CN112881437B - 一种接触网探伤检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触网探伤检测系统，包括激光成像雷达、X射线发射器、升压器、X射线接收器、控制电路板，由激光成像雷达向接触线发射激光束进行扫描，通过接收接触线反射的激光辐射，产生连续的模拟信号，还原成实时接触线的图像，在控制电路板中将这些模拟信号转换为数字信号后计算出接触线水平方向上的高度，进而确定接触线的外表面磨损程度，升压器将受电弓在接触线上取得的电能进行升压后为X射线发射器供电，X射线发射器与X射线接收器形成X射线探伤器，对接触线内部进行探伤，并通过北斗定位模块定位出现损伤的接触线，再利用5G通信技术将探测到的信息实时传输至铁路有关部门的监控中心和该线路上行驶的列车。

Description

一种接触网探伤检测系统
技术领域
本发明涉及接触网探伤领域，尤其涉及一种接触网探伤检测系统。
背景技术
接触线是电气化铁路上方沿线架设的高压预张力导线，其材料通常为纯铜、铜银合金、铜镁合金以及铜锡合金。在列车运行过程中，安装在机车顶部的受电弓滑板通过与接触线接触滑动，并将获取的电能输送到电力机车供电系统作为其高速运行的原动力，这一过程也称为受流。受流质量的好坏及其稳定性直接决定着电力机车能否安全可靠地运行。受电弓与接触线组成的弓网系统构成了电气化铁路重要的供电系统。
接触网长期服役于自然条件下，工作环境风吹、雨淋、日晒非常恶劣。弓网之间的相对滑动更是极大加剧了接触线的摩擦损耗，缩短了接触线的使用寿命。这些复杂的因素直接影响接触线的正常工作，导致对列车的供能不足甚至直接断线，加上接触线没有备用，一旦发生故障将对铁路系统的正常运营造成巨大损失，给人民的生命财产安全构成威胁。
现有技术中主要采用磨面宽度法、残存直径法来进行接触线的磨损检测。其中磨面宽度法有激光扫描方式和图像处理方式。激光扫描是指利用激光照射棱镜后对接触导线进行反复扫描，当遇到接触磨面时反射到接收端，根据返回的信息测量接触线磨耗面宽度；图像处理方式是通过相机采集接触网图像，然后利用数字图像处理技术进行图像处理，计算接触面磨损宽度。残存直径法主要分为超声波式和光量式两种，基本原理都是通过测量接触线磨损后剩余的高度差得到需要的磨损量。这些方法能够检测出接触线的外表面磨损程度，但是无法对接触线的内部进行探伤检测，不能够检测出接触线的内部损伤情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种接触网探伤检测系统，在受电弓的弓头上安装激光成像雷达，检测接触线的外表面磨损程度，在受电弓的弓头两端分别安装X射线发射器和X射线接收器，利用X射线探伤原理来检测接触线的内部损伤，并通过北斗定位模块定位出现损伤的接触线，再利用5G通信技术将探测到的信息实时传输至铁路有关部门的监控中心和该线路上行驶的列车。实现实时监测接触线的内外损伤情况，且便于工作人员根据定位信息找到需要检修的接触线位置。
为了实现上述目的，本发明提供的一种接触网探伤检测系统是这样实现的：
一种接触网探伤检测系统，包括激光成像雷达、X射线发射器、升压器、X射线接收器、控制电路板，激光成像雷达、X射线发射器、升压器、控制电路板安装在受电弓弓头的一端，X射线接收器安装在受电弓弓头的另一端，由激光成像雷达向接触线发射激光束进行扫描，通过接收接触线反射的激光辐射，产生连续的模拟信号，还原成实时接触线的图像，在控制电路板中将这些模拟信号转换为数字信号后计算出接触线水平方向上的高度，进而确定接触线的外表面磨损程度，升压器将受电弓在接触线上取得的电能进行升压后为X射线发射器供电，X射线发射器与X射线接收器形成X射线探伤器，对接触线内部进行探伤。
本发明的X射线发射器向接触线发射X射线，由于接触线内部缺陷介质对射线的吸收能力和周围完好部位不一样，因而透过缺陷部位的射线强度不同于周围完好部位，透过接触线的X射线进入X射线接收器，在X射线接收器上，接触线有缺陷部位和无缺陷部位接受不同的射线曝光，通过控制电路板接收X射线接收器输出的图像并进行图像识别，进而可以计算出接触线内部的损伤情况。
