CN104237710B - 基于传感器的受电弓特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传感器的受电弓特性测试装置，该装置包括传感部、无线通信单元和上位机；所述传感部置于被测双臂受电弓滑板上，该装置为左右对称的两部分，中间为手柄，手柄下端安装有红外传感器；该装置的两侧安装有滑动式可折叠支臂，通过可折叠支臂固定在受电弓滑板上；支臂上设有超声波测距传感器；该装置顶端的手柄两侧设有与接触网接触的下凹沟道，该装置的底部平坦，安装有探针式阵列压力传感器；该装置内部设有与底板平行的三维加速度传感器，该装置内部还设有温度传感器；无线通信单元与各个传感器连接，将获取的传感器数据发送给上位机，上位机对传感器数据进行处理，并进行预判。

Description

基于传感器的受电弓特性测试装置

技术领域

本发明涉及受电弓特性测试装置，尤其涉及一种基于传感器的受电弓特性测试装置。

背景技术

受电弓为电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在机车或动车车顶上，负荷电流通过接触网和受电弓滑板接触获取，滑板与接触网间的接触压力、接触电阻、接触面积直接影响负荷电流的正常工作。在使用过程中接触压力不可过大或过小，否则增加机械磨耗或离线率；因此，受电弓的日常维护是机车维护的重要内容，如受电弓的接触压力、滑板磨损程度，以及滑板的水平度等。

受电弓受机车控制指令执行升弓和降弓操作，由气动控制，要求受电弓匀速上升或下降，在上升接近接触线时有一缓慢停滞，然后迅速接触接触线，而下降时，要求克服升弓弹簧的作用力，使受电弓迅速下降，脱离接触网。这就是受电弓特性，也是受电弓日常维护的重要内容。

目前，受电弓的检测维护依然依靠卡尺、秒表等人工操作，存在较大的人为因素的影响，数据可靠性差，无法直观反映受电弓特性。部分有一定自动化程度的检测装置结构复杂，操作繁琐，不便于携带，并且滑板磨损程度与水平度等参数难以测量，尚没有测量受电弓的高度-受力-时间的特性测试，以及滑板磨损程度与水平度的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有技术无法实现对受电弓特性及其滑板磨损自动检测的缺陷，提供一种通过传感器技术检测受电弓全部参数的智能检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于传感器的受电弓特性测试装置，该装置包括传感部、无线通信单元和上位机；

所述传感部置于被测双臂受电弓滑板上，该装置为左右对称的两部分，中间为手柄，手柄下端安装有红外传感器；该装置的两侧安装有滑动式可折叠支臂，通过可折叠支臂固定在受电弓滑板上；支臂上设有超声波测距传感器，在测量时，超声波测距传感器发送接收超声波的方向与受电弓底板垂直；

该装置顶端的手柄两侧设有与接触网接触的下凹沟道，该装置的底部平坦，安装有探针式阵列压力传感器；该装置内部设有与底板平行的三维加速度传感器，该装置内部还设有温度传感器；

所述无线通信单元与各个传感器连接，将获取的传感器数据发送给上位机，上位机对传感器数据进行处理，并进行预判。

本发明所述的装置中，所述可折叠支臂在收起状态时，置于该装置顶部；测试时，通过装置侧面设置的磁铁固定。

本发明所述的装置中，探针式阵列压力传感器包括压敏电阻和探针，压敏电阻固定在一基底上，与弹簧相连，弹簧下端与探针固定连接，探针穿过一固定底板，探针的底部形状为纺锤体。

本发明所述的装置中，所述超声波测距传感器为收发一体化超声波传感器。

本发明所述的装置中，该装置还设有USB充电接口。

本发明所述的装置中，手柄下端安装有4个红外传感器，依次向机车顶部发出红外脉冲，红外传感器接收机车顶部反射的红外脉冲，利用红外脉冲的发送与接收时间差测量升弓高度与时间的关系，即受电弓的升弓特性；同时三维加速度传感器记录滑板的加速度变化，依此获得滑板的升弓高度-受力-时间特性。

本发明产生的有益效果是：本发明为独立的测试装置，体积小、重量轻，便于携带与操作，可减轻人工劳动强度，提高工作效率和数据可靠性，可完整测量受电弓的升弓/降弓过程的高度-受力-时间特性曲线，此外，测量数据包括压力、测距与水平度，可准确校正测量数据，并可指导受电弓滑板的安装与维护。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于传感器的受电弓特性测试装置的结构图；

