CN110887877A - 一种铁路接触线缺陷检测传感器及检测方法 - Google Patents

一种铁路接触线缺陷检测传感器及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路接触线缺陷检测传感器及检测方法，传感器包括基座、电极和绝缘层；所述基座设置有纵向布置的凹槽；所述电极包括第一极板和第二极板；所述第一极板和所述第二极板分别横向设置在所述凹槽的两内侧壁上；所述第一极板引出有第一引脚，所述第二极板上引出有第二脚；所述绝缘层覆盖设置在所述电极上。本发明具有成本低，结构简单，可有效实现对接触线的缺陷进行检测等优点。

Description

一种铁路接触线缺陷检测传感器及检测方法
技术领域
本发明涉及接触线缺陷检测领域，尤其涉及一种铁路接触线缺陷检测传感器及检测方法。
背景技术
高速铁路系统具有运输速度快、承载能力强等显著特点，是一种非常符合中国国情的高效率运输系统，近年来已迅速发展成为我国一张亮丽的国家名片，产生了重要的国际影响。高速列车在运行过程中，需要通过架设在铁路沿线的电力接触网为其提供巨大能量，而接触网中的电流是通过悬挂在车顶上的铜接触线传输的。当列车高速运行时，其受电弓与接触线之间存在摩擦，长时间之后将导致接触线表面产生裂纹和磨损，使接触线的机械性能和电气性能下降，因此需要进行定期检测。按照当前《高铁接触网检修作业指导书》的规定，现有检测方法是用肉眼观察接触线外观是否正常，并采用数显游标卡尺测量接触线(其横截面为非规则形状)的纵向尺寸，然后通过查表，根据测量值与标准值的对比得到接触线横截面的磨损量；当磨损量达到15％时给出警示，当磨损量超过20％时则必须更换接触线(高铁接触线的横截面积主要有85mm2、110mm2、120mm2和150mm2等四种规格，对应的原始纵向尺寸分别在10.8～14.4mm之间；当纵向尺寸减小3mm左右时，对应的磨损量为20％左右)。
当前我国高铁的运营里程已达到3万公里，并且运输异常繁忙。由于接触线出现缺陷的位置是随机的，并且每天都有可能发生变化，依靠目视和手工方法检测不但极其费时费力，并且很容易出现缺陷漏检，给列车的安全运行带来隐患，因此铁路部门急需一种高效而可靠的检测传感器及检测方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种成本低、结构简单、可有效实现对接触线的缺陷进行检测的传感器及检测方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种铁路接触线缺陷检测传感器，包括基座、电极和绝缘层；
所述基座设置有纵向布置的凹槽；
所述电极包括第一极板和第二极板；
所述第一极板和所述第二极板分别横向设置在所述凹槽的两内侧壁上；所述第一极板引出有第一引脚，所述第二极板上引出有第二脚；
所述绝缘层覆盖设置在所述电极上。
进一步地，所述绝缘层上设置有检测电路；所述检测电路包括激励线圈、第一检测线圈组和第二检测线圈组；
所述激励线圈在所述绝缘层表面呈波形分布设置，用于产生激励磁场；
所述第一检测线圈组设置在所述激励磁场的正向区域；所述第二检测线圈组设置在所述激励磁场的反向区域；
所述第一检测线圈组和所述第二检测线圈组均用于获取所述激励磁场所产生的感应电压。
进一步地，所述第一检测线圈组包括多个第一检测线圈，每个所述第一检测线圈分别设置在所述激励线圈第一侧的一个波谷内，所述第一检测线圈之间依次串联；
所述第二检测线圈组包括多个第二检测线圈，每个所述第二检测线圈分别设置在所述激励线圈第二侧一个波谷内，所述第二检测线圈之间依次串联。
进一步地，所述激励线圈两端的最外侧的波谷内还分别设置有哑元单元；所述哑元单元为一段没有输入和输出的导线。
进一步地，所述第一检测线圈组的输出端与所述第二检测线圈组的输出端并联。
进一步地，还包括检测信号采集电路，包括：放大器、反馈电阻和反馈电容；
所述传感器的第一引脚用于接入检测电压源，第二引脚与所述放大器的反向输入端连接；
所述放大器的同向输入端接地；
所述反馈电阻并联在所述放大器的反向输入端和输出端之间；
所述反馈电容并联在所述放大器的反向输入端和输出端之间；
所述放大器的输出端为检测信号采集电路的输出端。
