CN108458742A - 一种铁路接触网检测信号传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路接触网检测信号传输装置及方法，装置包括：信号调理装置、模数转换装置以及无线传输装置；信号调理装置，用于将接触网检测系统的传感器采集的原始检测信号进行滤波放大处理；模数转换装置，用于将处理后的检测信号转换为数字检测信号；无线传输装置，用于将所述数字检测信号转换为无线信号进行传输。本发明对检测信号进行调理以及模数转换，通过专用无线发送装置将硬件电路处理后的检测信号转换为无线信号由车顶发送到车内无线接收装置，有效地减小了信号间的串扰，并将设计的整套装置应用到检测列车上，检测装置工作稳定，检测数据可靠，完全满足检测的需求。

Description

一种铁路接触网检测信号传输装置及方法

技术领域

本发明涉及接触网检测技术，具体的讲是一种铁路接触网检测信号传输装置及方法。

背景技术

目前，安装在电气化铁路接触网检测车和高速综合检测列车上的接触网检测系统在功能、性能、以及系统重复性和准确性方面都达到了世界一流水平，在检测速度方面领先于其他国家，但是信号触网检测系统在高压信号采集传输工程化应用中，还存在一些问题。目前的技术方案存在高压放电，烧损通信光纤的安全隐患。安装于检测受电弓上的检测传感器和调理采集装置产生的检测数据处于25kV的高压区域，要传输至车内的零电位设备，为了防止高压接地短路，目前均采用高强度的绝缘光纤作为数据传输通道。

现有技术的传输光纤的封装有两种方式。一种为在受电弓基座上安装铝合金的电磁防护高压箱，并在箱内安装信号调理和采集电路板，把采集的模拟电信号分别转换为光信号，再采用通信光纤进行传输。采用与高速受电弓绝缘气管相同材质的绝缘套管作为外保护，爬电距离大于1400mm，多根通信光纤由其内部穿过，两端开口采用软性密封材料进行防水密封，再用防水绝缘胶带进行多层密封包裹。此方式的优点是安装方便、快捷，不需要在车顶焊接安装座，设备质量轻、体积小，机械安全隐患小，但对安装工艺要求极其严格，稍有疏忽就存在安全隐患，由于绝缘套管外绝缘污秽未及时清扫或内部进水、受潮，形成放电路径，在运行过程中，由于操作过电压、谐波振荡等因素，引起高压放电，烧损数据传输光纤，造成检测系统无法工作，严重时会引起接触网高压接地短路事故，导致接触网停电，整个供电臂上动车组无法行车，以及损坏动车组车顶板材。

另一种方式为在受电弓基座上安装铝合金的电磁防护高压箱，并在箱内安装信号调理和采集电路板，把采集的模拟电信号分别转换为光信号，再利用光信号隔离传输装置进行数据传输。采用户外环氧树脂做成带伞裙的绝缘子形状，把多根通信光纤通过其内部，在真空环境下进行高温浇注成型，使用光纤航空连接器作为上下两端通信端口，整个装置通过4个螺栓紧固在车顶安装座上。此种方式的优点是安全、可靠，电气性能优良，但是体积和质量较大，对烧注和防水密封工艺要求极高，内部不能形成气泡，不能进水、受潮。采用该放松，光信号隔离传输装置在安装过程中，由于光纤连接器连接位置防水处理不合格，长时间运行后，内部受潮，绝缘性能下降，逐步形成局部放电通路，造成通信光纤烧损，检测系统无法工作，严重时会引起接触网高压接地短路事故，导致接触网停电，整个供电臂上动车组无法行车，以及损坏动车组车顶板材。

发明内容

为满足更安全、更可靠的应用需求，提供一种新型的接触网检测信号传输装置，本发明实施例提供了一种铁路接触网检测信号传输装置，包括：信号调理装置、模数转换装置以及无线传输装置；其中，

