動(dòng)傳感器可以貼合在受電弓滑板的側(cè)面，振動(dòng)傳感器的工作原理是光纖光柵隨著質(zhì)量塊的力的作用發(fā)生形變，不同力的大小對(duì)應(yīng)光纖光柵不同的形變，從而引起反射光信號(hào)波長(zhǎng)的快速變化[12]，反射后的光信號(hào)再次經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入解調(diào)設(shè)備，解調(diào)設(shè)備對(duì)返回的不同的波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行處理分析，得到監(jiān)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)光纖光柵快速采集，得到信號(hào)進(jìn)行FFT變換，從而算出頻域振幅與頻率信號(hào)。然后由程序算出速度、加速度[13]和位移[14]。

DSA250型高鐵受電弓弓頭為懸掛結(jié)構(gòu)[15]，共有4個(gè)拉簧結(jié)構(gòu)使得受電弓頭前后左右上下有一定的自由幅度，我們根據(jù)4個(gè)拉簧的拉力豎直方向的分量之和作為弓網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)。

針對(duì)拉簧的拉力，我們?cè)O(shè)計(jì)如圖2a所示的光纖傳感器，利用力的傳遞作用以及彈性體在力的作用下引起的微小形變，選擇合適的材料使其形變范圍與光纖光柵可探測(cè)的形變范圍接近，通過(guò)監(jiān)測(cè)貼在內(nèi)壁上的光纖光柵位移的變化進(jìn)而計(jì)算出拉簧力的變化，綜合4個(gè)拉簧垂向力之和，計(jì)算得出弓網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)壓力。

1.1.2傳感器安裝

光纖溫度/應(yīng)變、振動(dòng)傳感器采取高溫導(dǎo)電膠在受電弓側(cè)面進(jìn)行粘接，然后光纖延受電弓導(dǎo)氣管走線，經(jīng)過(guò)絕緣光纖貫通器將光纖引至位于電力機(jī)車(chē)內(nèi)部的解調(diào)儀中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。如圖2b所示。后續(xù)可借助受電弓本身螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)處理。

圖2　受電弓光纖傳感器結(jié)構(gòu)及傳感器安裝圖Fig.2　Structures of the pantograph sensors and their installation photos

圖3　受電弓狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件圖Fig.3　Software interface of the pantograph status monitoring system

1.2系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)軟件由C#代碼編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)受電弓振動(dòng)、溫度和應(yīng)力狀態(tài)，利用監(jiān)測(cè)到的各參數(shù)進(jìn)行理論建模，建立受電弓-接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型及失效模式研究；

Spatial pattern of environmental efficiency and its influencing factors

(2)可在線實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中采集和記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的各項(xiàng)參數(shù)情況，一臺(tái)光纖光柵解調(diào)儀可最多監(jiān)測(cè)192個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(包含溫度、應(yīng)變、壓力和振動(dòng))；

(3)針對(duì)軟件底層操作者設(shè)定一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警數(shù)值，監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)警戒值時(shí)可發(fā)出自定義的報(bào)警信號(hào)，如現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程聲光報(bào)警以及手機(jī)短信報(bào)警等；

(4)軟件為windows程序標(biāo)準(zhǔn)中文界面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄可通過(guò)曲線表示，按照參數(shù)設(shè)定可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻的數(shù)據(jù)保存間隔，并可實(shí)時(shí)提取某時(shí)刻的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

(5)具備日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表等數(shù)據(jù)輸出、打印功能，運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表可直接輸出為excel等格式或者直接打??；

(6)數(shù)據(jù)不但可在機(jī)車(chē)中以及監(jiān)測(cè)中心實(shí)時(shí)顯示，而且可在任意一臺(tái)有訪問(wèn)權(quán)限并聯(lián)網(wǎng)的電腦中實(shí)現(xiàn)web發(fā)布；

(7)系統(tǒng)軟件采取模塊化軟件，可選擇任意部件組合，并提供各種協(xié)議，滿足不同數(shù)據(jù)傳輸需要，監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)置不同硬件擴(kuò)展接口便于使用。

圖3為程序界面。

2標(biāo)定及測(cè)量數(shù)據(jù)

系統(tǒng)中的各類光纖傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，如光纖應(yīng)變傳感器采用等強(qiáng)度梁進(jìn)行標(biāo)定、光纖溫度傳感器采用制冷恒溫水箱進(jìn)行標(biāo)定、光纖壓力(拉力)傳感器使用標(biāo)準(zhǔn)拉力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定、光纖振動(dòng)傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)測(cè)試臺(tái)(包括振動(dòng)臺(tái)4808、分析儀3560C、功放2719，丹麥B&K公司)進(jìn)行標(biāo)定。所有傳感器均在數(shù)控溫濕度環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行長(zhǎng)期性老化實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定數(shù)據(jù)如圖4所示。

如圖4a所示，光纖應(yīng)變傳感器測(cè)量范圍在0～0.2%，光纖光柵波長(zhǎng)變化值呈線性變化，y=0.003 258x-0.008 882,R2=0.999 9946 9線性度較好。圖4b在0～500 N范圍內(nèi)(受電弓檢測(cè)參數(shù)要求)增加測(cè)試點(diǎn)數(shù)，光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器在0～1 000 N的全程范圍內(nèi)，光纖光柵波長(zhǎng)變化也成線性y=-224.4x+3 154.7,R2=0.999 9；圖4c顯示了光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)-20 ℃(使用酒精)變化到110 ℃過(guò)程中光纖光柵波長(zhǎng)的變化曲線，線性度較好y=85.468x-133 213；圖4d為光纖振動(dòng)傳感器頻率響應(yīng)曲線，在0～160 Hz的范圍內(nèi)，頻響曲線較平緩，滿足使用要求y=0.000 121 2x3+0.002 920 01x2-0.190 525 67x+12.826 788 18,R2=0.989 379 08(R2>0.98)。

