CN112733976A - 一种受电弓碳滑板磨耗检测系统 - Google Patents

Abstract

一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，包括数据采集单元、数据处理单元和控制中心，数据采集单元包括射频标签和与射频读写器，控制中心控制射频读写器工作；射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处；射频读写器读取留在受电弓碳滑板上的未损伤的射频标签接收询问信号后返回的包含身份信息的应答信号，并将所述应答信号发送给数据处理单元；数据处理单元储存有所有射频标签的身份信息和每个射频标签在受电弓碳滑板上的布设位置，根据射频读写器读取的身份信息，统计分析不同磨耗区域射频标签损伤和掉落情况，进而判断受电弓碳滑板的磨耗值及磨耗区域。该检测系统检测效率高、精度高、成本低。

Description

一种受电弓碳滑板磨耗检测系统

技术领域

本发明涉及受电弓碳滑板检测技术领域，具体涉及一种基于RFID技术的受电弓碳滑板磨耗检测系统。

背景技术

随着我国高速铁路近年来的飞速发展，以及铁路货运向重载化方向发展，铁路部门对列车的行车安全越来越重视。受电弓作为列车供电驱动系统中的重要一环，它直接与接触网相连，从接触网上获取电流，驱动火车正常行驶。若弓网系统发生故障，则列车将失去动力，容易引发严重的铁路交通事故，造成重大的经济损失。因此，对列车弓网系统进行动态检测，掌握弓网系统的运行状态就具有了重大意义，受电弓滑板的磨耗作为弓网系统重要的外部特征，对其磨损状况进行测量对预防弓网事故有重大意义。因此目前许多国家都在发展高精度的碳滑板厚度测量系统，为列车的安全运行提供有力保障。

传统的受电弓碳滑板磨耗测量方法主要有三种：人工上车测量、传感器测量和智能化在线测量。从其发展历程来看，受电弓滑板磨耗检测由最初的人工上车测量，逐步发展到光纤式磨耗传感器的测量方法，再到现在的图像在线测量，其测量方式越来越简便高效，精度也越来越高，但是这三种方法都有其固有缺点：人工作业工作量大、无法实现在线监测；光纤式磨耗传感器需要在每一个滑板处安装一套设备，成本很高；智能化在线测量主要为超声波测量、激光测量和图像测量，但智能化在线测量受到天气条件影响较大，在空气状况不佳、大气污染严重的情况下，无法有效进行超声波或拍照摄像测量，同时由于测量装置安装在固定高架上，成本较高，测量精度受到受电弓状态以及触发位置的影响较大，难以达到很高的测量精度。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种设计巧妙、检测效率高、精度高、成本低的受电弓碳滑板磨耗检测系统，使得受电弓碳滑板的测量更加智能化和自动化。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：

一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，包括数据采集单元、数据处理单元和控制中心，其特征在于：所述数据采集单元包括射频标签和与射频读写器，控制中心控制射频读写器工作；

射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处，当磨耗产生时，引起对应磨耗区域的射频标签损伤或掉落；

射频读写器收到控制中心发送的读取信息后，向射频标签发送询问信号，并读取留在受电弓碳滑板上的未损伤的射频标签接收询问信号后返回的包含身份信息的应答信号，并将所述应答信号发送给数据处理单元；

数据处理单元储存有所有射频标签的身份信息和每个射频标签在受电弓碳滑板上的布设位置，根据射频读写器读取的身份信息，统计分析不同磨耗区域射频标签损伤和掉落情况，进而判断受电弓碳滑板的磨耗值及磨耗区域。

与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：

1、本发明利用射频技术的身份识别的功能，将射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处，磨耗产生时，布置于相应磨耗位置的射频标签会损坏或掉落，通过射频读写器读取的身份信息，可统计分析不同磨耗区域射频标签损伤和掉落情况，从而判断碳滑板的磨耗情况，包括磨耗区域和磨耗值，掌握更为全面的碳滑板磨损信息。

2、随着射频技术的发展，可尽可能减少射频信号受电磁信号的干扰，本发明技术有望实现对运行列车受电弓碳滑板磨耗情况的在线实时监测。

3、受电弓对重量增加比较敏感，射频标签体积小、重量小，成本低，无源工作，可大量布置于受电弓碳滑板上，而不影响受电弓工作。

4、本发明监测系统使用范围广，使用形式灵活、多样：可运用于高铁、动车、地铁等不同场合的碳滑板磨耗检测中，其尺寸也可依据碳滑板尺寸而进行灵活设定。

总之，本发明检测系统检测精度高、抗干扰能力强、成本低，可对受电弓碳滑板的磨耗情况进行全面定量、定位检测，可进一步开发为可对受电弓碳滑板磨耗情况进行在线实时监测的检测系统。