所述的信号调理装置，用于将接触网检测系统的传感器采集的原始检测信号进行滤波放大处理；

所述模数转换装置，用于将处理后的检测信号转换为数字检测信号；

所述无线传输装置，用于将所述数字检测信号转换为无线信号进行传输。

本发明实施例中，所述的信号调理装置包括：16通道单端和16个模拟信号处理通道；

通过所述16通道单端接收传感器采集的原始检测信号，所述16个模拟信号处理通道对所述原始检测信号进行滤波放大处理。

本发明实施例中，所述的模拟信号处理通道包括：信号滤波电路和信号放大电路；

所述的信号滤波电路，用于对接收到的原始检测信号进行滤波剔除干扰；

所述的信号放大电路，用于对检测信号进行放大。

本发明实施例中，接触网检测信号传输装置还包括：电磁防护高压箱，所述电磁防护高压箱固定于接触网的受电弓基座，所述的信号调理装置、模数转换装置以及无线发送装置均设置于电磁防护高压箱。

本发明实施例中，所述的电磁防护高压箱为莫合金材料。

本发明实施例中，所述的信号调理装置滤波放大处理后的检测信号通过37针并口端口传输到模数转换装置。

本发明实施例中，所述的模数转换装置通过1000M端口RJ45将数字检测信号传输到无线传输装置。

本发明实施例中，所述的无线信号为5G无线信号。

本发明实施例中，接触网检测信号传输装置还包括：无线接收装置，设置于车厢内部，用于接收所述无线信号。

同时，本发明还提供一种铁路接触网检测信号传输方法，利用上述的铁路接触网检测信号传输装置进行接触网检测信号的传输，铁路接触网检测信号传输装置接收接触网检测系统传感器采集的原始检测信号，对原始检测信号进行滤波放大处理并转化为无线信号进行传输。

本发明提供了一种接触网检测技术，对检测信号进行调理以及模数转换，通过专用无线发送装置将硬件电路处理后的检测信号转换为5G无线信号由车顶发送到车内无线接收装置，本发明中的接触网检测信号无线传输，实现了检测信号从车顶采集到车内处理的全过程，有效地减小了信号间的串扰，并将设计的整套装置应用到检测列车上，检测装置工作稳定，检测数据可靠，完全满足检测的需求。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的铁路接触网检测信号传输装置的结构框图；

图2为本发明实施例的示意图；

图3为本发明实施例中信号调理电路的示意图；

图4为本发明实施例中采集处理电路的结构示意图；

图5为本发明实施例中1J85合金的峰值磁导率与频率的关系；

图6为本发明实施例中1J85合金在不同频率磁场下的磁化曲线；

图7为本发明实施例中屏蔽效果计算仿真结果；

图8为本发明实施例中屏蔽效果计算仿真结果；

图9为本发明实施例中屏蔽效果计算仿真结果；

图10为本发明实施例中屏蔽效果计算仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开一种铁路接触检测信号传输装置，如图1所示，为本发明公开的铁路接触网检测信号传输装置的结构框图，包括：信号调理装置101，模数转换装102以及无线传输装置103；

信号调理装置101，用于将接触网检测系统的传感器采集的原始检测信号进行滤波放大处理；

模数转换装置102，用于将处理后的检测信号转换为数字检测信号；

无线传输装置103，用于将所述数字检测信号转换为无线信号进行传输。

本发明公开的铁路接触检测信号传输装置将检测信号转换为无线信号传输到车厢内的无线接收装置，建立一个稳定的无线传输局域网络，可以达到稳定传输要求，并可避免电气化铁路的电磁干扰。

下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本实施例公开的电气化铁路接触网检测高压信号采集无线传输装置，其整体由电磁防护高压箱、信号调理采集电路组件、无线发送组件、无线接收组件四部份组成。信号调理采集电路组件、无线发送组件通过铝合金整体安装支架固定在电磁防护高压箱内，电磁防护高压箱通过安装支架固定在带25kV高压的受电弓基座位置，高压侧采集数据通过无线发送组件把采集的检测信号实时发送给车内的无线接收组件，在车顶高压侧和车内低压侧建立一个稳定的无线传输局域网络，经过反复随车测试，此局域网络的通信频率最终选用5GHz可以达到稳定传输要求，并可避免电气化铁路的电磁干扰。如图2所示，为本发明实施例的示意图。