本发明的控制电路板上设有DSP控制器、北斗定位模块、5G模块，DSP控制器用于接收激光成像雷达和X射线接收器采集到的信息，接收到激光成像雷达采集到的信息后，计算出接触线表面的磨损缺陷，DSP控制器接收到X射线接收器传来的图像信息后，经过数字图像处理技术处理后，计算出接触线内部的损伤缺陷，北斗定位模块用于实时检测激光成像雷达、X射线接收器所处的位置，并将检测到的地理位置信息发送至DSP控制器，由DSP控制器控制5G模块向铁路有关监控部门和和该线路上行驶的列车发送出现缺陷的接触线的损伤情况及其位置信息，便于工作人员有目的的对接触线进行检修。
本发明的X射线接收器包括影像增强器、CMOS探测器，投射过接触线的X射线在影像增强器的接收端产生微弱的可见光像，然后通过光电阴极的作用将可见光光子图像转换为相应的电子图像，产生的电子在高压电场的作用下被加速聚焦到图像增强器的图像输出端，在电子和加速会聚的双重作用下，激发影像增强器的像输出端荧光屏产生足够亮度的可见光图像，通过CMOS探测器来接收该图像，并将接收到的图像传输至DSP控制器进行图像处理。
本发明的DSP控制器对CMOS探测器检测到的图像进行图像识别的方案为：通过CMOS探测器对透过接触线的X射线进行图像采集，将采集到的图像进行灰度化处理，采用二维中值滤波法对采集到的图像进行滤波处理，消除噪声，采用直方图均衡化算法提高图像的对比度，采用阈值分割法把图像中的缺陷区域和背景区域分离开来，采用基于链码表的轮廓跟踪方法要对缺陷进行跟踪提取，计算各个缺陷区域的特征参数，标记出每个缺陷的具体位置和几何形状，在完成多缺陷跟踪后，缺陷的边界都是闭合的，采用种子填充算法把不同于背景区域的灰度值赋予缺陷区域，则完成一个范围的标定，可以通过标记出的像素来计算常见的缺陷特征参数，将4连通链码转换为8连通链码后计算缺陷的周长，统计出缺陷内部所有像素的数目，求出它们的和即可求出缺陷的面积，根据缺陷的周长、面积来判断接触线内部的损伤程度。
由于本发明采用激光成像雷达检测接触线外表面缺陷、采用X射线探伤技术检测接触线内部损伤的结构，从而可以得到以下有益效果：
在受电弓的弓头上安装激光成像雷达，检测接触线的外表面磨损程度，在受电弓的弓头两端分别安装X射线发射器和X射线接收器，利用X射线探伤原理来检测接触线的内部损伤，并通过北斗定位模块定位出现损伤的接触线，再利用5G通信技术将探测到的信息实时传输至铁路有关部门的监控中心和该线路上行驶的列车。实现实时监测接触线的内外损伤情况，且便于工作人员根据定位信息找到需要检修的接触线位置。
附图说明
图1为本发明一种接触网探伤检测系统的安装结构示意图；
图2为本发明一种接触网探伤检测系统的X射线检测接触线内部损伤的示意图；
图3为本发明一种接触网探伤检测系统对接触线内部损伤图像识别的方案图；
图4为本发明一种接触网探伤检测系统的工作原理图。
主要元件符号说明。
激光成像雷达 1 X射线发射器 2
升压器 3 X射线接收器 4
控制电路板 5 DSP控制器 6
北斗定位模块 7 5G模块 8
影像增强器 9 CMOS探测器 10
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1至图4，本发明中的一种接触网探伤检测系统，包括激光成像雷达1、X射线发射器2、升压器3、X射线接收器4、控制电路板5。
如图1所示，所述的激光成像雷达1、X射线发射器2、升压器3、控制电路板5安装在受电弓弓头的一端，X射线接收器4安装在受电弓弓头的另一端，由激光成像雷达1向接触线发射激光束进行扫描，通过接收接触线反射的激光辐射，产生连续的模拟信号，还原成实时接触线的图像，在控制电路板5中将这些模拟信号转换为数字信号后计算出接触线水平方向上的高度，进而确定接触线的外表面磨损程度，升压器3将受电弓在接触线上取得的电能进行升压后为X射线发射器2供电，X射线发射器2与X射线接收器4形成X射线探伤器，对接触线内部进行探伤，实现实时监测接触线的内外损伤。