圖4　應(yīng)變、壓力、溫度傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)和振動(dòng)傳感器頻響曲線Fig.4　Calibration data of stress, pressure, temperature sensors and frequency response curve of the vibration sensor

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)可達(dá)到的指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1　光纖受電弓狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)參數(shù)

從標(biāo)定及檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，各種傳感器線性度較好，基本滿足系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能需求。另外考慮到在野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，受電弓外界的溫度可達(dá)到-40 ℃，由于恒溫水箱溫度的限制，需要進(jìn)一步測(cè)試低溫下光纖溫度傳感器的性能。

3結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)性能高，裝置大大簡(jiǎn)化?？捎猛惶紫到y(tǒng)對(duì)受電弓溫度、應(yīng)變以及振動(dòng)等多參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，靈敏度高，穩(wěn)定性好。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)受電弓工作狀態(tài)的不間斷實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)建立了受電弓-接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行運(yùn)行故障預(yù)警。基于光纖傳感技術(shù)的電力機(jī)車(chē)受電弓狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集，建立不同受電弓的數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析，形成自診斷型的受電弓安全預(yù)警系統(tǒng)。未來(lái)還可以與定點(diǎn)高清攝像頭組合應(yīng)用,利用故障圖像檢測(cè)法進(jìn)行分析[16-17]，形成更直觀的受電弓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉凱."十三五"，讓人期待的中國(guó)鐵路建設(shè)[J].建筑，2016(2):14.

[2]趙波.弓網(wǎng)振動(dòng)在線檢測(cè)及信號(hào)分析[D].成都：西南交通大學(xué),2007.

[3]張衛(wèi)華，沈志云.受電弓動(dòng)力學(xué)研究[J].鐵路學(xué)報(bào),1993,15(1):23-30.

[4]劉紅嬌.受電弓機(jī)構(gòu)集合參數(shù)優(yōu)化與主動(dòng)控制的研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2002.

[5]張家瑋.接觸網(wǎng)安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2013.

[6]LAFFONT G, ROUSSEL N, ROUGEAULT S, et al. Innovative FBG sensing techniques for the railway industry: Application to overhead contact line monitoring[C]// 20th International Conference on Optical Fibre Sensors.Edinburgh,UK:SPIE,2009.

[7]BOCCIOLONE M, BUCCA G, COLLINA A, et al. Comparison of optical and electrical measurements of the pantograph-catenary contact force[C]// Fourth European Workshop on Optical Fibre Sensors.Porto,Portugal:SPIE,2010.

[8]陳慧娟,許志紅.受電弓三維溫度場(chǎng)仿真分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,39(2)：227-232.

[9]COMOLLI L, BUCCA G, BOCCIOLONE M, et al.First results from in-line strain measurements with FBG sensors on the pantograph collector of underground trains[C]// Proc. of SPIE, Optical Sensing and Detection.Brussels,Belgium:SPIE,2010.

[10]方松，高紅星.地鐵車(chē)輛受電弓故障分析[J]. 機(jī)械,2014,41(11):8-10.

[11]喻小如,羅鐵鋼. 15系列受電弓日常維護(hù)及常見(jiàn)故障處理方法[J]. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2014,37(3):90-92.

[12]趙林,閔力,李淑娟.基于FFT的光纖光柵機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].山東科學(xué),2012,25(4):49-52.

[13]BOCCIOLONE M, BUCCA G, CIGADA A, et al.An application of FBG accelerometers for monitoring pantographs of underground trains[C]// Fourth European Workshop on Optical Fibre Sensors.Porto,Portugal:SPIE,2010.

[14]程瓊,蔣玉強(qiáng).提升機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2012,33(4):241-243.

[15]宋亞輕.受電弓基于振動(dòng)測(cè)試的動(dòng)力學(xué)建模及其非線性隨機(jī)動(dòng)力學(xué)特性分析[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

[16]朱曉恒.受電弓典型故障圖像檢測(cè)算法的研究[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

[17]張文彬,顧先達(dá).受電弓狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)在地鐵檢測(cè)中應(yīng)用的可行性研究[J].哈爾濱鐵道科技,2012(3) ：17-19.

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.011

收稿日期：2015-03-24

基金項(xiàng)目：中小企業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金(對(duì)歐合作部分)(SQ2013Z0C600005)

作者簡(jiǎn)介：張文浩(1987-)，男，碩士，研究方向?yàn)楣饫w傳感。Email：zwh@iss-ms.com

中圖分類號(hào)：TN247

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2016)03-0060-05

Optic fiber sensing technology based status monitoring system for locomotive pantograph

ZHANG Wen-hao1, LIU Tongyu1,2, SHI Zhi-dong1,JIANG Long1,WEI yu-bin2,WANG Ji-qiang2,WANG Feng-xue1

(1.Shandong Micro-Sensor Photonics Co. Ltd., Jinan 250013, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology, Laser Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

Abstract∶Based on fiber Bragg grating sensing technology, we designed an online monitoring system for the pantograph of an electric locomotive. It could monitor real-time dynamic pressure, vibration state, slide stress and temperature of the pantograph. Through simulation, calibration and testing, we acquired monitoring range of dynamic pressure of 0～500 N, and monitoring scope of micro-strain of-0.2%～0.2%.

Key words∶ fiber Bragg grating; pantograph; dynamic pressure; strain; catenary safety

【光纖與光子傳感技術(shù)】