一种接触线缺陷检测方法，将如上所述的传感器的所述凹槽与被测接触线接触，将所述传感器的第一引脚接入检测电压源；并使得所述传感沿被测接触器移动，同时检测所述传感器的输出端的电压信号的变化情况，当所述电压信号的变化量超出预设的阈值时，判断所述传感器所在位置的被测接触线存在磨损缺陷。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过在基座上设置与被测接触线相对应的凹槽，并在凹槽内的两侧壁各设置一个电极板，通过两个电极板构成接触线缺陷的检测电容，传感器的凹槽贴合被测接触线移动时，当接触线存在磨损缺陷时，会导致两个电极板之间的等效电容发生变化，从而就可以确定被测接触线是否存在磨损缺陷，可以快速、高效地实现接触线的检测；并且，传感器结构简单、制作成本低。
2、本发明的传感器在绝缘层上方还设置有检测电路，通过在激励线圈上施加交变电流，从而可以产生交变磁场，在被测接触线中也会产生感应涡流并产生涡流磁场，当被测接触线表面存在裂纹时，该涡流磁场会发生变化；从而在检测线圈内产生存在相应变化的感应电压，通过检测感应电压的变化，就可以检测接触线是否存在裂纹缺陷，从而通过一个传感器，通过一次检测，就可以既对磨损缺陷进行检测，又可以对裂纹缺陷进行检测，检测效率高。
3、本发明的传感器通过设置检测信号采集电路，可以有效消除检测信号采集电路中杂散电容对测量结果的影响，检测精度高。
附图说明
图1为本发明具体实施例的传感器结构及检测时与被测接触线的配合示意图。
图2为本发明具体实施例的传感器结构示意图一。
图3为本发明具体实施例的传感器结构示意图二。
图4为本发明具体实施例被测接触线无磨损缺陷时的电场分布示意图。
图5为本发明具体实施例被测接触线有磨损缺陷时的电场分布示意图。
图6为本发明具体实施例绝缘层上的检测电路示意图。
图7为本发明具体实施例的检测信号采集电路示意图。
图8为本发明具体实施例的微弱电压采集处理示意图。
图例说明：1、基座；2、电极；3、绝缘层；4、被测接触线；5、电场线；6、激励线圈；7、第一检测线圈组；8、第二检测线圈组；9哑元单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例的铁路接触线缺陷检测传感器，包括基座、电极和绝缘层；基座设置有纵向布置的凹槽；电极包括第一极板和第二极板；第一极板和第二极板分别横向设置在凹槽的两内侧壁上；第一极板引出有第一引脚，第二极板上引出有第二脚；绝缘层覆盖设置在电极上。在本实施例中，优选基座上的凹槽与被测接触线凸起形状一致，可使得被测接触线能够很好的与凹槽贴合，一致性越好，检测结果越精确。在本实施例，沿凹槽的方向即为纵向，垂直于凹槽的方向即为横向。
在本实施例中，第一极板和第二极板均为片状金属板，嵌入式安装在所述基座上，如图2所示；作为本实施例的一种优选方案，如图3所示，电极包含多个成对设置的第一极板和第二极板；每对第一极板和第二极板构成一个电极，独立工作。本实施例进一步优选不同电极之间的第一极板之间串联，第二极板之间串联。图2和图3仅用于示意展示电极在基座上的设置方式，图中没有体现绝缘层。
在本实施例中，基座采用绝缘材质制成。基座优选为尼龙材质，电极优选为铜电极。同一电极中的第一极板和第二极板的底部距离优选为1mm至2mm。电极中的第一电极和第二电极构成了一个电容器，当电极中的第一极板和第二极板的形状、尺寸和相对位置固定后，其电容值的大小主要由极板之间的介质决定，如图4所示。当被检测接触线位于该传感器的凹槽内时，如果接触线位于凹槽内的横截面形状不发生变化，即接触线的形状没有发生变化时，电极的电容值也不会发生变化，而当接触线出现明显磨损时，使得被测接触线底部与传感器之间存在明显空隙，即电极的两个极板之间的介质由铜介质变为了空气介质，在检测时电场分布发生改变，会导致电极的等效电容值发生显著变化。从而通过检测电极的等效电容值的变化，就可以检测得到被测接触线的磨损缺陷情况。
在本实施例中，进一步优选，如图6所示，绝缘层上设置有检测电路；检测电路包括激励线圈、第一检测线圈组和第二检测线圈组；激励线圈在绝缘层表面呈波形分布设置，用于产生激励磁场；第一检测线圈组设置在激励磁场的正向区域；第二检测线圈组设置在激励磁场的反向区域；第一检测线圈组和第二检测线圈组均用于获取激励磁场所产生的感应电压。通过在绝缘层上设置检测电路，可以检测接触线表面是否存在裂纹缺陷。在本实施例中，优选绝缘层为柔性绝缘层，如采用聚酰亚胺材质。检测电路印制在柔性绝缘层上，再将印刷有检测电路的绝缘层设置在基座的凹槽内。
