本发明涉及火车受电弓的结构健康监测技术领域，具体涉及一种火车受电弓的结构健康监测系统。
背景技术：
受电弓是安装在电力机车、有轨电车或电动公交车车顶上的装置，通过与架空线接触来收集电力，通过受电弓与接触网取电是目前现代电力火车和电力机车获取动力的主要形式。因此，受电弓是现代火车和电力机车安全运行的关键结构，受电弓结构失效会导致严重事故。当受电弓受到损坏或磨损时可能会导致电缆断裂，这将产生昂贵的维修费用，且维修需要耗费很多时间，并可能会导致相当长的停机时间；断裂的高压电缆也会对附近乘客和人员产生危险。因此，确保受电弓处于健康的工作状态至关重要。
目前，受电弓的结构健康状况主要通过视检系统的离线检查来确定。视检系统拍摄受电弓图像，并使用图像分析算法确定受电弓结构是否有损坏。视检系统可以发现碳滑板的厚度变化和结构的外部损伤，但是它无法有效检测到焊点失效、金属疲劳、内部损伤或者位于相机盲区的损伤，这些结构损伤均需要进一步的人工检查来确定。因此，当前市场需要行之有效的检测方法来检查受电弓的结构健康状况，以节省劳动力成本、提高效率和监测的准确性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种火车和电力机车受电弓结构的健康监测系统，该系统使用至少一个传感器来监测火车受电弓的结构完整性，该系统能够探测焊接失效、金属疲劳和框架裂纹的结构损坏情况。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种火车受电弓的结构健康监测系统，包括至少一个安装或集成到所述火车受电弓上的传感器；
数据采集单元，用于从所述传感器接收信号或数据；
数据处理单元，用于基于所接收的信号或数据确定火车受电弓的结构健康状况。
其中，所述数据采集单元通过至少一个所述传感器向所述火车受电弓发送激励信号，并通过至少一个所述传感器收集来自所述火车受电弓的响应信号。
其中，多个所述传感器通过环氧树脂、夹具、焊接、胶水或者螺钉安装到所述火车受电弓上。
其中，所述火车受电弓为高压火车受电弓，所述数据采集单元安装在火车受电弓上，所述数据处理单元安装在火车受电弓的低压位置处，所述数据采集单元和所述数据处理单元无线通信连接。
其中，还包括远程管理控制台，所述火车受电弓为高压火车受电弓，所述数据采集单元和所述数据处理单元被安装到所述火车受电弓上，并且所述数据处理单元与所述远程管理控制台无线通信连接。
其中，多个所述传感器包括压电传感器、加速传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、力传感器、扭矩传感器、振动传感器、光纤和应变片传感器。
其中，多个所述传感器和所述数据采集单元被集成为一个设备。
其中，所述数据采集单元和所述数据处理单元被集成为一个设备。
其中，多个所述传感器由所述数据采集单元供电。
其中，多个所述传感器、所述数据采集单元和所述数据处理单元中的至少一个由内置电池供电。
其中，所述内置电池由能量采集电路充电。
其中，当其检测到所述火车受电弓的结构损坏时发出警报。
其中，所述远程管理控制台通过网络向所述数据采集单元和所述处理单元发送控制指令并获取数据和火车受电弓的结构健康监测结果。
本发明具有如下优点：
本发明的火车受电弓的结构健康监测系统包括一个或多个安装或集成在火车受电弓上的传感器、一个用于接受所述传感器信号或数据的数据采集单元，以及一个基于所收集到的信号和数据来进行火车受电弓结构健康分析的数据处理单元；所述结构健康监测系统可以在火车运行时实时连续地执行或周期性执行检测，也可以在火车停止使用时离线执行检测。
所述火车受电弓结构健康监测系统的监测方式可以是被动式的，所述传感器收集信号而不对火车受电弓结构产生激励信号；监测方式也可以是主动式的，其中一些所述传感器被用作激励器，主动发送激励信号到火车受电弓结构和其他传感器，或者激励器本身收集结构响应信号；或者也可以采取主动式传感器和被动式传感器相结合的方式。所述数据采集单元从所述传感器接收信号或数据。在主动模式下，所述数据采集单元还向激励器发送激励信号。所述数据处理单元对所获取的传感器数据进行处理，以确定是否存在结构改变或损伤。
附图说明
图1是本发明的火车受电弓的结构健康监测系统的功能模块图。
图2是本发明的火车受电弓的结构健康监测系统的数据采集单元的功能模块图。