图2是本发明的电路框图；

图3 是本发明的探针式阵列压力传感器的结构图；

图4是本发明的红外测距电路图；

图5是本发明的超声波测距电路图；

图6是本发明的水平度测量的电路图；

图7是本发明的温度传感器电路、USB充电电路电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于传感器的受电弓特性测试装置，该装置包括传感部、无线通信单元和上位机；

传感部置于被测双臂受电弓滑板上，如图1所示，该装置为左右对称的两部分，中间为手柄3，手柄3下端安装有红外传感器2，测量受电弓距离机车车顶的高度；该装置的两侧安装有滑动式可折叠支臂7，通过可折叠支臂7固定在受电弓滑板上；支臂7上设有超声波测距传感器8，测量滑板厚度。在测量时，超声波测距传感器8发送接收超声波的方向与受电弓底板垂直；

该装置顶端的手柄两侧设有与接触网接触的下凹沟道，该装置的底部平坦，可减小该测量装置高度对静态压力的影响，底部安装有探针式阵列压力传感器5，用于检测受电弓滑板表面的平面度，用于判决磨损情况；该装置内部设有与底板平行的三维加速度传感器1，用于检测和校准滑板的水平度、以及受电弓上升或下降时的加速度变化，结合高度的变化，推导受电弓的受力-高度特性等，该装置内部还设有温度传感器6。

无线通信单元与各个传感器连接，将获取的传感器数据发送给上位机，上位机对传感器数据进行处理，并进行预判。

在机车控制室发出升弓指令前，将该装置固定在受电弓滑板中间位置上，发出升弓请求指令。

在升弓过程中，装置中间位置配置的4个红外传感器2依次向机车顶部发出红外脉冲，红外传感器2接收机车顶部反射的红外脉冲，利用红外脉冲的发送与接收时间差测量升弓高度与时间的关系，即受电弓的升弓特性；同时三维加速度传感器1记录滑板的加速度变化，可依此获得滑板的升弓高度-受力-时间特性。

当受电弓与接触网接触时，受电弓停止上升，此时其接触压力将传导到探针式阵列压力传感器5上，其增加的平均压力即为受电弓滑板与接触网的静态接触压力。

当受电弓脱离与接触网接触时，受电弓开始下降，依然利用配置的红外传感器2向机车顶部发出红外脉冲，红外传感器4接收机车顶部反射的红外脉冲，利用红外脉冲的发送与接收时间差测量受电弓高度与时间的关系，即受电弓的降弓特性；同时三维加速度传感器1记录滑板的加速度变化，可依此获得滑板的降弓高度-受力-时间特性。

当受电弓特性测试完毕后，测量受电弓滑板性能。

此时，受电弓脱离与接触网接触，可由手柄3控制该装置在受电弓滑板上滑动检测，手柄3水平用力滑动，探针式阵列压力传感器5检测受电弓滑板表面每一点的压力，由此判断滑板的平面度与局部磨损状况，同时在装置的两端装备有可折叠支臂7的2个超声波测距传感器8，测量受电弓滑板的底端与传感器的距离，计算滑板的厚度，判断滑板的整体磨损情况；

在受电弓上升或下降过程中，以及与接触线接触后，检测装置内置的2个三维加速度传感器1检测三维加速度的变化，检测受电弓滑板的水平程度。

由于机车顶部并非理想的平整，红外测距检测存在一定的误差，本发明结合三维加速度传感器1检测受电弓滑板的水平程度进行测距高度的校正，也可用于现场校准受电弓滑板的水平位置。

在测试过程中，红外测距精度受到温度的影响，装置配有温度传感器6测量环境温度，补偿红外测距的误差。

该装置的微处理器可现场处理所测数据，并进行判决报警，也可以通过无线通信单元发送给上位机进一步处理和记录保存。

本发明的压力测量原理与校准如下：

（1）在该测试装置出厂校准时，将该装置置于标准平板上，处于静态。测试装置的自身重量将导致探针式阵列压力传感器产生压力指示，对每一支探针的测量值进行压力与探针位移的标定，全部探针测量的压力均值作为自重。此时三维加速度传感器的Z轴指向地心，X、Y轴方向分量为零。