本发明实施例中，信号采集处理电路组件主要由模拟信号放大电路、模拟信号程控滤波电路、阻抗匹配电路、A/D采集电路、光电转换电路等信号调理和数据采集电路组成。本实施例中，根据检测参数个数及考虑功能扩展，本实施例中，设计了16个模拟信号处理通道。

本实施例中信号调理电路组件中，具有16通道单端，有AC/DC耦合可选；具有程控增益控制并且有高增益(100，200，500，1000)，且每通道可单独设置增益；每通道都装有8阶低通抗混滤波器，其截止频率有32763种选择，范围从1.526Hz至10kHz，16通道可同时选择6种不同的截止频率；每通道提供4mA恒流源可选，适用于测量ICP型传感器。采用双层结构实现电路设计，本实施例中，整个采集处理电路的结构如图3所示。其中，DB9-RS232接口接口，用于在对调理电路组件进行调试时，输入模拟的检测信号。

本实施例中，采集处理电路组件底层主板完全为数字电路部分；上层主板采用四层板设计实现模拟信号电路功能，并且采用8通道为一组减小各通道之间的串扰。传感器的原始信号为模拟量，通过2组8通道的端口进入信号调理电路，对原始信号进行滤波放大，处理后的信号采用37针的并口端口输出到多路模拟转换开关，进行D/A转换采集将模拟信号转换为数字信号。另外，模拟电路与数字电路单独成板，二者之间只有信号传输转换，数字地与电源地完全隔离，这样电路板在设计以及布局上将模拟信号和数字信号分开，从而有效地减小了信号间的串扰。最后，将转换后的数字信号通过1000M端口RJ-45输出到无线发送组件，通过无线传输天线发送到车内的无线接收组件，再通过小型无线盒式控制器，把无线接收组件连接到组建的车内局域网络，最后通过工控机进行采集处理。电路板的布局上将模拟信号和数字信号分开从而有效地减小了信号间的串扰，整个采集处理电路的结构如图4所示。

本发明实施例中，弓网接触压力检测系统的压力传感器采集的信号为mV级的微信号，需要在高电压、大电流、强磁场的复杂环境中传输几米的距离，并且信号调理和采集电路都工作在此恶劣环境中，大电流在空间产生的电磁场辐射干扰、加载到检测设备上的静电场干扰、以及大电流产生的感应干扰都会对微信号产生足以淹没有用信号的干扰，使检测数据完全失真。

接触网为高压工频输电线路，动车组上大量非线性负载的应用使得电网中必然会产生大量高次谐波，通过仿真计算可知，数据处理单元(即数据信号采集电路组件、无线传输组件)工作环境中最大磁通密度约为0.64mT。

从上述分析可知，数据处理单元在实验室环境中可实现稳定数据采集和处理，但在频率f≤1KHz，最大磁通密度B约为0.64mT磁场环境中无法正常工作。为实现数据处理单元在低频电磁干扰下的稳定工作，一方面优化电路设计，降低数据处理单元电磁敏感性，提高数据处理单元电路抗电磁干扰能力，同时对数据处理单元进行电磁屏蔽，防止外界的电磁干扰信号进入数据处理单元，将外界电磁干扰降低至数据处理单元可以正常工作程度。北京地区地磁场磁通密度水平分量为0.03mT，垂直分量为0.04mT，总量为0.05mT，再考虑到一定的安全系数，确定此次电磁屏蔽目标是将频率f≤1KHz，最大磁通密度B约为0.64mT磁场降低到0.03mT以下，屏蔽系数S≥21，屏蔽效能SE≥26dB。此次的电磁干扰源是频率f≤1KHz以下的低频强磁场，要对0.64mT低频磁场进行近场屏蔽。

