光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，涉及用于铁路机车或地铁车辆或动车组等的受电弓碳滑板磨耗检测技术，属于列车安全行驶监测领域。本发明包括光源、多芯光纤插头、光纤式磨耗传感器、光电耦合器、信号处理单元；利用光纤的通光性能，将光纤式磨耗传感器安装于受电弓碳滑板磨耗区，当磨耗产生时，引起光纤断损，通光性能受损消失，通过对多根光纤通断情况的统计分析，给出受电弓碳滑板的磨耗值。本发明能实现铁路机车或地铁车辆或动车组等的受电弓碳滑板磨耗在线式实时全程动态检测。本发明精度高、抗干扰能力强、寿命长、成本低，可为自动升降弓和受电弓碳滑板更换提供依据，同时支持弓网关系的分析。
【专利说明】光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤传输原理的磨耗在线检测技术，尤其涉及用于铁路机车或地铁车辆或动车组等的受电弓碳滑板磨耗检测技术，属于列车安全行驶监测领域。
【背景技术】
[0002]光纤传感是目前快速发展的新型传感技术，具有绝缘性好、抗电磁干扰、耐环境腐蚀、灵敏度高、传输距离长、结构灵巧等优点；电气化铁路机车受电弓碳滑板磨耗状态是保证铁路安全运营的重要检测部位，其磨耗值的实时在线检测对于及时升降弓、及时更换维修以保证铁路运行安全具有重要意义。受电弓碳滑板为列车从输电网获取电力的导流部件，铁路机车或地铁车辆或动车组的受电弓与输电网的良好接触是决定着列车能否获得足够的牵引动力并安全可靠运行的核心问题，其监测要求测量系统具有耐高压、抗电磁干扰、重量轻、适应野外环境的特点。
[0003]现有检测方法的对比:
[0004]1、传统检测方式
[0005]受电弓碳滑板磨耗检测多采用传统的人工检测的方法，即列车进段、停车、降弓、断电，工作人员登上车顶，用专用的量具测量受电弓的磨损，观察有无异常磨耗等。该方法效率低、测量精度差且只能按预定计划每天检测少部分列车受电弓的磨耗状态，对受电弓突发性的异常磨耗完全没有办法测量，存在很大的安全隐患。
[0006]2、智能化检测方式
[0007]目前国内外开发的受电弓滑板磨损自动测量装置。均采用固定于高架上的超声波传感器发送超声波，通过空气传输并送到低速通过的受电弓碳滑板上，然后超声波反射返回到传感器上，然后根据超声波的传输时间与当时的波速，经计算后获得滑板厚度，检测滑板表面的凹凸和沟槽；或固定于高架上的激光测量系统发送激光扫描光束，对低速通过的受电弓碳滑板进行扫描或照相，然后通过图像处理可自动检查出滑板超限及阶梯状磨、缺口、翘曲等异常现象:或固定于高架上的照相机、摄像系统，对低速通过的受电弓碳滑板进行照相、摄像，然后通过图像处理可自动检查出滑板超限及阶梯状磨、缺口、翘曲等异常现象。智能化检测方式受到天气条件影响较大，在空气状况不佳、大气污染严重的情况下，无法有效进行超声波或拍照摄像测量，同时由于测量装置安装在固定高架上，无法对列车受电弓滑板磨耗情况进行实时、全程、动态监测。
【发明内容】
[0008]本发明所解决的技术问题是利用光纤传输原理实现铁路机车或地铁车辆或动车组等的受电弓碳滑板磨耗在线式实时全程动态检测。本发明精度高、抗干扰能力强、寿命长、成本低，可为自动降弓和受电弓碳滑板更换提供依据，同时支持弓网关系的分析。
[0009]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0010]本发明的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，利用光纤的通光性能，将光纤式磨耗传感器安装于受电弓碳滑板磨耗区，当磨耗产生时，引起光纤断损，通光性能受损消失，通过对多根光纤通断情况的统计分析，给出受电弓碳滑板的磨耗值。
[0011]本发明的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，包括光源、多芯光纤插头、光纤式磨耗传感器、光电稱合器、信号处理单兀。
[0012]光源、光电耦合器均通过多芯光纤插头与光纤式磨耗传感器连接形成完整光路，光纤式磨耗传感器通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板侧面或预埋在碳滑板内部。当受电弓碳滑板在工作时产生磨损时，光纤式磨耗传感器中对应光纤发生断裂，对应的光路无光通过，与之相连接的光电耦合器输出信号产生变化，通过受电弓信号处理单元测得信号变化量，得到受电弓碳滑板的磨耗位置及磨损数据。本发明的的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统为车载系统，能够全程、实时获得受电弓碳滑板磨损情况。
[0013]光源、光电耦合器均通过多芯光纤插头与光纤式磨耗传感器连接形成完整光路，所述的完整光路可通过如下两种布设方式实现:
