CN115183808A - 受电弓的监测系统、光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种受电弓的监测系统、光纤传感器，所述系统包括：一个或多个光纤传感器，所述光纤传感器安装在所述受电弓上，用于接收激光信号；处理器，与所述光纤传感器耦接，用于处理所述光纤传感器采集的信号；其中，所述光纤传感器具有光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足公式：

本发明可以在数据分析过程中，避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，有效防止串码。

Description

受电弓的监测系统、光纤传感器

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种受电弓的监测系统、光纤传感器。

背景技术

随着中国城镇化率不断提高，人口向城市流动造成城市人口骤增，交通出行压力持续增加。与其他城市交通运输方式相比，轨道交通在公共交通运输方式中效率最高，是解决城市出行问题的最佳方式之一。以高速铁路和城市地铁为代表的轨道交通已经成为人们出行的主要交通工具，国内高铁市场在“八纵八横”规划下，未来高速铁路网络将逐步完善，对高铁车辆(如电客车)的产生会有更高的需求。

具体地，高频次人群密集型出行为轨道交通行业的运营安全带去严重的挑战，其中，电客车良好的受电弓工作状态、接触线的工作状态，以及受电弓与接触线之间的受流关系是电客车运营安全的重中之重。

然而，在现有的一种监测技术中，采用机器视觉传感器对受电弓及其接触线的状态进行监测，准确性较低且失误率较高。

在现有的另一种监测技术中，采用电子类传感器对受电弓及其接触线的状态进行监测，然而由于尺寸大、体积大、重量重，容易影响受电弓正常运行，并且由于电子类传感器为有源器件，其信号传输电缆存在安全隐患，安装、布线工艺不当或外力机械损伤后会引发严重的电气绝缘事故，甚至会将车顶高压引入对人员安全造成威胁，且采集到的信号往往受电磁干扰严重，为后续数据准确分析带来巨大困难。

亟需一种受电弓的监测系统，基于体积更小、重量更轻的监测元件采集监测参数，从而避免影响受电弓正常运行，提高实时采集、分析、反馈受电弓、接触线和弓网关系相关的运行参数的精确性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种受电弓的监测系统、光纤传感器，可以在数据分析过程中，避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，有效防止串码。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种受电弓的监测系统，包括：一个或多个光纤传感器，所述光纤传感器安装在所述受电弓上，用于接收激光信号；处理器，与所述光纤传感器耦接，用于处理所述光纤传感器采集的信号；其中，所述光纤传感器具有光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_FP用于表示所述光学干涉腔的腔长，k_mid用于表示所述光纤传感器的预设的纵模数，k_mid的取值范围为正整数，且k_mid≥2，W_laser用于表示发出所述激光信号的激光器的带宽，λ_ctr用于表示所述激光器的带宽的中心点波长值；所述光学干涉腔包括位于腔体两端的反射镜，所述光学干涉腔的腔长为两个反射镜之间的间距。

可选的，所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_ctr用于表示所述光学干涉腔的腔长。

可选的，所述光纤传感器为无源传感器。

可选的，所述光纤传感器包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括弓头支座；对于安装有接触力传感器的弓头，所述接触力传感器安装在弓头支座的内部或表面。

可选的，所述接触力传感器成对设置，且成对的接触力传感器分别安装于同一个弓头的两端的弓头支座。

可选的，所述弓头支座与所述接触力传感器一一对应，每个弓头支座的内部或表面都安装有对应的接触力传感器。

可选的，所述接触力传感器的内部嵌入有温度传感器，或者，所述接触力传感器耦接有温度传感器。

可选的，所述压力信号用于指示所述受电弓的碳滑板结构的质量；所述处理器采用下述公式，确定所述碳滑板结构的磨耗量：

ΔG_0,i(t)＝G'_0,i(t)-G_0,i

其中，G_0,i用于表示第i组碳滑板结构在未磨耗时的初始质量，G’_0,i(t)用于表示第i组碳滑板结构在时刻t的质量，K_G,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器的接触力系数，λ_D,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在无任何受力状态下的波长值，λ_CS,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在第i组碳滑板结构未磨耗时的波长值，λ’_CS,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在时刻t的波长值，N_S用于表示同一组碳滑板上接触力传感器的数量，i用于表示所述碳滑板结构的序号，j用于表示每个碳滑板结构的接触力传感器的序号。

