CN113483959B - 动车组气动设备气体泄漏无源检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及动车组气动设备气体泄漏无源检测装置及方法，其将四个超声传感器组成传感阵列，通过探测超声波信号，间接探测是否存在高压气体泄漏点，实现动车组压缩空气早期泄露故障的检测。针对高铁动车复杂的工作环境，本发明提出一种无源超声光学超声传感器，具有抗电磁干扰，可靠性高的优点。通过采用波分复用技术，实现所有超声传感器共用一个光源，降低系统的成本。采用微波调制，相位解调的方法，具有检测灵敏度高的优点。本发明的无源超声波泄漏点检测方案，具有无源、抗电磁干扰、可靠性高等优点，尤其适合高铁动车电磁环境复杂的场合。

Description

动车组气动设备气体泄漏无源检测装置及方法
技术领域
本发明属于列车故障检测技术领域，涉及动车组气动设备气体泄漏无源检测装置及方法。
背景技术
高铁动车组众多关键系统需要使用到压缩气体，如动车组的制动系统、受电弓、主断路器、空气弹簧、雨刷器、车钩、汽笛、卫生间、空调系统的风门控制等，均需使用到压缩空气。压缩空气为制动系统的制动控制以及基础制动装置实现制动所需的制动力提供“源动力”，压缩空气密闭性能直接影响动车组的运行性能。稳定的压缩空气供给，是保证动车组众多关键系统良好运行及工作的基础。因此，每天均需耗费大量的人力对动车组的压缩气体管路进行测试，防止出现泄漏点。
然而传统的压力检测方式，灵敏度较低，无法对微小的泄露进行检测。而采用麦克风检测的方式，极易受环境声音的影响，也无法对微弱的泄露点进行检测。因此，目前高速动车组的压缩空气泄漏的检测方法仍然使用气泡法、涂抹法等传统检测方法，即将液体肥皂涂抹在压缩气体管路，检测是否存在泄漏点。但是，这些检测方法周期长、精度低、检测结果极大依赖于工作人员的经验。因此，存在着极大的安全隐患。此外，由于高铁动车所处的电磁环境复杂，包含各类高低压设备，因此传统的有源电子式传感器存在潜在的风险，其可靠性也存疑。
发明内容
本发明针对现有动车组压缩气体管路泄漏点检测存在周期长、检测环境电磁干扰，提出动车组气动设备气体泄漏无源检测装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，包括宽带光源、光耦合器、第一超声传感器、第二超声传感器、第三超声传感器、第四超声传感器、驱动单元、解复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和信号处理单元；所述宽带光源的输出光端口与所述光耦合器的光端口相连，所述宽带光源的输入电端口与所述驱动单元的输出电端口相连；所述第一超声传感器、所述第二超声传感器、所述第三超声传感器、所述第四超声传感器和所述解复用器的光端口分别与所述光耦合器的光端口相连；所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和所述第四光电探测器各自的输入电端口分别与所述解复用器的输出光端口相连；所述信号处理单元分别与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器、所述第四光电探测器和所述驱动单元的电端口相连。
进一步地，超声传感器包括光纤、透镜、滤波反射薄膜和振动薄膜，所述滤波反射薄膜喷涂在所述振动薄膜内侧面上，所述透镜一侧正对着所述滤波反射薄膜，所述透镜另一侧与所述光纤的一个光端口相连；所述第一超声传感器、所述第二超声传感器、所述第三超声传感器和所述第四超声传感器各自的滤波反射薄膜反射光波的波长各不相同。
进一步地，四个超声传感器呈十字敷设，构成超声波探测阵列。
进一步地，所述信号处理单元包括时钟源、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第四混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、A/D阵列和MCU；所述时钟源的输出端口分别与所述驱动单元、所述第一混频器、所述第二混频器、所述第三混频器和所述第四混频器的输入端口连接；所述第一混频器、所述第二混频器、所述第三混频器和所述第四混频器的另一个输入端口分别一一对应地与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和所述第四光电探测器的输出端口连接；所述第一混频器、所述第二混频器、所述第三混频器和所述第四混频器的输出端口分别一一对应地与所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器、所述第三低通滤波器、所述第四低通滤波器的输入端口连接，所述A/D阵列的输入端口分别与所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器、所述第三低通滤波器、所述第四低通滤波器的输出端口连接，所述A/D阵列的输出端口与所述MCU的输入端口连接。
动车组气动设备气体泄漏无源检测方法，采用上述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，包括如下步骤：