在本实施例中，优选，如图6所示，第一检测线圈组包括多个第一检测线圈，每个第一检测线圈分别设置在激励线圈第一侧的一个波谷内，第一检测线圈之间依次串联；第二检测线圈组包括多个第二检测线圈，每个第二检测线圈分别设置在激励线圈第二侧一个波谷内，第二检测线圈之间依次串联。激励线圈两端的最外侧的波谷内还分别设置有哑元单元；哑元单元为一段没有输入和输出的导线。第一检测线圈组的输出端与第二检测线圈组的输出端并联。激励线圈优选以方波形式分布设置。当给激励线圈施加交变电流源后，激励线圈中通过的电流ID会生周期性的变化，如正弦波，从而在激励线圈周围产生周期变化的磁场，呈方波设置的激励线圈的波谷内的磁场可近似为匀强磁场。激励线圈两侧的磁场方向相反，图6中符号⊙代表磁场方向指向纸面上方，符号
Figure BDA0002285101140000041
代表磁场方向指向纸面下方。第一检测线圈组和第二检测线圈组分别位于激励线圈两侧的波谷中，用于检测磁场强度的变化，并产生感应电压，第一检测线圈组所检测到的感应电压记为VS1，第二检测线圈组所检测到的感应电压记为VS2，当被测接触线表面存在裂纹等微波缺陷时，会导致磁场强度发生变化，从而第一检测线圈组和第二检测线圈组所产生的感应电压也会发生变化，从而可以检测出被测接触线表面的裂纹等微波缺陷。在激励线圈两端最外侧波谷内设置哑元单元，哑元单元不产生输出，但其保证了检测电路在整体结构上的对称性，可以使得有效检测区域内的磁场分布更加均匀，检测精度更高，有效检测区域指两哑元单元之间激励线圈的波谷区域。
在本实施例中，进一步优选，如图7所示，传感器还包括检测信号采集电路，包括：放大器A、反馈电阻Rf和反馈电容Cf；传感器的第一引脚用于接入检测电压源，第二引脚与放大器A的反向输入端连接；放大器A的同向输入端接地；反馈电阻Rf并联在放大器的反向输入端和输出端之间；反馈电容Cf并联在放大器的反向输入端和输出端之间；放大器的输出端为检测信号采集电路的输出端。通过第一检测信号彩信电路，可以有效彩集到电极的等效电容值，从而传感器不需要另外设置信号采集电路，就能方便的采集检测信号，实现对接触线磨损缺陷的检测。
一种接触线缺陷检测方法，将如上的传感器的凹槽与被测接触线接触，将传感器的第一引脚接入检测电压源；并使得传感沿被测接触器移动，同时检测传感器的输出端的电压信号的变化情况，当电压信号的变化量超出预设的阈值时，判断传感器所在位置的被测接触线存在磨损缺陷。
在本实施例中的接触线磨损缺陷检测中，如图7所示，电容Cs1和Cs2分别代表传感器的电极两端的杂散电容。Vi(t)为施加在传感器的电极一端的检测电压，Vo(t)为经放大器A处理后的输出电压。由于杂散电容Cs1和电压源Vi(t)直接连接(输出阻抗很小，可能忽略不计)，其容抗不会影响被测电容Cx(即传感器中电极所构成的电容)左端的电位，杂散电容Cs2的下端接地，上端与运算放大器的反向输入端相连，其电位与接地的同向输入端的电位近似相等，处于“虚地”状态，因此Cs2两端没有电位差，不会造成电流的分流，当运算放大器的输入电流忽略不计时，流过被测电容Cx的电流与流过反馈通路的电流相等。可见，此测量电路中，被测电容两端的杂散电容都不会对测量结果造成影响，即测量电路对杂散电容具有免疫能力。当输入正弦电压的角频率为ω，运算放大器工作在深度负反馈条件下时，该电路的输出电压为
Figure BDA0002285101140000051
式中，Vo为输出电压，Vi为输入电压，j为复数因子，ω为输入电压的角频率，Cx为被测电容Cx的电容值，Rf为反馈电阻Rf的阻值，Cf为反馈电容Cf的电容值。当ωCfRf＞＞1时，可得到
Figure BDA0002285101140000052
可见，当输入电压的幅值固定时，可控制信号的角频率ω以及反馈电阻Rf和反馈电容Cf的大小，使电路的输出电压与被测电容Cx成正比。从而可以计算得到被测电容Cx的电容值，当然，也可以直接以输出电压的变化情况来确定被测接触线的磨损缺陷情况。
在本实施例中，对被测接触线的表面裂纹等微波缺陷进行检测时，需要检测获取第一检测线圈组和第二检测线圈组的输出电压，通过所检测的电压的变化情况，来判断被测接触线的表面是否存在裂纹缺陷等微小缺陷。由于激励线圈所产生的磁场强度较小，因此在第一检测线圈组和第二检测线圈组中产生的感应电压很微弱，在本实施例中，优选采用如下方式来检测获取第一检测线圈组和第二检测线圈组输出的感应电压。如图8所示，第一检测线圈组所产生的感应电压信号VS1和第二检测线圈组所产生的感应电压信号VS2经差分放大器进行放大后，得到的被测信号x(t)可表示为
