CN108844667B - 用于测量弓网压力的光学mems压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器，其中，所述的光学MEMS压力传感器包括光学MEMS光纤F‑P压力敏感片、外壳以及导波光纤；所述的导波光纤穿过所述的外壳与所述的光学MEMS光纤F‑P压力敏感片相连接。采用该种结构的光学MEMS压力传感器可以在不改变现有受电弓结构的构架前提下，将该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器集成在受电弓弹簧筒上，测量列车运行时接触网和受电弓之间的实时压力值，测量过程中不受外部的电磁干扰，测量的准确度高，且成本较低，适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及检测领域，尤其涉及压力实时监测技术领域，具体是指一种用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器。
背景技术
光学MEMS传感技术是21世界前十年逐步兴起、发展和成熟的技术，其融合了光学技术及MEMS(微机电)技术，使传统光学传感提升到参数可调的“动态微光传感”的技术，拥有该技术的传感器具有体积小、质量轻、易安装、高灵敏度、动态响应、无源测量、抗电磁干扰等优点。
而轨道交通譬如高速铁路及城市地铁已经成为人们出行的主要交通工具，人群密集型出行为轨道交通行业的运营安全带去严重的挑战，其中，良好的接触网和受电弓之间的受流关系是重中之重。接触网和受电弓之间的压力过大会出现弓拉断网或网撞飞弓的事故，而压力过小则会出现受电弓受流不良及弓网间的拉弧等现象，因此，在列车行进过程中，受电弓和接触网之间必须存在合理的接触力，受电弓才能安全地把电流从接触网引入车体内的牵引变流系统中，从而为列车提供持续有效的动力。
然而，轨道交通行业中的高电压受流技术，导致了传统的电子电气类传感器由于受电磁干扰的局限性而不能胜任测量列车运行时的动态弓网间压力，因此，只能运用接触式的光学导波传感技术才能实时在线测量弓网间的压力值。
目前，有用FBG(光纤布拉格光栅)传感器铺设在碳滑板和其支架之间去测量行车时弓网间压力的技术，但由于碳滑板属于磨损部件，在每次新装或更换滑板时，均需将碳滑板从其支架拆卸下来再进行传感器预埋处理，其工期较长、成本较高、不能批量生产。
另外，由于接触网和受电弓之间摩擦时产生的热能同时传递给FBG传感器，从而使回光的不规则温度信号叠加在压力信号上，从而导致所测压力不准确、不精确，故该测量技术并不适用于运营车辆的受电弓在线测量弓网间的压力值。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种在不改变现有受电弓结构的情况下，不受电磁干扰的、用于测量列车运行时接触网和受电弓之间实时压力值的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器。
为了实现上述目的或者其他目的，本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器具有如下构成：
该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器，其主要特点是，所述的光学MEMS压力传感器包括光学MEMS光纤F-P压力敏感片、外壳以及导波光纤；
所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片设于所述的外壳的腔体内，所述的导波光纤穿过所述的外壳与所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片相连接。
较佳地，所述的外壳的腔体内填充液相硅油，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片浸在所述的液相硅油中。
更佳地，所述的外壳为环形腔结构，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片为形状与所述的外壳相匹配的环形结构。
进一步地，所述的外壳的尺寸与位于待测量的弓网中的受电弓中的弹簧筒的尺寸相匹配，所述的光学MEMS压力传感器设于所述的弹簧筒中，且所述的弹簧筒的阻尼机构可从所述的外壳的内圈处穿过。
进一步地，所述的外壳的腔体内有工字槽，该光学MEMS压力传感器还包括两圈O型密封圈，两圈所述的O型密封圈分别对应的箍套在所述的工字槽中内，用于防止所述的液相硅油泄露。
较佳地，所述的外壳上还套设有压力密封环，该压力密封环用于封闭所述的外壳的腔体，且该压力密封环还起到均匀传导外部压力的作用。
较佳地，所述的光学MEMS压力传感器还包括光纤堵头，该光纤堵头设于所述的外壳上，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片和导波光纤通过该光纤堵头相连接。
该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器，包括光学MEMS光纤F-P压力敏感片、外壳以及导波光纤，光学MEMS光纤F-P压力敏感片设于所述的外壳的腔体内，所述的导波光纤穿过所述的外壳与所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片相连接，通过这种结构可以在不改变现有受电弓结构的构架前提下，将该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器集成在受电弓弹簧筒上，测量列车运行时接触网和受电弓之间的实时压力值，测量过程中不受外部的电磁干扰，测量的准确度高，且成本较低，适用性强。
附图说明
图1为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器的外观示意图。
图2为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器的结构示意图。
图3为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器安装于弹簧筒内的第一视角示意图。