进一步，本发明所述检测系统还包括报警单元，报警单元内预设有磨耗报警阈值，所述磨耗报警阈值包括绝对厚度阈值和相对厚度阈值；绝对厚度阈值为可保证列车安全运行的受电弓碳滑板的最小安全厚度，相对厚度阈值为受电弓碳滑板不同磨耗区域的最大相差厚度；受电弓碳滑板任意一个区域的磨耗达到受电弓碳滑板的绝对厚度阈值或受电弓碳滑板不同磨耗区域的磨耗厚度差达到相对厚度阈值，报警单元发出报警信号，提醒人工检查并判断是否需要更换受电弓碳滑板。

现行检测要求碳滑条有效厚度小于5mm时进行更换碳滑条，所以设置绝对厚度阈值，绝对厚度阈值可以根据安全需求设置为大于或等于5mm，在遇到某些特殊情况，碳滑板会存在成块掉落或异常磨损，所以设置相对厚度阈值，监测不同磨耗区域的磨耗差异，在遇到异常磨损时，可以及时发现并检查，保证列车运行安全，相对厚度阈值可以根据需求设置。

进一步，本发明所述射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处的具体布设方式是：以受电弓碳滑板的最小安全厚度面与受电弓碳滑板侧面的交界线为磨耗阈值线，射频标签以二位阵列方式通过高温粘结剂粘贴在受电弓碳滑板磨耗阈值线及阈值线以上的侧面区域，具体包括：根据受电弓碳滑板磨耗位置定位精度要求，将磨耗区沿沿平行于碳滑板长轴的水平方向分为M个磨耗子区域；根据每个磨耗子区域受电弓碳滑板侧面上边缘与磨耗阈值线之间的距离，在每个磨耗子区域的碳滑板侧面沿深度方向按照磨耗检测精度要求布置射频标签。

更进一步，本发明所述射频标签采用声表面波射频识别电子标签，所述声表面波射频识别电子标签由ST切割的石英晶体材料制成的基底、布置在基底上的叉指换能器、布置在基底上且横置在叉指换能器前方的反射器和耐高温封装材料构成，所述叉指换能器的两条总线分别连接有天线，所述放射器由多个带有特征码的反射极组成，反射器反射的回波声脉冲串中的编码信息即为射频标签的身份信息，所述耐高温封装材料为耐高温的陶瓷纤维编织成的纤维网，纤维网的纤维之间的缝隙填充高温粘结剂。

声表面波射频识别电子标签仅由压电基片和金属电极组成，未使用任何半导体器件，不牵涉半导体材料中电子的迁移过程。因此可在高、低温等恶劣环境下使用，且可以承受强射线辐照，抗干扰能力强。

每次检测受电弓碳滑板磨耗情况的时候，控制中心向射频读写器发送读取信息，射频读写器收到控制中心发送的读取信息后，向声表面波标签发送高频脉冲作为询问信号，声表面波射频识别电子标签的其中一个天线接收射频读写器发射的高频脉冲，被接收到的高频脉冲通过声表面波射频识别电子标签的叉指换能器转变成声表面波，声表面波在压电晶体材料制成的基底表面传播至反射极，反射极对入射的声表面波部分反射，反射回的声表面波返回到叉指换能器，叉指换能器再将反射回的声表面波转变成高频脉冲作为应答信号，所述应答信号通过声表面波射频标签的另一个天线发送至射频读写器，射频读写器读取包含声表面波射频标签身份信息的应答信号。

再进一步，数据处理单元储存的所有射频标签的身份信息是在将射频标签布设在受电弓碳滑板磨耗区的不同深度处之后，控制中心向射频读写器发送读取信息，读取的所有布设好的射频标签的身份信息。

声表面波射频标签的延迟线区域易受应力影响，虽然有封装，但为了避免在布设粘贴过程中出现应力改变，所以先将射频标签布设在碳滑板上之后，再读取身份信息，避免应力影响，增加检测精度。