步骤一、时钟源将频率为f0的时钟信号分别送入驱动单元、第一混频器、第二混频器、第三混频器和第四混频器中；驱动单元驱动宽带光源发出频率为f0的调制光信号，调制信号的功率表示为A0 cos(2πf0t)，其中，A0表示幅度，t表示时间；调制光信号经过光耦合器后四等分，分别送入第一超声传感器、第二超声传感器、第三超声传感器和第四超声传感器；超声传感器中的光波信号经透镜扩束准直后，垂直入射滤波反射薄膜，四个超声传感器的滤波反射薄膜分别将波长为λ1、λ2、λ3和λ4的光波反射，反射光沿着原路返回；反射光经过光耦合器和解复用器后，分别送入第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器；光电探测器将光信号转为电信号，然后分别送入信号处理单元中；
步骤二、当压缩气体管路出现压缩气体泄漏时，将在泄漏点附近产生超声波；当超声波信号到达振动薄膜时，导致振动薄膜发生同频振动，其微小的位移ΔL＝α·A1cos(2πf1t)，其中，α、A1和f1依次表示振动薄膜位移系数、超声波振幅和超声波频率；此时，当调制频率为f0的光波入射至振动薄膜时，其反射光将携带振动信息，表示为A0cos(2πf0t+2f0·ΔL/c)，其中，c表示光波在空气中的速度；
步骤三、反射光经过第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器后分别送入第一混频器、第二混频器、第三混频器和第四混频器，并分别与时钟源的输出信号混频，混频信号表示为C0[cos(4πf0t+2f0·ΔL/c)+cos(2f0·ΔL/c)]，其中，C0表示混频系数；混频信号分别经过第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器后，滤掉高频信息，得到超声信息
Figure BDA0003140789080000031
步骤四、携带模拟超声信号经过A/D阵列后，转为数学信号，送入MCU，进行后续处理。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本发明针对高速动车组的压缩空气管路泄漏点快速检测的需求，运用压缩空气泄漏初期的微小泄漏会在空气中产生高于人耳感知的超声特性，将四个超声传感器组成传感阵列，通过探测超声波信号，间接探测是否存在高压气体泄漏点，实现动车组压缩空气早期泄露故障的检测。与传统泄漏方法相比，具有简单、高速的优点。
2、针对高铁动车复杂的工作环境，本发明方案中提出一种无源超声光学超声传感器，具有抗电磁干扰，可靠性高的优点。通过采用波分复用技术，实现所有超声传感器共用一个光源，降低系统的成本。采用微波调制，相位解调的方法，具有检测灵敏度高的优点。
本发明的无源超声波泄漏点检测方案，具有无源、抗电磁干扰、可靠性高等优点，尤其适合高铁动车电磁环境复杂的场合。
附图说明
图1为动车组气动设备气体泄漏检测装置的结构示意图；
图2为超声波探测阵列的布置结构图；
图3为超声传感器的结构示意图；
图4为信号处理单元的结构示意图；
图5为本发明检测到的超声波波形图；
附图标记：1-宽带光源，2-光耦合器，31-第一超声传感器，32-第二超声传感器，33-第三超声传感器，34-第四超声传感器，4-驱动单元，5-解复用器，61-第一光电探测器，62-第二光电探测器，63-第三光电探测器，64-第四光电探测器，7-信号处理单元，71-时钟源，721-第一混频器，722-第二混频器，723-第三混频器，724-第四混频器，731-第一低通滤波器，732-第二低通滤波器，733-第三低通滤波器，734-第四低通滤波器，74-A/D阵列，75-MCU；8-光纤，9-透镜，10-滤波反射薄膜，11-振动薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，包括宽带光源1、光耦合器2、第一超声传感器31、第二超声传感器32、第三超声传感器33、第四超声传感器34、驱动单元4、解复用器5、第一光电探测器61、第二光电探测器62、第三光电探测器63、第四光电探测器64和信号处理单元7。宽带光源1的输出光端口与光耦合器2的光端口相连，宽带光源1的输入电端口与驱动单元4的输出电端口相连。第一超声传感器31、第二超声传感器32、第三超声传感器33、第四超声传感器34和解复用器5的光端口分别与光耦合器2的其他光端口相连。第一光电探测器61、第二光电探测器62、第三光电探测器63和第四光电探测器64各自的输入电端口分别与解复用器5的输出光端口相连。信号处理单元7分别与第一光电探测器61、第二光电探测器62、第三光电探测器63、第四光电探测器64和驱动单元4的电端口相连。
具体地，如图3所示，超声传感器包括光纤8、透镜9、滤波反射薄膜10和振动薄膜11，滤波反射薄膜10喷涂在振动薄膜11内侧面上，透镜9一侧正对着滤波反射薄膜10，透镜9另一侧与光纤8的一个光端口相连(光纤8的另一光端口与光耦合器2相连)。第一超声传感器31、第二超声传感器32、第三超声传感器33和第四超声传感器34各自的滤波反射薄膜10反射光波的波长各不相同。
