CN113049152A - 一种弓网动态接触力监测系统及方法 - Google Patents

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尹永欣
冯唐政
任伟
刘倩
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Abstract

本发明公开了一种弓网动态接触力监测系统及方法，基于受电弓碳滑板的简支梁力学模型，推导了弓网接触力与受电弓应变响应的线性关系，并应用光纤光栅传感器进行应变测量与温度补偿，消除温度影响的同时反演出弓网动态接触力。本发明采用的光纤光栅传感器适用于电车受电弓的监测工作，具有抗电磁干扰，可以在弓网高压接触的强电磁场环境中稳定工作的优点。且本发明弓网动态接触力监测方法测量精度高、传感器安装限制条件少，通过应变实时测量以及相关静态参数标定即可得到动态接触力与接触网接触网作用于受电弓碳滑板位置，对于弓网取流质量的评估具有重要意义。

Description

一种弓网动态接触力监测系统及方法
技术领域
本发明涉及工程力学计量领域，尤其是一种弓网动态接触力监测系统及方法。
背景技术
近年来，我国大力发展公共交通，地铁作为展示城市发展速度的窗口，其运营里程不断攀升。现有的地铁主要采用电力牵引，依靠受电弓在运行状态下从接触网获取电能，因此接触网-受电弓系统的取流质量对于地铁的安全运营至关重要。而作为弓网耦合系统的主要性能指标，受电弓与接触网之间的动态接触力直接影响弓网系统的取流质量。列车在运行过程中，受电弓与接触网接触取流时，在受电弓和接触网间产生一个动态的相互作用，使得受电弓产生位移、弓网系统生成特定形态的振动，振动剧烈时，将造成受电弓碳滑板脱离接触导线的接触，形成弓网离线，产生拉弧现象，加速电器的绝缘损伤，产生电磁干扰影响列车通信，更为严重的情况下，会直接影响列车的取流，进而可能造成供电的瞬时中断，列车运行状态下降丧失牵引力和制动力；而弓网接触力过大，虽降低了离线现象发生的概率，但受电弓与接触网导线之间的磨耗增强，缩短受电弓碳滑板的使用寿命。因此，需要一种准确有效的监测手段对接触网-受电弓之间的动态接触力进行实时监测。
目前测量弓网接触力方法大多采用电类传感器，压力传感器按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号，应变仪则利用金属的应变-电阻效应制成，其抗电磁干扰能力差，造成测量结果不精确；或通过摄像机识别受电弓悬挂弹簧的振动位移来计算内力和惯性力，进而推导接触力，但该方法较为复杂，不适合应用于实际工程中；或通过基于传递函数的方法确定接触力，但该方法精度不足，且推导接触力限制条件过多。
应用光纤光栅传感器的监测技术近些年来发展迅速，已广泛运用于多种结构，为结构的维护、检修和管理决策提供了依据和参考，对保证结构安全发挥了重要作用。光纤光栅传感器适用于电车受电弓的监测工作，具有抗电磁干扰，可以在弓网高压接触的强电磁场环境中稳定工作的优点。而且，光纤光栅传感器具有可复用性，一根光纤可串接多个光纤光栅传感器，极大的简化了安装工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种弓网动态接触力监测系统及方法，具有测量精度高、数据一致性好、传感器安装灵活的优点，不仅可以准确的还原弓网动态接触力，而且可以定位受电弓碳滑板上的弓网接触位置，能够有效的评估弓网耦合系统的性能质量。
第一方面
本发明提供了一种弓网动态接触力监测系统，包括相互连接的传感器采集模块和控制模块；
所述传感器采集模块包括低温敏光纤光栅应变传感器、加速度传感器和温度补偿模块；所述低温敏光纤光栅应变传感器、加速度传感器和温度补偿模块与控制模块电性连接；所述低温敏光纤光栅应变传感器设置在受电弓碳滑板下部的两端，所述温度补偿模块沿垂直于受电弓轴线方向设置在低温敏光纤光栅应变传感器与受电弓的连接处；受电弓碳滑板下部还设有加速度传感器。
优选地，所述温度补偿模块采用微型光纤光栅应变传感器。
优选地，所述微型光纤光栅应变传感器的型号为JMFSS-02。
优选地，所述低温敏光纤光栅应变传感器的型号为JFSS-04。
第二方面
本发明提供了一种弓网动态接触力监测方法，应用第一方面所述的一种弓网接触力监测系统，包括以下步骤：
S1、将受电弓简化为简支梁结构，推导出弓网动态接触力测量方程；