本实施例中，电磁防护高压箱材料的选择，数据处理单元需要屏蔽的磁场频率主要集中在1KHz以下，以50Hz、150Hz、250Hz和350Hz为主。与常规高频电磁屏蔽相比，低频磁场屏蔽难度更大，该频率段的电磁屏蔽主要是通过高导磁材料形成的磁路进行屏蔽，因此必须选用高导磁的金属软磁材料才能满足屏蔽需求。常用低频磁场屏蔽金属软磁材料主要有纯铁、铁硅合金、铁铝合金、铁钴合金、坡莫合金以及非晶纳米晶等材料。

数据处理单元工作环境中最大的磁通密度为0.64mT，磁通密度较低，因此，本发明实施例中选用的材料必须满足在较低磁通密度情况实现较高的屏蔽效能。而在上述提及的材料中，坡莫合金以及非晶纳米晶材料无论从初始磁导率还是最大磁导率均远优于其它材料，但非晶纳米晶材料是带材，无法实现加工，因此从保证屏蔽效果和易于加工角度出发，本实施例选定坡莫合金系列。

坡莫合金包括磁感应强度、高初始磁导率、恒磁导率等软磁合金，以及矩磁合金和高硬度、高电阻、高磁导率等软磁合金。在前面分析可知，经过电磁屏蔽后数据处理单元工作区内磁感应强度应小于0.03mT，屏蔽系数大于21，因此我们选定材料必须具有高初始磁导率，低矫顽力。高初始磁导率软磁合金分为1J76、1J77、1J79、1J80、1J85、1J86等牌号。

1J85初始磁导率μ0≥69mH/m，最大磁导率μm≥325mH/m，矫顽力HC≤0.7A/m均非常优异，饱和值Bs≥0.7T满足要求。图5为1J85合金的峰值磁导率与频率的关系，图6为1J85合金在不同频率磁场下的磁化曲线，在静磁场下1J85合金的峰值磁导率＞60mH/m，随着频率增加不断下降，但在频率f＝10KHz下仍大于2mH/m，其矫顽力小于1.5A/m，可满足使用需求。

本发明实施例中，数据处理单元工作环境的最大磁感应强度为0.64mT，为满足数据处理单元正常工作屏蔽后磁通密度应小于0.03mT。低频电磁屏蔽效果取决于下列因素：电磁环境、材料电磁性能、电磁屏蔽结构、材料厚度等。其它方面均已确定的情况下，材料厚度影响数据处理单元最终的电磁屏蔽效能，材料的厚度越厚电磁屏蔽效能越高，但会带来成本、安装、携带等一系列问题，因此必须选择适宜的材料厚度。在正式制备数据处理单元电磁屏蔽装置以前，采用对数据处理单元电磁屏蔽进行了仿真分析。

常用的电磁屏蔽理论有：(1)感应涡流理论；(2)电磁场理论；(3)传输线理论。其中电磁场理论是分析电磁屏蔽原理和计算屏蔽效能的经典学说，由于电磁场的边界问题，分析复杂求解繁琐，但随着计算机的广泛应用以及日益强大，通过有限元进行电磁仿真得到越来越多的应用。本次采用有限元对数据处理单元电磁屏蔽装置磁场进行仿真分析。

当材料厚度为1mm时，数据处理单元电磁屏蔽装置在外场为0.64mT磁场下的屏蔽效果计算仿真结果如图7、图8所示。

当材料厚度为2mm时，数据处理单元电磁屏蔽装置在外场为0.64mT磁场下的屏蔽效果计算仿真结果如图9、图10所示。

本发明实施例中，经过大量的随车动态试验，能在300km/h速度下，稳定无线传输的组件最终选用华为发布的最新一代802.11ac Wave 1轨道交通无线传输组件AP9131DN作为无线发送装置，AP9132DN作为无线接收装置，选用5G频段，最大传输速率可过1.3Gbps，车顶外置天线发送端朝向车顶，车内外置天线接收端朝向车顶并与车顶天线在同一垂直面内。

车内采用华为公司的AC6005-8-PWR型小型盒式无线接入控制器(Accesscontroller)，最大可管理256个AP，同时集成千兆以太网交换机功能，实现有线无线一体化的接入方式。可灵活配置无线接入为的管理数量，具有良好的可扩展性，与AP9132DN组成无线局域网络，可覆盖一个车厢内车顶、车内、车下所有设备。