Figure BDA0002285101140000061
式中，A为正弦信号的幅值，f为信号的频率，
Figure BDA0002285101140000062
为信号的初相位，t为时间参数。
假设在被测信号的每个周期内采样n(n＞2)个点，共采样q个周期，则一共可得到M(M＝nq)个数据。数据采集电路的采样频率fs应设置为信号频率fr的整数倍，即
Figure BDA0002285101140000063
因此，在数据采集后得到的数字信号为
Figure BDA0002285101140000064
同时，用微处理器产生两路互相正交的参考数字信号rs(k)和rc(k)：
Figure BDA0002285101140000065
这两路参考数字信号分别与数据采集得到的信号x(k)用数字乘法器相乘，再用数字累加器累加后，即可得到与被测信号x(t)的幅值和初相位有关的两路输出Rxrs和Rxrc。在相乘和累加的过程中，由于被测信号x(t)中可能包含的噪声和干扰与参考信号不具有相关性，因此可以被有效地抑制。
Figure BDA0002285101140000066
Figure BDA0002285101140000067
最后，根据Rxrs和Rxrc的值，就可以求得被测信号x(t)的幅值A和初相位
Figure BDA0002285101140000068
完成微弱电压信号的检测。得到幅值
Figure BDA0002285101140000069
相位
Figure BDA00022851011400000610
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种铁路接触线缺陷检测传感器，其特征在于：包括基座、电极和绝缘层；
所述基座设置有纵向布置的凹槽；
所述电极包括第一极板和第二极板；
所述第一极板和所述第二极板分别横向设置在所述凹槽的两内侧壁上；所述第一极板引出有第一引脚，所述第二极板上引出有第二脚；
所述绝缘层覆盖设置在所述电极上。
2.根据权利要求1所述的铁路接触线缺陷检测传感器，其特征在于：所述绝缘层上设置有检测电路；所述检测电路包括激励线圈、第一检测线圈组和第二检测线圈组；
所述激励线圈在所述绝缘层表面呈波形分布设置，用于产生激励磁场；
所述第一检测线圈组设置在所述激励磁场的正向区域；所述第二检测线圈组设置在所述激励磁场的反向区域；
所述第一检测线圈组和所述第二检测线圈组均用于获取所述激励磁场所产生的感应电压。
3.根据权利要求2所述的铁路接触线缺陷检测传感器，其特征在于：所述第一检测线圈组包括多个第一检测线圈，每个所述第一检测线圈分别设置在所述激励线圈第一侧的一个波谷内，所述第一检测线圈之间依次串联；
所述第二检测线圈组包括多个第二检测线圈，每个所述第二检测线圈分别设置在所述激励线圈第二侧一个波谷内，所述第二检测线圈之间依次串联。
4.根据权利要求3所述的铁路接触线缺陷检测传感器，其特征在于：所述激励线圈两端的最外侧的波谷内还分别设置有哑元单元；所述哑元单元为一段没有输入和输出的导线。
5.根据权利要求4所述的铁路接触线缺陷检测传感器，其特征在于：所述第一检测线圈组的输出端与所述第二检测线圈组的输出端并联。
6.根据权利要求1至5任一项所述的铁路接触线缺陷检测传感器，其特征在于：还包括检测信号采集电路，包括：放大器、反馈电阻和反馈电容；
所述传感器的第一引脚用于接入检测电压源，第二引脚与所述放大器的反向输入端连接；
所述放大器的同向输入端接地；
所述反馈电阻并联在所述放大器的反向输入端和输出端之间；
所述反馈电容并联在所述放大器的反向输入端和输出端之间；
所述放大器的输出端为检测信号采集电路的输出端。
7.一种接触线缺陷检测方法，其特征在于：将权利要求6所述的传感器的所述凹槽与被测接触线接触，将所述传感器的第一引脚接入检测电压源；并使得所述传感沿被测接触器移动，同时检测所述传感器的输出端的电压信号的变化情况，当所述电压信号的变化量超出预设的阈值时，判断所述传感器所在位置的被测接触线存在磨损缺陷。
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