进一步，本发明所述射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同深度处的具体布设方式是：以受电弓碳滑板的最小安全厚度面为磨耗阈值面，射频标签以三维阵列方式预埋在受电弓碳滑板磨耗阈值面及阈值面以上的内部区域，具体包括：根据受电弓碳滑板磨耗位置定位精度要求，将受电弓碳滑板上表面与磨耗阈值面之间的区域沿水平方面分为N个磨耗子区域，根据每个磨耗子区域受电弓碳滑板上表面与磨耗阈值面之间的距离，在每个磨耗子区域的碳滑板内部沿深度方向按照磨耗检测精度要求布置射频标签。

更进一步，本发明所述射频标签为采用耐高温封装材料封装的有芯片的无源射频标签，耐高温封装材料为紧密织造的陶瓷纤维网和云母片的复合层，纤维网的纤维之间、纤维网与云母片之间的缝隙填充高温粘结剂。

再进一步，本发明所述无源射频标签的天线为由两层低温共烧陶瓷基板构成的低温共烧陶瓷天线，接地金属线、微带辐射单元、馈入金属线均印刷在上层低温共烧陶瓷基板上，接地金属印刷在下层低温共烧陶瓷基板上，上层基板上印刷的接地金属线通过两层基板之间的通孔与下层印刷的接地金属板相连接。

由于射频标签预埋在碳滑板内部，射频信号传播过程中容易受到碳滑板内部组织结构的影响，通过具有唯一序列号的芯片作为射频标签的身份信息可使得检测更加精确，抗干扰能力强。

进一步，本发明所述射频读写器安装于列车车顶上。

进一步，本发明所述控制中心在每次降弓后，受电弓温度降至室温时，向射频读写器发送读取信息。

这样，在射频标签不足够耐高温、抗电磁干扰的情况下，可以避免温度、高压等对射频标签的影响，使得碳滑板磨耗检测更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例一受电弓碳滑板侧面示意图。

图2为图1中A部分的射频标签布设示意图。

图中，1为受电弓碳滑板的侧面，2为磨耗阈值线，3为射频标签，4为磨耗子区域，X方向为平行于碳滑板长轴的水平方向。

具体实施方式

实施例一

一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，包括数据采集单元、数据处理单元和控制中心，所述数据采集单元包括射频标签和与射频读写器，控制中心控制射频读写器工作，控制中心在每次降弓后，受电弓温度降至室温时，向射频读写器发送读取信息；

射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处，当磨耗产生时，引起对应磨耗区域的射频标签损伤或掉落；

射频读写器安装于列车车顶上，当射频读写器收到控制中心发送的读取信息后，向射频标签发送询问信号，并读取留在受电弓碳滑板上的未损伤的射频标签接收询问信号后返回的包含身份信息的应答信号，并将所述应答信号发送给数据处理单元；

数据处理单元储存有所有射频标签的身份信息和每个射频标签在受电弓碳滑板上的布设位置，根据射频读写器读取的身份信息，统计分析不同磨耗区域射频标签损伤和掉落情况，进而判断受电弓碳滑板的磨耗值及磨耗区域；本例中数据处理单元储存的所有射频标签的身份信息是在将射频标签布设在受电弓碳滑板磨耗区的不同深度处之后，控制中心向射频读写器发送读取信息，读取的所有布设好的射频标签的身份信息；

本例中所述检测系统还包括报警单元，报警单元内预设有磨耗报警阈值，所述磨耗报警阈值包括绝对厚度阈值和相对厚度阈值；绝对厚度阈值为可保证列车安全运行的受电弓碳滑板的最小安全厚度，相对厚度阈值为受电弓碳滑板不同磨耗区域的最大相差厚度；受电弓碳滑板任意一个区域的磨耗达到受电弓碳滑板的绝对厚度阈值或受电弓碳滑板不同磨耗区域的磨耗厚度差达到相对厚度阈值，报警单元发出报警信号，提醒人工检查并判断是否需要更换受电弓碳滑板。