所述的激光成像雷达1、X射线发射器2、升压器3、X射线接收器4、控制电路板5与受电弓弓头之间通过绝缘材料进行隔离，激光成像雷达1、控制电路板5、X射线接收器4的供电可通过电源降压模块将受电弓取得的电压降为激光成像雷达1、控制电路板5、X射线接收器4能接受的电压等级进行供电。
如图2所示，所述的X射线发射器2向接触线发射X射线，由于接触线内部缺陷介质对射线的吸收能力和周围完好部位不一样，因而透过缺陷部位的射线强度不同于周围完好部位，透过接触线的X射线进入X射线接收器4，在X射线接收器4上，接触线有缺陷部位和无缺陷部位接受不同的射线曝光，通过控制电路板5接收X射线接收器4输出的图像并进行图像识别，进而可以计算出接触线内部的损伤情况。
如图4所示，所述的控制电路板5上设有DSP控制器6、北斗定位模块7、5G模块8，DSP控制器6用于接收激光成像雷达1和X射线接收器4采集到的信息，接收到激光成像雷达1采集到的信息后，计算出接触线表面的磨损缺陷，DSP控制器6接收到X射线接收器4传来的图像信息后，经过数字图像处理技术处理后，计算出接触线内部的损伤缺陷，北斗定位模块7用于实时检测激光成像雷达1、X射线接收器4所处的位置，并将检测到的地理位置信息发送至DSP控制器6，由DSP控制器6控制5G模块8向铁路有关监控部门和和该线路上行驶的列车发送出现缺陷的接触线的损伤情况及其位置信息，便于工作人员有目的的对接触线进行检修。
如图2所示，所述的X射线接收器4包括影像增强器9、CMOS探测器10，投射过接触线的X射线在影像增强器9的接收端产生微弱的可见光像，然后通过光电阴极的作用将可见光光子图像转换为相应的电子图像，产生的电子在高压电场的作用下被加速聚焦到图像增强器的图像输出端，在电子和加速会聚的双重作用下，激发影像增强器9的像输出端荧光屏产生足够亮度的可见光图像，通过CMOS探测器10来接收该图像，并将接收到的图像传输至DSP控制器6进行图像处理，进而识别出接触线的内部缺陷。
如图3所示，所述的DSP控制器6对CMOS探测器10检测到的图像进行图像识别的方案为：通过CMOS探测器10对透过接触线的X射线进行图像采集，将采集到的图像进行灰度化处理，以提高图像处理的效率，图像在采集的过程中会受到外界环境的干扰而导致图像携带噪声，采用二维中值滤波法对采集到的图像进行滤波处理，消除噪声，由于检测到的图像的灰度值所占区间很窄，这样的图像对比度不高，所以需要扩大图像的灰度范围，提高图像的对比度，从而改善图像质量，因此采用直方图均衡化算法提高图像的对比度，采用阈值分割法把图像中的缺陷区域和背景区域分离开来，采用基于链码表的轮廓跟踪方法要对缺陷进行跟踪提取，计算各个缺陷区域的特征参数，标记出每个缺陷的具体位置和几何形状，在完成多缺陷跟踪后，缺陷的边界都是闭合的，采用种子填充算法把不同于背景区域的灰度值赋予缺陷区域，则完成一个范围的标定，可以通过标记出的像素来计算常见的缺陷特征参数，其思路是：假设在缺陷区域内部至少有一个像素点是已知的，称为种子，然后搜索区域内所有其它点，并对它们进行填充。如果相邻点不在缺陷区域内，则相邻点为边界点；如果相邻点在缺陷区域内，那么将这一点作为新的已知点，继续搜索下去，直到搜索完所有内部点，将4连通链码转换为8连通链码后计算缺陷的周长，统计出缺陷内部所有像素的数目，求出它们的和即可求出缺陷的面积，根据缺陷的周长、面积来判断接触线内部的损伤程度。
本发明的工作原理与工作过程如下：
如图4所示，DSP控制器6接收激光成像雷达1和X射线接收器4采集到的信息，接收到激光成像雷达1采集到的信息后，计算出接触线表面的磨损缺陷，DSP控制器6接收到X射线接收器4传来的图像信息后，经过数字图像处理技术处理后，计算出接触线内部的损伤缺陷，北斗定位模块7用于实时检测激光成像雷达1、X射线接收器4所处的位置，并将检测到的地理位置信息发送至DSP控制器6，由DSP控制器6控制5G模块8向铁路有关监控部门和和该线路上行驶的列车发送出现缺陷的接触线的损伤情况及其位置信息，便于工作人员有目的的对接触线进行检修。