可选的，所述压力信号用于指示所述弓头与接触线之间的弓网间接触力；所述处理器采用下述公式，确定所述弓头与接触线之间的弓网间接触力：

F_S,i,j(t)＝K_S,i,j[λ_i,j(t)-λ_0,i,j+k_T,i,j(T(t)-T₀)]

其中，F_S,i,j(t)用于表示受电弓弓头第i组碳滑板的第j个弓头支座上的接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，K_S,i,j用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器的接触力系数，λ_i,j(t)用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器在t时刻的波长值，λ_0,i,j用于表示受电弓弓头在与接触线之间无相互力的作用时，第i组碳滑板的第j个接触力传感器的波长值，k_T,i,j用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时的温度值，F_cp(t)用于表示受电弓弓头与接触线之间在t时刻的接触力值，N_C用于表示受电弓弓头上碳滑板的数量，N_S用于表示同一组碳滑板上弓头支座的数量。

可选的，所述光纤传感器包括至少一个加速度传感器以对加速度信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括碳滑板、分别与所述碳滑板的两端连接的弓头支座以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板以及各个弓头支座；对于安装有加速度传感器的弓头，所述加速度传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上。

可选的，所述加速度传感器成对设置；其中，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头的两端的弓头支座，或者，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头的两端的连接部件。

可选的，所述弓头支座与所述加速度传感器一一对应，每个弓头支座的内部或表面都安装有对应的加速度传感器。

可选的，所述加速度传感器为光纤三轴加速度传感器。

可选的，所述加速度传感器的内部嵌入有电流传感器，或者，所述加速度传感器耦接有电流传感器。

可选的，所述加速度信号用于指示至少一个弓头在横向方向上的加速度，以及至少一个弓头在垂向方向上的加速度；所述处理器采用下述公式，确定所述弓头的垂向和横向的振动位移：

其中，d_H(t)用于表示所述弓头在t时刻在横向方向上的位移值，d_0,H用于表示所述弓头在横向方向上的初始位移值，v_0,H用于表示所述弓头在横向方向上的初始速度值，a_H(t)用于表示所述弓头在t时刻的横向方向上的加速度值，d_V(t)用于表示所述弓头在t时刻的垂向方向上的位移值，d_0,V用于表示所述弓头在垂向方向上的初始位移值，v_0,V用于表示受电弓弓头在垂向方向上的初始速度值，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值。

可选的，所述光纤传感器还包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括弓头支座；对于安装有接触力传感器的弓头，所述接触力传感器安装在弓头支座的内部或表面；所述压力信号用于指示所述弓头与接触线之间的弓网间接触力；所述加速度信号用于指示至少一个弓头在横向方向上的加速度，以及至少一个弓头在垂向方向上的加速度；所述处理器采用下述公式，确定所述弓头在垂向方向上的加速度值以及所述弓头与接触线之间的弓网间接触力：

a_V(t)＝K_V[λ_V(t)-λ_0,V+k_T,V(T(t)-T₀)]

F_S(t)＝K_S[λ_S(t)-λ_0,S+k_T,S(T(t)-T₀)]

其中，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值，K_V用于表示加速度传感器在垂向方向上的加速度系数，λ_V(t)用于表示加速度传感器垂向方向上在t时刻的波长值，λ_0,V用于表示加速度传感器垂向方向上在静止状态下的波长值，k_T,V用于表示加速度传感器垂向方向上的温漂系数，F_S(t)用于表示所述接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，K_S用于表示接触力传感器的接触力系数，λ_S(t)用于表示接触力传感器在t时刻的波长值，λ₀,_S用于表示受电弓弓头在与接触线之间无相互力的作用时，接触力传感器的波长值，k_T,S用于表示接触力传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值T，T₀用于表示初始时的温度值。

可选的，所述光纤传感器还包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括弓头支座；对于安装有接触力传感器的弓头，所述接触力传感器安装在弓头支座的内部或表面；所述压力信号用于指示所述弓头与接触线之间的弓网间接触力；所述加速度信号用于指示至少一个弓头在纵向方向上的加速度；所述处理器采用下述公式，确定所述接触线的拉出值：