S2、根据温度变化和弓网接触力引起的应变变化建立低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程；根据温度变化和泊松效应建立微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程；
S3、根据低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程推导出弓网接触力引起的应变变化方程；
S4、将弓网接触力引起的应变变化方程代入弓网动态接触力测量方程，反演得到弓网动态接触力及接触网作用于受电弓碳滑板位置。
优选地，所述步骤S1的弓网动态接触力测量方程如下：
Figure BDA0002956939250000031
Figure BDA0002956939250000032
其中，x为受电弓碳滑板上任意点距左端支座距离xf为接触网作用于受电弓位置，F为弓网接触力；ε1、ε2分别为弓网接触力左侧与右侧的轴向应变分布，E和W分别为材料弹性模量和截面抵抗矩；受电弓具有加速度a0，m0为受电弓碳滑板质量，L为碳滑板等效长度。
优选地，所述低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程如下：
ΔλF＝αε,FΔεF+αT,FΔT
Δλμ＝αε,μΔεμ+αT,μΔT
其中，ΔλF为低温敏FBG传感器波长变化值，Δλμ为微型FBG传感器波长变化值，αε,F为低温敏FBG传感器由弓网接触力引起的应变变化系数，αT,F为低温敏FBG传感器由温度引起的应变变化系数，αε,μ为微型FBG传感器由弓网接触力引起的应变变化系数，αT,μ为微型FBG传感器由温度引起的应变变化系数，ΔεF为弓网接触力引起的应变变化值，Δεμ为泊松效应引起的应变变化值，ΔT为温度变化值。
优选地，所述步骤S3具体为：
根据低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程及如下方程：
αT,FΔT＝kαT,μΔT
Δεμ＝-μΔεF
αε＝λB(1-Pe)
Pe＝-dn/n·dε
αT＝λB(αf+ζ)
αf＝dΛ/Λ·dT
ζ＝dn/n·dT
推导可得弓网接触力引起的应变变化方程如下：
Figure BDA0002956939250000041
其中，k为微型FBG传感器温度补偿系数，μ为受电弓碳滑板泊松比，αε为FBG传感器由弓网接触力引起的应变变化系数，λB为光纤光栅的中心波长，Pe为光纤光栅的弹光系数，n为纤芯的有效折射率，ε为应变，αT为FBG传感器由温度引起的应变变化系数，αf为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤材料的热光系数，Λ为光栅周期，T为光栅所处温度场温度。
优选地，所述微型FBG传感器温度补偿系数k通过标定试验得到。
本发明的有益效果：
1.通过推导弓网接触力与受电弓应变响应的线性关系，并应用光纤光栅传感器进行应变测量与温度补偿，从而反演出弓网动态接触力，测量精度高、数据一致性好。
2.采用低温敏光纤光栅(FBG)应变传感器测量应变，采用微型光纤光栅(FBG)应变传感器进行温度补偿，消除温度影响，具有抗电磁干扰且传感器安装灵活的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例监测系统布设于受电弓的结构示意图；
图2为本发明实施例的力学模型示意图。
附图中，1-微型光纤光栅应变传感器；2-低温敏光纤光栅应变传感器；3-加速度传感器；4-受电弓碳滑板；5-受电弓羊角。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，本发明实施例提供了一种弓网动态接触力监测系统，包括相互连接的传感器采集模块和控制模块。低温敏光纤光栅应变传感器、加速度传感器和温度补偿模块与控制模块电性连接。传感器采集模块包括低温敏光纤光栅应变传感器、加速度传感器和温度补偿模块，低温敏光纤光栅应变传感器设置在受电弓碳滑板下部的两端，温度补偿模块沿垂直于受电弓轴线方向设置在低温敏光纤光栅应变传感器与受电弓的连接处，受电弓碳滑板下部还设有加速度传感器。温度补偿模块采用微型光纤光栅应变传感器，微型光纤光栅应变传感器的型号为JMFSS-02，低温敏光纤光栅应变传感器的型号为JFSS-04，加速度传感器的型号为JFACC-02，控制模块采用ARM Cortex A9处理器。