101-传感器；102-数据采集单元；103-数据处理单元；104-远程管理控制台；201-多路复用器；202-信号调节电路；203-a/d转换器；204-数字处理模块；205-数字信号转换器；206-激励模块；207-存储器模块；208-通信模块；209-多路复用器；210-电源。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本发明公开了一种火车受电弓的结构健康监测系统。
实施例1，如图1所示，所述火车受电弓的结构健康监测系统包括至少一个传感器101、数据采集单元102和数据处理单元103。
所述传感器101可以是一个激励器(即主动传感器)、一个接收器(即被动式传感器)或两者的组合。所述火车受电弓的结构健康监测系统可以在火车运行时连续或周期性地执行检查，也可以在火车停止使用时执行离线检查。
检查方法可以是被动式、主动式，或两者相结合。
在被动模式下，所述传感器101收集信号而不向结构产生激励信号。
在主动模式下，其中一些所述传感器101可以用作激励器主动向所述火车受电弓结构发送激励信号，而其它所述传感器101或激励器本身收集所述火车受电弓结构的响应信号。
所述数据采集单元102接收来自所述传感器101的信号或数据。
在主动模式下，所述数据采集单元102也向激励器发送激励信号。所述数据处理单元103处理由所述数据采集单元102所采集的所述传感器101的数据，并判断是否存在结构改变或损伤。
所述传感器101既可以安装在所述火车受电弓上，也可以直接作为所述火车受电弓的一部分内嵌其中；所述传感器101的安装方法包括用环氧树脂安装法，胶水安装法，焊接，螺丝安装法和夹子安装法。
所述传感器101具备不同的感测能力，所述传感器101可以是压电传感器、emat(电磁超声换能器)、加速器传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、光纤或应变仪传感器；所述传感器101也可以是具有不同传感能力的传感器组合，有些传感器也可以用作主动模式下的激励器。
所述传感器101、所述数据采集单元102和/或所述数据处理单元103可以是集成在一起的设备或分开的设备。
例如，所述数据采集单元102可以与一些所述传感器101集成为单个设备。作为另一个例子，所述数据采集单元102可以作为单个设备与所述数据处理单元103集成在一起。但是，当要处理的数据量巨大或需要某种复杂的数据处理算法(例如：人工智能、机器学习)时，可以使用远程(例如：基于云)更强大的所述处理单元103来代替。
实施例2
在实施例2中，所述火车受电弓的结构健康监测系统还包括一个远程管理控制台104，其用于向所述数据采集单元102和/或所述数据处理单元103发送指令以协调这些单元，并通过有线或无线网络从这些单元接收数据和/或结构健康诊断结果。所述远程管理控制台104可以安装在火车上或火车之外的控制中心处。
由于所述火车受电弓上的高电压，可能难以通过有线方式将安装在所述火车受电弓上的单元连接到装在火车的受电弓的结构健康监测系统其它单元。在这种情况下，将采用无线通信的方式。解决方案1是将所述传感器101和所述数据采集单元102安装到受电弓上，并将所述数据处理单元103安装在火车上的低电压位置，所述数据采集单元102与所述数据处理单元103进行无线通信。根据所述远程管理控制台104的位置来确定其和其他单元的是否采用无线的方式进行通信。
解决方案2是将所述传感器101，所述数据采集单元102和所述数据处理单元103全部安装到受电弓上，所述数据处理单元103与所述远程管理控制台104进行无线通信。
当设备是分开的装置时，所述数据采集单元102可以通过有线或无线方式连接到所述传感器101。
采取有线连接时，连接线可以但不限于屏蔽、非屏蔽、同轴电缆或双绞线、usb电缆、以太网电缆或其他连接线。
当采取无线连接时，无线模式可以但不限于zigbee、wi-fi或移动数据网络。
所述传感器101和所述数据采集单元102之间传输的信号或数据可以是模拟信号或数字信号。
类似地，当这些设备是分开的装置时，所述数据处理单元103可以通过有线或无线方式连接到所述数据采集单元102。
采用有线连接时，连接线可以但不限于usb电缆、以太网电缆、can、rs485或其他连接。