如图1和图2所示，本例中所述射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处的具体布设方式是：以受电弓碳滑板的最小安全厚度面与受电弓碳滑板侧面1的交界线为磨耗阈值线2，射频标签3以二位阵列方式通过高温粘结剂粘贴在受电弓碳滑板磨耗阈值线2及阈值线以上的侧面区域，具体包括：根据受电弓碳滑板磨耗位置定位精度要求，将磨耗区沿沿平行于碳滑板长轴的水平方向(即X方向)分为M个磨耗子区域4；根据每个磨耗子区域4受电弓碳滑板侧面1上边缘与磨耗阈值线2之间的距离，在每个磨耗子区域4的碳滑板侧面1沿深度方向按照磨耗检测精度要求布置射频标签3，可以布置在每个磨耗子区域的中线上，布置密度根据磨耗检测精度要求，比如，在靠近碳滑板上表面的地方，可以稀疏布置，在靠近磨耗阈值线处，可以密集布置，以保证列车运行安全。

本例中所述射频标签采用声表面波射频识别电子标签，所述声表面波射频识别电子标签由ST切割的石英晶体材料制成的基底、布置在基底上的叉指换能器、布置在基底上且横置在叉指换能器前方的反射器和耐高温封装材料构成，所述叉指换能器的两条总线分别连接有天线，所述放射器由多个带有特征码的反射极组成，反射器反射的回波声脉冲串中的编码信息即为射频标签的身份信息，所述耐高温封装材料为耐高温的陶瓷纤维编织成的纤维网，纤维网的纤维之间的缝隙填充高温粘结剂。

实施例二

一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，包括数据采集单元、数据处理单元和控制中心，所述数据采集单元包括射频标签和与射频读写器，控制中心控制射频读写器工作，控制中心在每次降弓后，受电弓温度降至室温时，向射频读写器发送读取信息；

射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处，当磨耗产生时，引起对应磨耗区域的射频标签损伤或掉落；

射频读写器安装于列车车顶上，当射频读写器收到控制中心发送的读取信息后，向射频标签发送询问信号，并读取留在受电弓碳滑板上的未损伤的射频标签接收询问信号后返回的包含身份信息的应答信号，并将所述应答信号发送给数据处理单元；

数据处理单元储存有所有射频标签的身份信息和每个射频标签在受电弓碳滑板上的布设位置，根据射频读写器读取的身份信息，统计分析不同磨耗区域射频标签损伤和掉落情况，进而判断受电弓碳滑板的磨耗值及磨耗区域；

本例中所述检测系统还包括报警单元，报警单元内预设有磨耗报警阈值，所述磨耗报警阈值包括绝对厚度阈值和相对厚度阈值；绝对厚度阈值为可保证列车安全运行的受电弓碳滑板的最小安全厚度，相对厚度阈值为受电弓碳滑板不同磨耗区域的最大相差厚度；受电弓碳滑板任意一个区域的磨耗达到受电弓碳滑板的绝对厚度阈值或受电弓碳滑板不同磨耗区域的磨耗厚度差达到相对厚度阈值，报警单元发出报警信号，提醒人工检查并判断是否需要更换受电弓碳滑板。

本例中所述射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同深度处的具体布设方式是：以受电弓碳滑板的最小安全厚度面为磨耗阈值面，射频标签以三维阵列方式预埋在受电弓碳滑板磨耗阈值面及阈值面以上的内部区域，具体包括：根据受电弓碳滑板磨耗位置定位精度要求，将受电弓碳滑板上表面与磨耗阈值面之间的区域沿水平方面分为N个磨耗子区域，根据每个磨耗子区域受电弓碳滑板上表面与磨耗阈值面之间的距离，在每个磨耗子区域的碳滑板内部沿深度方向按照磨耗检测精度要求布置射频标签。

本例中所述射频标签为采用耐高温封装材料封装的有芯片的无源射频标签，耐高温封装材料为紧密织造的陶瓷纤维网和云母片的复合层，纤维网的纤维之间、纤维网与云母片之间的缝隙填充高温粘结剂；所述无源射频标签的天线为由两层低温共烧陶瓷基板构成的低温共烧陶瓷天线，接地金属线、微带辐射单元、馈入金属线均印刷在上层低温共烧陶瓷基板上，接地金属印刷在下层低温共烧陶瓷基板上，上层基板上印刷的接地金属线通过两层基板之间的通孔与下层印刷的接地金属板相连接。

Claims (10)

1.一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，包括数据采集单元、数据处理单元和控制中心，其特征在于：所述数据采集单元包括射频标签和与射频读写器，控制中心控制射频读写器工作；

射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处，当磨耗产生时，引起对应磨耗区域的射频标签损伤或掉落；