Claims (6)

1.一种接触网探伤检测系统，其特征在于：包括激光成像雷达、X射线发射器、升压器、X射线接收器、控制电路板，激光成像雷达、X射线发射器、升压器、控制电路板安装在受电弓弓头的一端，X射线接收器安装在受电弓弓头的另一端，由激光成像雷达向接触线发射激光束进行扫描，通过接收接触线反射的激光辐射，产生连续的模拟信号，还原成实时接触线的图像，在控制电路板中将这些模拟信号转换为数字信号后计算出接触线水平方向上的高度，进而确定接触线的外表面磨损程度，升压器将受电弓在接触线上取得的电能进行升压后为X射线发射器供电，X射线发射器与X射线接收器形成X射线探伤器，对接触线内部进行探伤。
2.根据权利要求1所述的接触网探伤检测系统，其特征在于：所述X射线发射器向接触线发射X射线，由于接触线内部缺陷介质对射线的吸收能力和周围完好部位不一样，因而透过缺陷部位的射线强度不同于周围完好部位，透过接触线的X射线进入X射线接收器，在X射线接收器上，接触线有缺陷部位和无缺陷部位接受不同的射线曝光，通过控制电路板接收X射线接收器输出的图像并进行图像识别，进而计算出接触线内部的损伤情况。
3.根据权利要求1所述的接触网探伤检测系统，其特征在于：所述控制电路板上设有DSP控制器、北斗定位模块、5G模块，DSP控制器用于接收激光成像雷达和X射线接收器采集到的信息，接收到激光成像雷达采集到的信息后，计算出接触线表面的磨损缺陷，DSP控制器接收到X射线接收器传来的图像信息后，经过数字图像处理技术处理后，计算出接触线内部的损伤缺陷，北斗定位模块用于实时检测激光成像雷达、X射线接收器所处的位置，并将检测到的地理位置信息发送至DSP控制器，由DSP控制器控制5G模块向铁路有关监控部门和线路上行驶的列车发送出现缺陷的接触线的损伤情况及其位置信息。
4.根据权利要求3所述的接触网探伤检测系统，其特征在于：所述X射线接收器包括影像增强器、CMOS探测器，投射过接触线的X射线在影像增强器的接收端产生微弱的可见光像，然后通过光电阴极的作用将可见光光子图像转换为相应的电子图像，产生的电子在高压电场的作用下被加速聚焦到图像增强器的图像输出端，在电子和加速会聚的双重作用下，激发影像增强器的像输出端荧光屏产生足够亮度的可见光图像，通过CMOS探测器来接收该图像，并将接收到的图像传输至DSP控制器进行图像处理，进而识别出接触线的内部缺陷。
5.根据权利要求4所述的接触网探伤检测系统，其特征在于：所述DSP控制器对CMOS探测器检测到的图像进行图像识别的方案为：通过CMOS探测器对透过接触线的X射线进行图像采集，将采集到的图像进行灰度化处理，采用二维中值滤波法对采集到的图像进行滤波处理，消除噪声，采用直方图均衡化算法提高图像的对比度，采用阈值分割法把图像中的缺陷区域和背景区域分离开来，采用基于链码表的轮廓跟踪方法要对缺陷进行跟踪提取，计算各个缺陷区域的特征参数，标记出每个缺陷的具体位置和几何形状，在完成多缺陷跟踪后，缺陷的边界都是闭合的，采用种子填充算法把不同于背景区域的灰度值赋予缺陷区域，则完成一个范围的标定，通过标记出的像素来计算常见的缺陷特征参数，将4连通链码转换为8连通链码后计算缺陷的周长，统计出缺陷内部所有像素的数目，求出它们的和即可求出缺陷的面积，根据缺陷的周长、面积来判断接触线内部的损伤程度。
6.根据权利要求1所述的接触网探伤检测系统，其特征在于：所述激光成像雷达、X射线发射器、升压器、X射线接收器、控制电路板与受电弓弓头之间通过绝缘材料进行隔离，激光成像雷达、控制电路板、X射线接收器的供电可通过电源降压模块将受电弓取得的电压降为激光成像雷达、控制电路板、X射线接收器能接受的电压等级进行供电。
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