如图2所示，本实施例中，四个超声传感器呈十字敷设，构成超声波探测阵列。
如图4所示，信号处理单元7包括时钟源71、第一混频器721、第二混频器722、第三混频器723、第四混频器724、第一低通滤波器731、第二低通滤波器732、第三低通滤波器733、第四低通滤波器734、A/D阵列74和MCU75。时钟源71的输出端口分别与驱动单元4、第一混频器721、第二混频器722、第三混频器723和第四混频器724的输入端口连接。第一混频器721、第二混频器722、第三混频器723和第四混频器724的另一个输入端口分别一一对应地与第一光电探测器61、第二光电探测器62、第三光电探测器63和第四光电探测器64的输出端口连接。第一混频器721、第二混频器722、第三混频器723和第四混频器724的输出端口分别一一对应地与第一低通滤波器731、第二低通滤波器732、第三低通滤波器733、第四低通滤波器734的输入端口连接，A/D阵列74的输入端口分别与第一低通滤波器731、第二低通滤波器732、第三低通滤波器733、第四低通滤波器734的输出端口连接，A/D阵列74的输出端口与MCU75的输入端口连接。
动车组气动设备气体泄漏无源检测方法，采用上述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，包括如下步骤：
步骤一、时钟源71将频率为f0的时钟信号分别送入驱动单元4、第一混频器721、第二混频器722、第三混频器723和第四混频器724中。驱动单元4驱动宽带光源1发出频率为f0的调制光信号，调制信号的功率表示为A0cos(2πf0t)，其中，A0表示幅度，t表示时间。调制光信号经过光耦合器2后四等分，分别送入第一超声传感器31、第二超声传感器32、第三超声传感器33和第四超声传感器34。超声传感器中的光波信号经透镜9扩束准直后，垂直入射滤波反射薄膜10，四个超声传感器的滤波反射薄膜10分别将波长为λ1、λ2、λ3和λ4的光波反射，反射光沿着原路返回。反射光经过光耦合器2和解复用器5后，分别送入第一光电探测器61、第二光电探测器62、第三光电探测器63、第四光电探测器64。光电探测器将光信号转为电信号，然后分别送入信号处理单元7中。
步骤二、当压缩气体管路出现压缩气体泄漏时，将在泄漏点附近产生超声波。当超声波信号到达振动薄膜11时，导致振动薄膜11发生同频振动，其微小的位移ΔL＝α·A1cos(2πf1t)，其中，α、A1和f1依次表示振动薄膜位移系数、超声波振幅和超声波频率。此时，当调制频率为f0的光波入射至振动薄膜11时，其反射光将携带振动信息，表示为A0cos(2πf0t+2f0·ΔL/c)，其中，c表示光波在空气中的速度。
步骤三、反射光经过第一光电探测器61、第二光电探测器62、第三光电探测器63和第四光电探测器64后分别送入第一混频器721、第二混频器722、第三混频器723和第四混频器724，并分别与时钟源71的输出信号混频，混频信号表示为C0[cos(4πf0t+2f0·ΔL/c)+cos(2f0·ΔL/c)]，其中，C0表示混频系数。混频信号分别经过第一低通滤波器731、第二低通滤波器732、第三低通滤波器733、第四低通滤波器734后，滤掉高频信息，得到超声信息
Figure BDA0003140789080000061
步骤四、携带模拟超声信号经过A/D阵列74后，转为数学信号，送入MCU75，进行后续处理。
以上显示和描述了本发明创造的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本设计不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本设计的原理，在不脱离本设计精神和范围的前提下，本发明创造还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本设计范围内。本发明创造要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，包括宽带光源(1)、光耦合器(2)、第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)、第四超声传感器(34)、驱动单元(4)、解复用器(5)、第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)、第四光电探测器(64)和信号处理单元(7)；宽带光源(1)的输出光端口与光耦合器(2)的光端口相连，宽带光源(1)的输入电端口与驱动单元(4)的输出电端口相连；第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)、第四超声传感器(34)和解复用器(5)的光端口分别与光耦合器(2)的光端口相连；第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)和第四光电探测器(64)各自的输入电端口分别与解复用器(5)的输出光端口相连；信号处理单元(7)分别与第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)、第四光电探测器(64)和驱动单元(4)的电端口相连；超声传感器包括光纤(8)、透镜(9)、滤波反射薄膜(10)和振动薄膜(11)，滤波反射薄膜(10)喷涂在振动薄膜(11)内侧面上，透镜(9)一侧正对着滤波反射薄膜(10)，透镜(9)另一侧与光纤(8)的一个光端口相连；第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)和第四超声传感器(34)各自的滤波反射薄膜(10)反射光波的波长各不相同。