[0014]透射式布设方式:光源发出光束，通过光纤式磨耗传感器，透射入光电稱合器，形成完整透射式光路。信号处理单元通过屏蔽电缆与光电耦合器相连。透射式布设方式包含两个多芯光纤插头，拆装不方便，但成本较低。
[0015]反射式布设方式:光源发出光束，光束通过光纤式磨耗传感器，在光纤式磨耗传感器另一端被回光体反射入光电耦合器，形成完整反射光路。所述的回光体为通过磨制形成的腔体。信号处理单元通过屏蔽电缆与光电耦合器相连。反射式布设方式只有一个多芯光纤插头，拆装方便，但需要在光纤式磨耗传感器一端加工回光体，工艺复杂。
[0016]光纤磨耗传感器包含光纤根数、光纤直径及各光纤粘贴间距依据检测精度要求而设定。光纤式磨耗传感器为并排铺放在基底上的耐高温光纤带，其基底选择复合材料、高分子柔性材料。耐高温光纤带中的光纤直径及各光纤粘贴间距决定光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统的精度，耐高温光纤直径越细、各光纤粘贴间距越小则测试精度越高。
[0017]光纤磨耗传感器可运用于高铁、动车、地铁等不同场合，其具体尺寸也可依照不同场合使用碳滑板的尺寸而设定。
[0018]光纤式磨耗传感器不含电磁兀器件或其他导电材料，故可耐高压、抗强电磁干扰；光纤式磨耗传感器为娃材质构成，耐环境腐蚀，便于在线实时测量。
[0019]光源选择红外波段LED或可见光波段LED。
[0020]多芯光纤插头用于各分立光学器件连接，优选陶瓷制拔插式集束环。
[0021]光电稱合器用于将光纤式磨耗传感器米集的光信号转化为电信号。选用光电探测器或CCD。
[0022]信号处理单元用于将光电耦合器发出的电信号进行模数转换，对取得的数字信号进行实时处理，获得受电弓碳滑板全工作过程磨损情况。选用由DSP或FPGA构成的信号处理电路。
[0023]有益效果:
[0024]1、本发明安装于受电弓碳滑板本体上，可随被测物体一起移动，实时对被测物体的实际状态进行检测。
[0025]2、现场适应能力强:光纤式磨耗传感器绝缘性好可耐高压、抗强电磁干扰、耐环境腐蚀，便于在线实时测量；[0026]3、高精度:将受电弓碳滑板磨耗值监测精度提高到0.2mm以内；
[0027]4、结构灵巧:光纤式磨耗传感器结构轻巧，便于安装于对重量增加敏感的受电弓碳滑板部位；
[0028]5、可维护性好:利用多芯光纤插头,将光纤式磨耗传感器和光源、光电稱合器分离，便于现场更换。
[0029]6、使用范围广，使用形式灵活、多样:光纤磨耗传感器可运用于高铁、动车、地铁等不同场合的碳滑板磨耗检测中，其尺寸也可依据碳滑板尺寸而进行灵活设定。
[0030]7、将光纤传感技术用于受电弓碳滑板磨耗监测，是一种巧妙的结合，具有现场适应能力强、监测可靠、结构灵巧的显著优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统采用透射式布设方式时原理图；
[0032]图2是本发明的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统采用反射式布设方式时原理图；
[0033]其中:1_光源、2-多芯光纤插头、3-光纤式磨耗传感器、4-光电稱合器、5-信号处理单元、6-回光体、7-回光光纤、8-去光光纤、9-基底、10-受电弓碳滑板、11-检测阈值位置。
【具体实施方式】
[0034]实施例1
[0035]如图1所示，本实施例的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，包括光源[I]、多芯光纤插头[2]、光纤式磨耗传感器[3]、光电耦合器[4]、信号处理单元[5]。
[0036]多芯光纤插头[2]用于各分立光学器件连接，优选陶瓷制作的拔插式集束环。
[0037]光纤式磨耗传感器[3]选用透射式布设方式，光源[I]发出光束，通过光纤式磨耗传感器[3]，透射入光电耦合器[4]，形成完整透射式光路。信号处理单元[5]通过屏蔽电缆与光电耦合器[4]相连。光纤式磨耗传感器[3]通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板[10]侦愐。受电弓碳滑板[10]侧面宽度为15mm，长度为1000mm，光纤式磨耗传感器[3]基底为碳纤维环氧复合材料,宽度为15mm,长度为1000mm,总厚度为2mm。光纤根数选择20根，间距0.1_。传感器通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板侧面或预埋在碳滑板内部。光纤式磨耗传感器[3]为并排铺放在基底[9]上的耐高温光纤带，其基底[9]选择复合材料、高分子柔性材料。
[0038]光电耦合器[4]用于将光纤式磨耗传感器[3]采集的光信号转化为电信号。选用光电探测器或CCD。
[0039]信号处理单元[5]用于将光电耦合器[4]发出的电信号进行模数转换，对取得的数字信号进行实时处理，获得受电弓碳滑板[10]全工作过程磨损情况。选用由DSP或FPGA构成的信号处理电路。