图4为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器安装于弹簧筒内的第二视角示意图。
附图标记
1 压力密封环
2 O型密封圈
3 外壳
4 光学MEMS光纤F-P压力敏感片
5 光纤堵头
6 导波光纤
7 用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器
8 弹簧筒
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明公开了一种用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7，其中，所述的光学MEMS压力传感器包括光学MEMS光纤F-P压力敏感片4、外壳3以及导波光纤6；
所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片4设于所述的外壳3的腔体内，所述的导波光纤6穿过所述的外壳3与所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片4相连接。
所述的外壳3的腔体内填充液相硅油，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片4浸在所述的液相硅油中
所述的外壳3为环形腔结构，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片4为形状与所述的外壳3相匹配的环形结构。
所述的外壳3的尺寸与位于待测量的弓网中的受电弓中的弹簧筒8的尺寸相匹配，所述的光学MEMS压力传感器设于所述的弹簧筒8中，且所述的弹簧筒8的阻尼机构可从所述的外壳3的内圈处穿过。
所述的外壳3的腔体内有工字槽，该光学MEMS压力传感器还包括两圈O型密封圈2，两圈所述的O型密封圈2分别对应的箍套在所述的工字槽中内，用于防止所述的液相硅油泄露。
所述的外壳3上还套设有压力密封环1，该压力密封环1用于封闭所述的外壳3的腔体，且该压力密封环1还起到均匀传导外部压力的作用。
所述的光学MEMS压力传感器还包括光纤堵头5，该光纤堵头5设于所述的外壳3上，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片4和导波光纤6通过该光纤堵头5相连接。
其结构如图1、2所示，图1为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7的外观示意图；图2为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7的结构示意图。
在该实施例中，本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7将属于光学MEMS传感领域的光学MEMS压力传感器应用于轨道交通行业，将该光学MEMS压力传感器嵌置在受电弓弹簧筒8内，用于测量接触网和受电弓之间动态压力。本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7解决了现有技术中客观存在的问题，是一种基于非磨损部件预埋处理的接触式光导波传感器的技术。
在该实施例中，本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7在不改变现有受电弓结构的构架为前提下，用一种抗电磁干扰的接触式光学MEMS器件集成在受电弓弹簧筒8上，去测量列车运行时接触网和受电弓之间的实时压力值。
该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7的原理如下：
本发明所涉及的高精度光学压力传感器利用的是法布里－珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉腔，将压力变化转换为高精度光学压力传感器内部F-P压力敏感腔的腔长变化。F-P压力敏感腔由具有一定反射率的两个平行平面组成，光束在其间多次反射构成多光束干涉，在压力作用下，F-P腔长发生相应变化，使入射光被调制。通过解调由光纤导出的含有压力信息的光输出信号，就可以获取压力值。而光学MEMS光纤F-P压传感器是利用光学MEMS光纤F-P压力传感器反射的光学频谱对压力敏感的特性，通过光纤调制解调仪内部各功能模块完成对光学MEMS光纤F-P压力传感器的输入光源探测与输出光学频谱的变化量分析及压力换算，以数字方式给出各监测点的压值信息。
本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7主要由光学MEMS光纤F-P压力敏感片4、适合受电弓弹簧筒8内部结构的密封壳体以及导波光纤6三部分组成，在上述实施例中，本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7，具体包括了压力密封环1、两个O型密封环、外壳3、光学MEMS光纤F-P压力敏感片4、光纤堵以及导波光纤6；
其中，所述的压力密封环1，起到封闭光学MEMS压力传感器的腔体的作用，同时，还起到均匀传导压力的作用；
两个所述的O型密封圈2，分别对应的平行箍套在腔体内部工字槽的对应位置上，用于防止硅漏出，两个所述的O型密封圈2的内径尺寸可以是不同的，与腔体内部的工字槽的尺寸相匹配即可；
外壳3(即压力传感器的外壳)，该外壳为圆环结构，以便适应受电弓弹簧筒8的内部阻尼构造，该外壳的环形腔内填充硅油；
光学MEMS光纤F-P压力敏感片4，与所述的外壳的形状相匹配，为环形腔结构，该光学MEMS光纤F-P压力敏感片4放置于外壳内，并浸在液相硅油中；
光纤堵头5，用于连接光学MEMS光纤F-P压力敏感片4，并引出所述的导波光纤6，起到对导波光纤6的保护作用；
导波光纤6，用于把探测光源导入置于外壳的环腔内的光学MEMS光纤F-P压力敏感片4，同时，把携带压力变化的光信号通过导波光纤6传递给调制解调仪。