本装置整体由电磁防护高压箱、信号调理采集电路组件、无线发送组件、无线接收组件四部份组成，信号调理采集电路组件、无线传输组件通过铝合金整体安装支架固定在电磁防护高压箱内，电磁防护高压箱通过安装支架固定在带25kV高压的受电弓基座位置，高压侧采集数据通过无线发送组件把采集的传感器原始信号实时发送给车内的无线接收组件，在车顶高压侧和车内低压侧建立一个稳定的无线传输局域网络，经过反复随车测试，此局域网络的通信频率最终选用5GHz可以达到稳定传输要求，并可避免电气化铁路的电磁干扰。

同时，本发明还提供一种铁路接触网检测信号传输方法，利用上述的铁路接触网检测信号传输装置进行接触网检测信号的传输，其实施方式，根据前述的接触网检测信号传输装置可知，在此，不再赘述。

本发明实施例提供了一种接触网检测技术，给出一种检测信号无线传输方案，以检测信号传输中的变换过程为载体，设计了对检测信号处理的硬件电路，对检测信号进行调理以及模数转换，通过专用无线发送装置将硬件电路处理后的检测信号转换为5G无线信号由车顶发送到车内无线接收装置，最终将检测信号传输到接触网检测系统数据处理工控机，进行检测数据的分析与处理。本发明实施例中还设计了一种电磁防护高压箱，材料采用坡莫合金，该种高压箱具有高初始磁导率，低矫顽力、高硬度以及高电阻，保证了安装在其内部的硬件处理电路正常工作，极大地降低了高压侧对检测信号的影响。以本发明中的接触网检测信号无线传输技术为基础，实现了检测信号从车顶采集到车内处理的全过程，并将设计的整套装置应用到检测列车上，检测装置工作稳定，检测数据可靠，完全满足检测的需求

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的装置包括：信号调理装置、模数转换装置以及无线传输装置；其中，

所述的信号调理装置，用于将接触网检测系统的传感器采集的原始检测信号进行滤波放大处理；

所述模数转换装置，用于将处理后的检测信号转换为数字检测信号；

所述无线传输装置，用于将所述数字检测信号转换为无线信号进行传输。

2.如权利要求1所述的铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的信号调理装置包括：16通道单端和16个模拟信号处理通道；

通过所述16通道单端接收传感器采集的原始检测信号，所述16个模拟信号处理通道对所述原始检测信号进行滤波放大处理。

3.如权利要求2所述的铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的模拟信号处理通道包括：信号滤波电路和信号放大电路；

所述的信号滤波电路，用于对接收到的原始检测信号进行滤波剔除干扰；

所述的信号放大电路，用于对检测信号进行放大。

4.如权利要求1所述的铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的铁路接触网检测信号传输装置还包括：电磁防护高压箱，所述电磁防护高压箱固定于接触网的受电弓基座，所述的信号调理装置、模数转换装置以及无线发送装置均设置于电磁防护高压箱。

5.如权利要求4所述的铁路接触网检测信号传输装置，所述的电磁防护高压箱为莫合金材料。

6.如权利要求2所述的铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的信号调理装置滤波放大处理后的检测信号通过37针并口端口传输到模数转换装置。

7.如权利要求1所述的铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的模数转换装置通过1000M端口RJ45将数字检测信号传输到无线传输装置。

8.如权利要求1所述的铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的无线信号为5G无线信号。

9.如权利要求1所述的铁路接触网检测信号传输装置，其特征在于，所述的铁路接触网检测信号传输装置还包括：

无线接收装置，设置于车厢内部，用于接收所述无线信号。

10.一种铁路接触网检测信号传输方法，其特征在于，所述的方法利用权利要求1-9中的铁路接触网检测信号传输装置进行接触网检测信号的传输；

所述的铁路接触网检测信号传输装置接收接触网检测系统传感器采集的原始检测信号，对原始检测信号进行滤波放大处理并转化为无线信号进行传输。