[0040]当受电弓在工作时产生磨损时，光纤式磨耗传感器[3]中对应光纤发生断裂，对应的光路无光通过，与之相连接的光电耦合器[4]输出信号产生变化，通过受电弓信号处理单元[5]测得信号变化量，得到受电弓碳滑板[10]的磨耗位置及磨损数据。本实施例的的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统为车载系统，能够全程、实时获得受电弓碳滑板[10]磨损情况。
[0041]实施例2:
[0042]如图2所示，本实施例的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，包括光源
[I]、多芯光纤插头[2]、光纤式磨耗传感器[3]、光电耦合器[4]、信号处理单元[5]。
[0043]多芯光纤插头[2]用于各分立光学器件连接，优选陶瓷制作的拔插式集束环。
[0044]光纤式磨耗传感器[3]选用反射式布设方式，光源[I]发出光束，光束通过光纤式磨耗传感器[3]，在光纤式磨耗传感器[3]另一端被回光体[6]反射入光电耦合器[4]，形成完整反射光路。信号处理单元[5]通过屏蔽电缆与光电耦合器[4]相连。受电弓碳滑板
[10]侧面宽度为15mm，长度为1000mm，光纤式磨耗传感器[3]中包含光纤20根，基底为碳纤维环氧复合材料，宽度为15mm,长度为1000mm。检测阈值位置[11]为受电弓碳滑板[10]侧面中线位置(检测阈值位置设定可依据碳滑板种类、碳滑板使用场合不同而调整)。光纤式磨耗传感器[3]通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板[10]侧面或预埋在碳滑板内部。光纤式磨耗传感器[3]中的光纤分为回光光纤[7]和去光光纤[8]，回光光纤[7]布设在基底[9]检测阈值位置[11]上方，去光光纤[8]布设在基底[9]检测阈值位置[11]下方，两类光纤数量相等。如图2所示。在基底[9]检测阈值位置[11]上方，回光光纤[7]每间隔0.1mm至0.5mm粘贴在基底[9]表面，共粘贴10根回光光纤[7]，不粘贴去光光纤[8];在基底[9]检测阈值位置[11]下方，去光光纤[8]每间隔0.1mm至0.5mm粘贴在基底[9]表面，共粘贴10根去光光纤[8]，不粘贴回光光纤[7]。
[0045]光电耦合器[4]用于将光纤式磨耗传感器[3]采集的光信号转化为电信号。选用光电探测器或CCD。
[0046]信号处理单元[5]用于将光电耦合器[4]发出的电信号进行模数转换，对取得的数字信号进行实时处理，获得受电弓碳滑板[10]全工作过程磨损情况。选用由DSP或FPGA构成的信号处理电路。
[0047]当受电弓在工作时产生磨损时，光纤式磨耗传感器[3]中对应光纤发生断裂，对应的光路无光通过，与之相连接的光电耦合器[4]输出信号产生变化，通过受电弓信号处理单元[5]测得信号变化量，得到受电弓碳滑板[10]的磨耗位置及磨损数据。本实施例的的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统为车载系统，能够全程、实时获得受电弓碳滑板[10]磨损情况。
[0048]本发明保护范围不仅局限于本实施例，本实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。
【权利要求】
1.光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，其特征在于:包括光源[I]、多芯光纤插头[2]、光纤式磨耗传感器[3]、光电耦合器[4]、信号处理单元[5];利用光纤的通光性能，将光纤式磨耗传感器[3]安装于受电弓碳滑板[10]磨耗区，当磨耗产生时，引起光纤断损，通光性能受损消失，通过对多根光纤通断情况的统计分析，给出受电弓碳滑板[10]的磨耗值。
2.根据权利要求1所述的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，其特征在于:光源[I]、光电耦合器[4]均通过多芯光纤插头[2]与光纤式磨耗传感器[3]连接形成完整光路，光纤式磨耗传感器[3]通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板[10]侧面或预埋在碳滑板内部；当受电弓碳滑板[10]在工作时产生磨损时，光纤式磨耗传感器[3]中对应光纤发生断裂，对应的光路无光通过，与之相连接的光电耦合器[4]输出信号产生变化，通过受电弓信号处理单元[5]测得信号变化量，得到受电弓碳滑板[10]的磨耗位置及磨损数据。