当采用无线连接时，无线模式可以但不限于zigbee、wi-fi、移动数据网络或其它无线网络。
如图2所示，所述数据采集单元102可以包括用于接收来自多个所述传感器101信号的多路复用器201、放大电平信号并滤除环境噪声干扰的信号调节电路202、将模拟信号转换成数字信号的a/d转换器203、通过数字滤波或特征提取来处理信号的数字处理模块204、将数字信号转换成模拟信号的数字信号转换器205、产生激励信号并将信号发送至激励器的激励模块206、存储数据的存储器模块207、通信模块208、用于从多个激励器中选择发送激励信号的多路复用器209，以及用于向上述各种组件供电的电源210。
注意，所述数据采集单元102可以有多种配置，其中某些组件是可选的。
实施例3
在实施例3中，所述通信模块208与远程控制中心连接，所述数据采集单元102可以从控制中心远程配置。此外，所述通信模块208还可以支持所述数据采集单元102与数字传感器之间的通信。这种通信可以通过usb、以太网、zigbee、can、wi-fi、移动数据网络或其他数字连接方法来实现。
实施例4
在实施例4中，所述数据采集单元102和所述数据处理单元103被集成为一个单独设备。在这种情况下，所述数据处理模块204可以由具备数据处理能力的数据处理单元103取代。
注意，根据选择哪个传感器或激励器接收信号或发送激励信号，多路复用器201和多路复用器209可以组合成一个多路复用器模块并由数据处理模块204控制。
实施例5
在实施例5中，所述传感器101是压电陶瓷传感器，并且使用超声波扫描来检查结构健康。所述数据采集单元102具有可以将激励信号发送到所述传感器101的激励模块。所述激励信号可以是脉冲、兰姆波信号或其他类型的信号。所述压电陶瓷传感器将电信号转换成穿过受电弓表面和内部的机械波。在一种情况下，用于传输的压电传感器以脉冲回波模式工作，其中传感器本身也拾取波的反射并将机械波转换回电信号。在另一种情况下，其他压电传感器拾取机械波形并将其转换回电信号。当存在结构损坏时，幅值、相位或频率等信号模式可能与受电弓正常状态时的模式不同。通过分析波形模式的变化，可以识别损伤的位置和大小。
实施例6
在实施例6中，所述传感器101是压电陶瓷传感器，并且使用振动监测来检查结构健康。在这种情况下，压电陶瓷传感器不需要激励模块。压电陶瓷传感器测量受电弓的振动、冲击和移动。当有异常时，零件的运动可能与正常情况有所不同。例如，在频域中，频率响应和幅度与正常情况不同。通过分析时域和频域的信号变化，可以识别损伤。
实施例7
在实施例7中，使用加速器和/或陀螺仪来测量受电弓关键部件的运动。通过分析正常工作状态和受损状态下的运动差异，可以识别结构损伤。
实施例8
在实施例8中，将应变仪安装到受电弓的框架上，以测量框架上的静态和/或动态应变。当存在缺陷时，框架在频率和幅度方面的静态和动态响应将改变。
实施例9
在实施例9中，将温度传感器安装到受电弓上以收集用于校准的环境信息。由于结构响应受温度影响，因此采用温度测量来获取不同温度水平下的结构响应，从而实现更准确的损伤检测。温度传感器类型可以但不限于电阻式温度检测器(rtd)、热电偶或基于半导体的传感器。
注意，可以将上述传感器中的一个或多个进行组合来对受电弓的进行全面的结构健康监测。
所述传感器101、所述数据采集单元102和/或所述数据处理单元103可各自内置电池。为确保设备自给自足，还可以添加一个能量收集电路，用于在火车运行时收集能量。可以通过使用压电传感器来收集能量，所述压电传感器将来自火车振动/运动的机械能转化为电能。
所述数据采集单元102和/或所述数据处理单元103可以包括存储模块，所述存储模块保存所获取的数据和处理结果。所述数据采集单元102和/或所述数据处理单元103可以包括用于网络连接的通信模块。通信连接可以但不限于usb、以太网、zigbee、can、wi-fi、移动数据网络或其他连接方法。
尽管已经公开本发明的具体实施例，但本领域的技术人员应当意识到，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以对具体实施例进行变动。因此，本发明的范围不限于具体实施例。所有这些变动和可选实施例及其等同物均由所附权利要求限定。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。