光纤光栅中心波长同时受到光纤轴向应变与周围环境温度的影响，光纤光栅的温度传感特性是由光纤光栅的热光效应和热膨胀效应引起的，温度是直接影响光纤光栅波长的因素。本发明实施例中，在低温敏光纤光栅(FBG)应变传感器测点处沿垂直于受电弓轴线方向布设微型光纤光栅(FBG)应变传感器，微型光纤光栅(FBG)应变传感器对低温敏光纤光栅(FBG)应变传感器进行了温度补偿，消除了温度影响，提高了准确度。
本发明实施例还提供了一种弓网动态接触力监测方法，应用以上所述的一种弓网动态接触力监测系统，将受电弓结构简化为如图2所示的简支梁结构，包括以下步骤：
S1、将受电弓简化为简支梁结构，推导出弓网动态接触力测量方程；
S2、根据温度变化和弓网接触力引起的应变变化建立低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程；根据温度变化和泊松效应建立微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程；
S3、根据低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程推导出弓网接触力引起的应变变化方程；
S4、将弓网接触力引起的应变变化方程代入弓网动态接触力测量方程，反演得到弓网动态接触力及接触网作用于受电弓碳滑板位置。
其中，步骤S1的弓网动态接触力测量方程如下：
Figure BDA0002956939250000061
Figure BDA0002956939250000062
其中，xf为接触网作用于受电弓位置，F为弓网接触力。ε1、ε2分别为弓网接触力左侧与右侧的轴向应变分布，E和W分别为材料弹性模量和截面抵抗矩。受电弓具有加速度a0，m0为受电弓碳滑板质量，L为碳滑板等效长度。
低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程如下：
ΔλF＝αε,FΔεF+αT,FΔT
Δλμ＝αε,μΔεμ+αT,μΔT
其中，ΔλF为低温敏FBG传感器波长变化值，Δλμ为微型FBG传感器波长变化值，ΔεF为弓网接触力引起的应变变化值，Δεμ为泊松效应引起的应变变化值，ΔT为温度变化值。
步骤S3具体为：
根据低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程及如下方程
αT,FΔT＝kαT,μΔT
Δεμ＝-μΔεF
αε＝λB(1-Pe)
Pe＝-dn/n·dε
αT＝λB(αf+ζ)
αf＝dΛ/Λ·dT
ζ＝dn/n·dT
推导可得弓网接触力引起的应变变化方程如下：
Figure BDA0002956939250000071
其中，k为微型FBG传感器温度补偿系数，k通过标定试验得到，μ为受电弓碳滑板泊松比，αε为FBG传感器由弓网接触力引起的应变变化系数，λB为光纤光栅的中心波长，Pe为光纤光栅的弹光系数，n为纤芯的有效折射率，ε为应变，αT为FBG传感器由温度引起的应变变化系数，αf为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤材料的热光系数，Λ为光栅周期，T为光栅所处温度场温度。
根据现场实测结果，由于泊松效应所导致的垂直轴向的应变值变化微小，因此，本发明实施例中设定微型光纤光栅应变传感器为无应力计，微型光纤光栅应变传感器的波长变化仅受温度影响。通过温度标定实验获得微型FBG和低温敏FBG传感器的波长变化关系，求解得到温度补偿系数，从而消除温度对动态接触力测量的影响，提高了准确度。
本发明实施例中，在受电弓上左右两端分别布设一个微型FBG传感器与一个低温敏FBG传感器，将安有微型FBG传感器和低温敏FBG传感器的受电弓放置室外24小时，通过室外温度变化得到微型FBG传感器与低温敏FBG传感器波长变化之间的关系，从而计算得到温度补偿系数。仿真结果表明，将左右两侧微型FBG传感器与低温敏FBG传感器波长变化值线性拟合出方程的值均大于0.999，线性拟合效果良好。
本发明实施例提供了一种弓网动态接触力监测系统及方法，一方面，推导出弓网接触力与受电弓应变响应的线性关系，并应用光纤光栅传感器进行应变测量与温度补偿，从而反演出弓网动态接触力，测量精度高、数据一致性好；另一方面，采用低温敏光纤光栅(FBG)应变传感器测量应变，采用微型光纤光栅(FBG)应变传感器进行温度补偿，消除温度影响，具有抗电磁干扰且传感器安装灵活的优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种弓网动态接触力监测系统，其特征在于：包括相互连接的传感器采集模块和控制模块；