（2）当该测试装置置于受电弓滑板上时，由于滑板的不规则磨损，每一支探针承担的压力不同。如被磨损部位由于下凹，使得探针下移，承担的压力减小，而上凸处探针承担的压力要增大，其均值仍为装置的自重，压力减小的探针可以根据探针压力变化计算位移的大小，压力增大的探针也可以计算出位移的大小，两者的位移差值可近似为磨损程度。

（3）在受电弓上升或下降过程中，红外传感器实时检测受电弓的高度与时间的关系，同时，由于运动速率的不规则性，导致加速度的变化，在力学特性上表现为探针位移的变化。如上升加速时，检测装置受到向上的推举力，根据阵列压力传感器检测的压力变化，可以推导出受电弓上升或下降时的高度-推举力-时间的关系。

（4）当受电弓滑板与接触网接触时，接触网与滑板存在接触压力。该压力的大小将传导到探针阵列压力传感器上，检测压力的变化为静态接触压力。

（5）将侧面支架放下，当测试设备在受电弓滑板上滑行时，检测滑板的磨损情况，按照（2）的操作，把测试装置从滑板的左边滑行到右边进行检测，分析滑板的平面度与磨损状况评估。同时，处于侧边下方的超声波传感器检测传感器探测点到受电弓底端的距离，同时根据探针式压力传感器所测量的压力，推导探针的平均位移大小，以及支架的固定高度，由这三个参数计算当前测量点位置滑板的厚度，由此判断平均磨损程度。

如图2所示，本发明测试装置的电气组成包括微处理器（或者上位机）、无线通信单元、液晶显示与报警装置、电池与USB充电电路等，这里可选用低功耗的MSP430F149，内含8通道16bit的ADC，48路I/O，2个16位计数器。

图3是本发明的探针式阵列压力传感器的结构图与压力检测电路；图中13为压敏电阻，固定在基底14上，且与弹簧15相连，弹簧15下端与探针16固定连接，并穿过位置固定底版17，探针底部18的形状如图3所示，为纺锤体，便于探针在滑板上滑动。

受电弓滑板的平面度检测1即滑板的磨损程度检测，如图3所示，阵列压力传感器为压敏电阻阵列，由微处理器控制扫描每一行、每一列的探针的接触压力，输出的电压大小与探针的压力成线性关系，而探针的接触压力大小也反映了滑板上的磨损程度，可选择微处理器为MSP430F149,多路选择器选用ADG1606，放大器选择OP27,ADC选用MSP430F149内部的16bit的ADC。

图4是本发明的红外测距电路图，在本发明的一个实施例中，受电弓滑板高度采用红外传感器检测，检测电路采用一体化红外接收传感器，所发送的红外信号经过机车顶部反射回接收端，通过发送与接收红外的时间差计算受电弓滑板的高度。

受电弓滑板高度检测电路主要由定时发送红外和接收红外电路组成，根据接收红外的强度测量受电弓滑板距离机车顶部的高度，如图4所示，多谐振荡器电路NE555产生40kHz的方波，输出至红外发送探头a，发送探头a垂直面向机车顶部发送，经过机车顶部反射，由红外接收探头b接收，接收的信号送给专用模块CX20106作信号处理，输出脉冲信号。多谐振荡器NE555的工作状态由微处理器MSP430F149的P5.0控制，P5.0为高电平时，NE555输出方波，P5.0为低电平时，NE555停止工作。红外接收探头b及专用模块CX20106输出的信号与微处理器的控制信号有红外发送与返回的时间差，根据该时间差计算收发探头与机车顶部的距离。

高度H与时间差的关系为

式中，波速C为电磁波传播速率。

红外测距的可靠距离为0.2m～15m ，精度可达到1mm。

图5是本发明的超声波测距电路图；在本发明的一个实施例中，受电弓滑板厚度采用超声波测距传感器检测，检测电路采用收发一体化超声波传感器，所发送的超声波信号经过受电弓滑板底部反射回接收端，通过发送与接收超声波脉冲的时间差计算受电弓滑板底部与超声波探头的距离，并根据安装超声波探头的位置与该装置的探针平面的距离，两者的差为受电弓滑板的厚度。