2.根据权利要求1所述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，四个超声传感器呈十字敷设，构成超声波探测阵列。
3.根据权利要求2所述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，信号处理单元(7)包括时钟源(71)、第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)、第四混频器(724)、第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)、A/D阵列(74)和MCU(75)；时钟源(71)的输出端口分别与驱动单元(4)、第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)的输入端口连接；第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)的另一个输入端口分别一一对应地与第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)和第四光电探测器(64)的输出端口连接；第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)的输出端口分别一一对应地与第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)的输入端口连接，A/D阵列(74)的输入端口分别与第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)的输出端口连接，A/D阵列(74)的输出端口与MCU(75)的输入端口连接。
4.动车组气动设备气体泄漏无源检测方法，采用权利要求3所述的动车组气动设备气体泄漏无源检测装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、时钟源(71)将频率为f0的时钟信号分别送入驱动单元(4)、第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)中；驱动单元(4)驱动宽带光源(1)发出频率为f0的调制光信号，调制信号的功率表示为A0cos(2πf0t)，其中，A0表示幅度，t表示时间；调制光信号经过光耦合器(2)后四等分，分别送入第一超声传感器(31)、第二超声传感器(32)、第三超声传感器(33)和第四超声传感器(34)；超声传感器中的光波信号经透镜(9)扩束准直后，垂直入射滤波反射薄膜(10)，四个超声传感器的滤波反射薄膜(10)分别将波长为λ1、λ2、λ3和λ4的光波反射，反射光沿着原路返回；反射光经过光耦合器(2)和解复用器(5)后，分别送入第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)、第四光电探测器(64)；光电探测器将光信号转为电信号，然后分别送入信号处理单元(7)中；
步骤二、当压缩气体管路出现压缩气体泄漏时，将在泄漏点附近产生超声波；当超声波信号到达振动薄膜(11)时，导致振动薄膜(11)发生同频振动，其微小的位移ΔL＝α·A1cos(2πf1t)，其中，α、A1和f1依次表示振动薄膜位移系数、超声波振幅和超声波频率；此时，当调制频率为f0的光波入射至振动薄膜(11)时，其反射光将携带振动信息，表示为A0cos(2πf0t+2f0·ΔL/c)，其中，c表示光波在空气中的速度；
步骤三、反射光经过第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第三光电探测器(63)和第四光电探测器(64)后分别送入第一混频器(721)、第二混频器(722)、第三混频器(723)和第四混频器(724)，并分别与时钟源(71)的输出信号混频，混频信号表示为C0[cos(4πf0t+2f0·ΔL/c)+cos(2f0·ΔL/c)]，其中，C0表示混频系数；混频信号分别经过第一低通滤波器(731)、第二低通滤波器(732)、第三低通滤波器(733)、第四低通滤波器(734)后，滤掉高频信息，得到超声信息
Figure FDA0003884501630000021
步骤四、携带模拟超声信号经过A/D阵列(74)后，转为数学信号，送入MCU(75)，进行后续处理。
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