所述传感器采集模块包括低温敏光纤光栅应变传感器、加速度传感器和温度补偿模块；所述低温敏光纤光栅应变传感器、加速度传感器和温度补偿模块与控制模块电性连接；所述低温敏光纤光栅应变传感器设置在受电弓碳滑板下部的两端，所述温度补偿模块沿垂直于受电弓轴线方向设置在低温敏光纤光栅应变传感器与受电弓的连接处；受电弓碳滑板下部还设有加速度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种弓网动态接触力监测系统，其特征在于：所述温度补偿模块采用微型光纤光栅应变传感器。
3.根据权利要求2所述的一种弓网动态接触力监测系统，其特征在于：所述微型光纤光栅应变传感器的型号为JMFSS-02。
4.根据权利要求1所述的一种弓网动态接触力监测系统，其特征在于：所述低温敏光纤光栅应变传感器的型号为JFSS-04。
5.一种弓网动态接触力监测方法，应用权利要求1-4中任一项所述的一种弓网接触力监测系统，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将受电弓简化为简支梁结构，推导出弓网动态接触力测量方程；
S2、根据温度变化和弓网接触力引起的应变变化建立低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程；根据温度变化和泊松效应建立微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程；
S3、根据低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程推导出弓网接触力引起的应变变化方程；
S4、将弓网接触力引起的应变变化方程代入弓网动态接触力测量方程，反演得到弓网动态接触力及接触网作用于受电弓碳滑板位置。
6.根据权利要求5所述的一种弓网动态接触力监测方法，其特征在于：所述步骤S1的弓网动态接触力测量方程如下：
Figure FDA0002956939240000021
Figure FDA0002956939240000022
其中，ε1、ε2分别为弓网接触力左侧与右侧的轴向应变分布，F为弓网接触力，L为碳滑板等效长度，xf为接触网作用于受电弓位置，x为受电弓碳滑板上任意点距左端支座距离，m0为受电弓碳滑板质量，受电弓具有加速度a0，E和W分别为材料弹性模量和截面抵抗矩。
7.根据权利要求5所述的一种弓网动态接触力监测方法，其特征在于：所述低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程如下：
ΔλF＝αε,FΔεF+αT,FΔT
Δλμ＝αε,μΔεμ+αT,μΔT
其中，ΔλF为低温敏光纤光栅传感器波长变化值，Δλμ为微型光纤光栅传感器波长变化值，αε,F为低温敏光纤光栅传感器由弓网接触力引起的应变变化系数，αT,F为低温敏光纤光栅传感器由温度引起的应变变化系数，αε,μ为微型光纤光栅传感器由弓网接触力引起的应变变化系数，αT,μ为微型光纤光栅传感器由温度引起的应变变化系数，ΔεF为弓网接触力引起的应变变化值，Δεμ为泊松效应引起的应变变化值，ΔT为温度变化值。
8.根据权利要求7所述的一种弓网动态接触力监测方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：
根据低温敏光纤光栅应变传感器的波长变化方程和微型光纤光栅应变传感器的波长变化方程及如下方程：
αT,FΔT＝kαT,μΔT
Δεμ＝-μΔεF
αε＝λB(1-Pe)
Pe＝-dn/n·dε
αT＝λB(αf+ζ)
αf＝dΛ/Λ·dT
ζ＝dn/n·dT
推导可得弓网接触力引起的应变变化方程如下：
Figure FDA0002956939240000031
其中，k为微型光纤光栅传感器温度补偿系数，μ为受电弓碳滑板泊松比，αε为光纤光栅传感器由弓网接触力引起的应变变化系数，λB为光纤光栅的中心波长，Pe为光纤光栅的弹光系数，n为纤芯的有效折射率，ε为应变，αT为光纤光栅传感器由温度引起的应变变化系数，αf为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤材料的热光系数，Λ为光栅周期，T为光栅所处温度场温度。
9.根据权利要求8所述的一种弓网动态接触力监测方法，其特征在于：所述微型光纤光栅传感器温度补偿系数k通过标定试验得到。
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