受电弓滑板厚度检测电路主要由定时发送超声波信号和超声波接收电路组成，根据接收超声波信号往返的时间差测量受电弓滑板底部与超声波探头的距离，如图5所示，多谐振荡器电路NE555产生40kHz的方波，输出至超声波发送探头a，发送探头a垂直面向受电弓滑板地板发送，经过受电弓滑板地板反射，由超声波接收二极管b接收，接收的信号送给专用模块CX20106作信号处理，输出脉冲信号。多谐振荡器NE555的工作状态由微处理器MSP430F149的P5.2控制，P5.2为高电平时，NE555输出方波，P5.2为低电平时，NE555停止工作。超声波接收二极管b及专用模块CX20106输出的信号与微处理器的控制信号有超声波信号发送与返回的时间差，根据该时间差计算收发探头与受电弓滑板底部的距离。

高度H与时间差的关系为

式中，波速C与传播环境温度的关系为

式中，为零度时声波的传播速度332m/s，T为实际温度。

超声波测距的可靠距离为20mm～150mm ，精度可达到0.2mm。

本发明中，利用温度对超声波测距进行补偿，这里可采用温度传感器DS18B20测量环境温度。

图6是本发明的水平度测量的电路图；这里选用三维加速度传感器1为数字式三维加速度传感器MMA7455L，微处理器MSP430F149可读取加速度传感器的三轴加速度值。将该加速度传感器安装于电路板上，与被测的受电弓平面平行，其Z轴指向重力加速度方向。当受电弓倾斜时，重力加速度将分解在X、Y、Z轴方向上，因此测量受电弓上升或下降时的三维加速度变化，可判断电弓平面的倾斜程度，根据加速度、速度、力与质量的关系，可以推导受电弓在上升/下降过程中垂直方向上的受力变化。

本发明的实施例中，温度检测装置采用数字化温度传感器，微处理器通过与数字化温度传感器连接的端口采集温度信息。如图7所示，温度检测装置采用DS18B20数字化温度传感器，微处理器MSP430F149的端口P4.0(PIN36)采集温度信息。同时，MINI USB接口提供的+5V电源，经过充电控制器LTC4054给可充电电池（锂电池）充电，并由电池提供本装置所需工作电压和电流，同时电池电压经过电阻和 分压，由微处理器MSP430F149的内置模数转换ADC1转换，端口为P6.0(PIN59)。

本发明装置在面板上安装有液晶显示屏和声光报警器，液晶显示依据测量数据获得的受电弓特性曲线和关键参数，所测量的数据经过处理，与规范参数进行比较，超过规范要求的参数将给予声光报警，提示操作员进行现场判断，或进行重复测量，或判断受电弓及滑板存在故障，需要进一步处理；本装置配有无线通信单元，将测量的数据及时发送给上位机进行处理和存储。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于传感器的受电弓特性测试装置，其特征在于，该装置包括传感部、无线通信单元和上位机；

所述传感部置于被测双臂受电弓滑板上，该装置为左右对称的两部分，中间为手柄，手柄下端安装有红外传感器；该装置的两侧安装有滑动式可折叠支臂，通过可折叠支臂固定在受电弓滑板上；支臂上设有超声波测距传感器，在测量时，超声波测距传感器发送接收超声波的方向与受电弓底板垂直；

该装置顶端的手柄两侧设有与接触网接触的下凹沟道，该装置的底部平坦，安装有探针式阵列压力传感器；该装置内部设有与底板平行的三维加速度传感器，该装置内部还设有温度传感器；

所述无线通信单元与各个传感器连接，将获取的传感器数据发送给上位机，上位机对传感器数据进行处理，并进行预判。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可折叠支臂在收起状态时，置于该装置顶部；测试时，通过装置侧面设置的磁铁固定。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，探针式阵列压力传感器包括压敏电阻和探针，压敏电阻固定在一基底上，与弹簧相连，弹簧下端与探针固定连接，探针穿过一固定底板，探针的底部形状为纺锤体。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波测距传感器为收发一体化超声波传感器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还设有USB充电接口。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，手柄下端安装有4个红外传感器，依次向机车顶部发出红外脉冲，红外传感器接收机车顶部反射的红外脉冲，利用红外脉冲的发送与接收时间差测量升弓高度与时间的关系，即受电弓的升弓特性；同时三维加速度传感器记录滑板的加速度变化，依此获得滑板的升弓高度-受力-时间特性。