本实施例中的光学MEMS压力传感器的结构为环形腔结构，该结构的设计要求是适应受电弓弹簧筒8的内部构造，弹簧筒8的阻尼机构可以从环中套过。其工作基本原理是，压力密封环1经弹簧筒8传递来自于接触网和受电弓之间的动态压力给光学MEMS光纤F-P压力敏感片4，引起F-P腔的腔长变化，从而导致经调制的谐振波长的偏移量来测量压力值。而腔内注入液态硅油的目的是使压力通过硅油均匀地传递给光学MEMS光纤F-P压力敏感片4，这样使测到的压力值更精确。
该实施例中的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7具有如下优点：
(1)对于轨道交通上较高的受流电压，譬如高速铁路交流25K伏特和地铁直流1.5K伏特，则完全免疫，不受电磁干扰；
(2)该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7可以直接安装在受电弓的弹簧筒8内，由于良好的设计结构和力学传递效果，因此可以承受300牛的力，其设计量程远大于列车正常行驶时弓网之间的压力100牛，有效监测弓网间的动态压力值；
(3)该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7采用了光学MEMS技术，使F-P谐振腔的长度变化对力的变换非常敏感，因此压力值的精度可以达到千分之三，分辨率能达到0.1N/pm；
(4)该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7是在不改变受电弓本身力学结构的基础上进行加装的，且利于组装和拆卸，因此可以大批量地列装在运营列车的受电弓上，实时监测弓网之间的工作状态，保障安全运营。
在实际运用中，将本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7装于弹簧筒8内，具体的安装方式如图3、4所示，图3为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7安装于弹簧筒8内的第一视角示意图；图4为本发明的用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7安装于弹簧筒8内的第二视角示意图；
在测量时，将用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7置于弹簧筒8内，可以视弹簧筒8自身作为密封结构件的一部分。
其中硅油的高度为1.5mm左右，整个环形槽的高度为7.5mm左右，并采用O型圈进行密封。本发明的光学MEMS压力传感器封装于弹簧筒8内，采用M5的螺纹与弹簧筒8连接，与用于密封的结构件无结构连接，同样采用O型圈进行密封，连接关系如图3所示。
在一实施例中，所述的外壳为环形腔结构，该环形腔结构的内径和外径分别为φ32mm和φ43mm，该环形腔结构的高度为7.5mm，压力密封环1的厚度是6mm，硅油高度在1.5mm；嵌设于外壳的工字结构中的两个O型密封圈2的内径分别为φ35×1mm和φ39×1mm；在300N的重力下，单个用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器7对应的压强为500kPa；在实际运用中，可在弹簧筒8上设计有M5的螺纹孔，通过该螺纹孔引出导波光纤，在弹簧筒8上设计第二M5的螺纹孔，并引出用于温度补偿的光纤温度传感器的导波光纤尾缆，该用于温度补偿的光纤温度传感器可以是FBG和F-P谐振腔为原理的传感器。
当需要对密封用的O型密封圈2进行更替时，可从M5的螺纹孔的位置用M5的长螺钉将O型密封圈2顶出。
上述设备尺寸的选定是由实际情况决定的，并不局限于上述参数的选定，在实际应用中，可根据实际情况，决定设备的具体参数，根据不同的受电弓上的弹簧筒8，对应的设计具体参数数值。
该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器，包括光学MEMS光纤F-P压力敏感片、外壳以及导波光纤，光学MEMS光纤F-P压力敏感片设于所述的外壳的腔体内，所述的导波光纤穿过所述的外壳与所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片相连接，通过这种结构可以在不改变现有受电弓结构的构架前提下，将该用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器集成在受电弓弹簧筒上，测量列车运行时接触网和受电弓之间的实时压力值，测量过程中不受外部的电磁干扰，测量的准确度高，且成本较低，适用性强。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (1)
1.一种用于测量弓网压力的光学MEMS压力传感器，其特征在于，所述的光学MEMS压力传感器包括光学MEMS光纤F-P压力敏感片、外壳以及导波光纤；
所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片设于所述的外壳的腔体内，所述的导波光纤穿过所述的外壳与所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片相连接；
所述的外壳的腔体内填充液相硅油，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片浸在所述的液相硅油中；
所述的外壳为环形腔结构，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片为形状与所述的外壳相匹配的环形结构；
所述的外壳的尺寸与位于待测量的弓网中的受电弓中的弹簧筒的尺寸相匹配，所述的光学MEMS压力传感器设于所述的弹簧筒中，且所述的弹簧筒的阻尼机构可从所述的外壳的内圈处穿过；
所述的外壳的腔体内有工字槽，该光学MEMS压力传感器还包括两圈O型密封圈，两圈所述的O型密封圈分别对应的箍套在所述的工字槽中内，用于防止所述的液相硅油泄露；
所述的外壳上还套设有压力密封环，该压力密封环用于封闭所述的外壳的腔体，且该压力密封环还起到均匀传导外部压力的作用；
所述的光学MEMS压力传感器还包括光纤堵头，该光纤堵头设于所述的外壳上，所述的光学MEMS光纤F-P压力敏感片和导波光纤通过该光纤堵头相连接。
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