射频读写器收到控制中心发送的读取信息后，向射频标签发送询问信号，读取留在受电弓碳滑板上的未损伤的射频标签接收询问脉冲后返回的包含身份信息的应答信号，并将所述应答信号发送给数据处理单元；

数据处理单元储存有所有射频标签的身份信息和每个射频标签在受电弓碳滑板上的布设位置，根据射频读写器读取的身份信息，统计分析不同磨耗区域射频标签损伤和掉落情况，进而判断受电弓碳滑板的磨耗值及磨耗区域。

2.根据权利要求1所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括报警单元，报警单元内预设有磨耗报警阈值，所述磨耗报警阈值包括绝对厚度阈值和相对厚度阈值；绝对厚度阈值为可保证列车安全运行的受电弓碳滑板的最小安全厚度，相对厚度阈值为受电弓碳滑板不同磨耗区域的最大相差厚度；受电弓碳滑板任意一个区域的磨耗达到受电弓碳滑板的绝对厚度阈值或受电弓碳滑板不同磨耗区域的磨耗厚度差达到相对厚度阈值，报警单元发出报警信号，提醒人工检查并判断是否需要更换受电弓碳滑板。

3.根据权利要求1所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，所述射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同区域和不同深度处的具体布设方式是：以受电弓碳滑板的最小安全厚度面与受电弓碳滑板侧面的交界线为磨耗阈值线，射频标签以二位阵列方式通过高温粘结剂粘贴在受电弓碳滑板磨耗阈值线及阈值线以上的侧面区域，具体包括：根据受电弓碳滑板磨耗位置定位精度要求，将磨耗区沿沿平行于碳滑板长轴的水平方向分为M个磨耗子区域；根据每个磨耗子区域受电弓碳滑板侧面上边缘与磨耗阈值线之间的距离，在每个磨耗子区域的碳滑板侧面沿深度方向按照磨耗检测精度要求布置射频标签。

4.根据权利要求3所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，所述射频标签采用声表面波射频识别电子标签，所述声表面波射频识别电子标签由ST切割的石英晶体材料制成的基底、布置在基底上的叉指换能器、布置在基底上且横置在叉指换能器前方的反射器和耐高温封装材料构成，所述叉指换能器的两条总线分别连接有天线，所述放射器由多个带有特征码的反射极组成，反射器反射的回波声脉冲串中的编码信息即为射频标签的身份信息，所述耐高温封装材料为耐高温的陶瓷纤维编织成的纤维网，纤维网的纤维之间的缝隙填充高温粘结剂。

5.根据权利要求4所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，数据处理单元储存的所有射频标签的身份信息是在将射频标签布设在受电弓碳滑板磨耗区的不同深度处之后，控制中心向射频读写器发送读取信息，读取的所有布设号的射频标签的身份信息。

6.根据权利要求1所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，所述射频标签布设于受电弓碳滑板磨耗区的不同深度处的具体布设方式是：以受电弓碳滑板的最小安全厚度面为磨耗阈值面，射频标签以三维阵列方式预埋在受电弓碳滑板磨耗阈值面及阈值面以上的内部区域，具体包括：根据受电弓碳滑板磨耗位置定位精度要求，将受电弓碳滑板上表面与磨耗阈值面之间的区域沿水平方面分为N个磨耗子区域，根据每个磨耗子区域受电弓碳滑板上表面与磨耗阈值面之间的距离，在每个磨耗子区域的碳滑板内部沿深度方向按照磨耗检测精度要求布置射频标签。

7.根据权利要求6所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，所述射频标签为采用耐高温封装材料封装的有芯片的无源射频标签，耐高温封装材料为紧密织造的陶瓷纤维网和云母片的复合层，纤维网的纤维之间、纤维网与云母片之间的缝隙填充高温粘结剂。

8.根据权利要求6所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，所述无源射频标签的天线为由两层低温共烧陶瓷基板构成的低温共烧陶瓷天线，接地金属线、微带辐射单元、馈入金属线均印刷在上层低温共烧陶瓷基板上，接地金属印刷在下层低温共烧陶瓷基板上，上层基板上印刷的接地金属线通过两层基板之间的通孔与下层印刷的接地金属板相连接。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，所述射频读写器安装于列车车顶上。

10.根据权利要求1所述的一种受电弓碳滑板磨耗检测系统，其特征在于，控制中心在每次降弓后，受电弓温度降至室温时，向射频读写器发送读取信息。

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