3.根据权利要求2所述的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，其特征在于:光源[I]、光电耦合器[4]均通过多芯光纤插头[2]与光纤式磨耗传感器[3]连接形成完整光路，所述的完整光路可通过如下两种布设方式实现: 透射式布设方式:光源[I]发出光束，通过光纤式磨耗传感器[3]，透射入光电耦合器[4]，形成完整透射式光路；信号处理单元[5]通过屏蔽电缆与光电耦合器[4]相连； 反射式布设方式:光源[I]发出光束，光束通过光纤式磨耗传感器[3],在光纤式磨耗传感器[3]另一端被回光体[6]反射入光电耦合器[4]，形成完整反射光路；所述的回光体[6]为通过磨制形成的腔体；信号处理单元[5]通过屏蔽电缆与光电耦合器[4]相连。
4.根据权利要求2或3所述的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，其特征在 于: 光纤磨耗传感器包含光纤根数、光纤直径及各光纤粘贴间距依据检测精度要求而设定；光纤式磨耗传感器为并排铺放在基底上的耐高温光纤带，其基底选择复合材料、高分子柔性材料。耐高温光纤带中的光纤直径及各光纤粘贴间距决定光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统的精度，耐高温光纤直径越细、各光纤粘贴间距越小则检测精度越高； 光纤磨耗传感器可运用于高铁、动车、地铁等不同场合，其具体尺寸也可依照不同场合使用碳滑板的尺寸而设定。
5.根据权利要求4所述的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，其特征在于: 光源选择红外波段LED或可见光波段LED ； 多芯光纤插头[2]用于各分立光学器件连接，优选陶瓷制拔插式集束环； 光电耦合器[4]用于将光纤式磨耗传感器[3]采集的光信号转化为电信号；选用光电探测器或CCD ； 信号处理单元[5]用于将光电耦合器[4]发出的电信号进行模数转换，对取得的数字信号进行实时处理，获得受电弓碳滑板[10]全工作过程磨损情况；选用由DSP或FPGA构成的信号处理电路； 光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统为车载系统，能够全程、实时获得受电弓碳滑板[10]磨损情况。
6.根据权利要求5所述的 光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，其特征在于:光纤式磨耗传感器[3]选用透射式布设方式，光源[I]发出光束，通过光纤式磨耗传感器[3]，透射入光电耦合器[4]，形成完整透射式光路；信号处理单元[5]通过屏蔽电缆与光电耦合器[4]相连；光纤式磨耗传感器[3]通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板[10]侧面或预埋在受电弓碳滑板[10]内部；受电弓碳滑板[10]侧面宽度为15mm,长度为1000mm,光纤式磨耗传感器[3]基底为碳纤维环氧复合材料，宽度为15mm,长度为1000mm,总厚度为2mm;光纤根数选择20根，间距0.1mm ;传感器通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板侧面或预埋在碳滑板内部；光纤式磨耗传感器[3]为并排铺放在基底[9]上的耐高温光纤带，其基底[9]选择复合材料、高分子柔性材料。
7.根据权利要求5所述的光纤式受电弓碳滑板磨耗在线实时检测系统，其特征在于:光纤式磨耗传感器[3]选用反射式布设方式，光源[I]发出光束，光束通过光纤式磨耗传感器[3]，在光纤式磨耗传感器[3]另一端被回光体[6]反射入光电耦合器[4]，形成完整反射光路；信号处理单元[5]通过屏蔽电缆与光电耦合器[4]相连；受电弓碳滑板[10]侧面宽度为15mm,长度为1000mm,光纤式磨耗传感器[3]中包含光纤20根,基底为碳纤维环氧复合材料，宽度为15mm,长度为1000mm ;检测阈值位置[11]为受电弓碳滑板[10]侧面中线位置，检测阈值位置[11]设定可依据碳滑板种类、碳滑板使用场合不同而调整；光纤式磨耗传感器[3]通过胶粘方式固定于受电弓碳滑板[10]侧面或预埋在碳滑板内部；光纤式磨耗传感器[3]中的光纤分为回光光纤[7]和去光光纤[8]，回光光纤[7]布设在基底[9]检测阈值位置[11]上方，去光光纤[8]布设在基底[9]检测阈值位置[11]下方，两类光纤数量相等；在基底[9]检测阈值位置[11]上方，回光光纤[7]每间隔0.1mm至0.5mm粘贴在基底[9]表面，共粘贴10根回光光纤[7]，不粘贴去光光纤[8];在基底[9]检测阈值位置[11]下方，去光光纤[8]每间隔0.1mm至0.5mm粘贴在基底[9]表面,共粘贴10根去光光纤[8]，不粘贴回光光纤[7·]。
【文档编号】G01B11/00GK103528516SQ201310486081
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】薛景锋, 陈刚, 张卫华, 王文娟, 朴名鹏, 江琴, 陈佳钰, 陈爽, 武洪波 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所, 北京海冬青机电设备有限公司