或者

其中，Z_C(t)用于表示接触线的在t时刻的拉出值，定义列车前进方向右侧Z_C为负值，列车前进方向左侧Z_C为正值，L_S为同一组碳滑板两端具有缓冲或/和阻尼系统的弓头支座中心之间的距离，F_S,i,drg和F_S,i,gch分别用于表示受电弓弓头第i组碳滑板的右侧和左侧2个弓头支座上的接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，v_L(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的纵向方向上的速度值，v_0,L用于表示受电弓弓头在纵向方向上的初始速度值，a_L(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的纵向方向上的加速度值a_L，D_L(t)用于表示列车在t时刻的行驶距离，D_0,L用于表示列车的初始行驶距离。

可选的，所述加速度信号用于指示至少一个弓头在垂向方向上的加速度；所述处理器采用下述公式，确定接触线的导高值：

其中，v_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的速度值，v_0,V用于表示受电弓弓头的垂向方向上的初始速度值，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值，h_C(t)用于表示在t时刻的接触线的导高值，h_Tr用于表示受电弓所在车厢的车顶相对于地平面的高度，h_cp,0(P_A,0)用于表示在气囊/气缸的压强值为P_A,0时，受电弓弓头碳滑板上表面相对于车顶的高度，P_A,0用于表示在正常受流时所需的弓网间接触力时的静止升弓状态下的气囊/气缸的压强值。

可选的，所述光纤传感器包括至少一个温度传感器以对温度信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括碳滑板、分别与所述碳滑板的两端连接的弓头支座以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板以及各个弓头支座；对于安装有温度传感器的弓头，所述温度传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上。

可选的，所述光纤传感器包括至少一个电流传感器以对电流信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括碳滑板、分别与所述碳滑板的两端连接的弓头支座以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板以及各个弓头支座；对于安装有电流传感器的弓头，所述电流传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上。

可选的，所述光纤传感器包括至少一个载荷传感器以对载荷信号进行采集，所述受电弓包括四连杆结构；所述载荷传感器安装在以下一处或多处：四连杆结构的上臂、四连杆结构的下臂、四连杆结构的下导杆。

可选的，所述载荷传感器的内部嵌入有温度传感器，或者，所述载荷传感器耦接有温度传感器。

可选的，所述载荷传感器安装在所述下导杆任意截面的同一个截面圆周上，所述载荷信号用于指示所述下导杆的拉力；所述处理器采用下述公式，确定所述下导杆的拉力值：

其中，F_pf(t)用于表示所述下导杆在t时刻的拉力值，N用于表示在所述下导杆的同一横截面上的载荷传感器的总数量，K_pf,n用于表示第n个光纤载荷传感器的拉力系数，λ_n(t)用于表示第n个载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0,n用于表示第n个光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T,n用于表示第n个光纤载荷传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

可选的，所述载荷传感器成对地安装在所述下导杆任意截面的同一个截面圆周上，且所述成对的载荷传感器呈中心对称，所述载荷信号用于指示所述下导杆的弯矩；所述处理器采用下述公式，确定所述下导杆的弯矩值：

M_i,i-opp(t)＝K_M,i{λ_i(t)-λ_0,i+k_T,i[T(t)-T₀]}-K_M-opp,i-opp{λ_opp,i-opp(t)-λ_0-opp,i-opp+k_T-opp,i-opp[T(t)-T₀]}

其中，i＝1,2,3,…,I，

其中，M_i,i-opp(t)用于表示所述下导杆第i,i-opp弯曲方向上在t时刻的弯矩值，N用于表示在所述下导杆的同一横截面上的载荷传感器的总数量，I用于表示下导杆同一横截面上正对向的两支载荷传感器的配对数量，K_M,i用于表示下导杆第i个载荷传感器的弯矩系数，λ_i(t)用于表示第i个光纤载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0,i用于表示第i个光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T,i用于表示第i个光纤载荷传感器的温漂系数，K_M-opp,i-opp用于表示下导杆第i个光纤载荷传感器所正对向的光纤载荷传感器的弯矩系数，λ_opp,i-opp(t)用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0-opp,i-opp用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T-opp,i-opp用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

可选的，所述光纤传感器包括至少一个应变传感器以对形变信号进行采集，所述受电弓包括四连杆结构和底架；所述应变传感器安装在以下一处或多处：所述四连杆结构的上臂、所述四连杆结构的下臂、所述四连杆结构的下导杆以及所述底架。

可选的，所述光纤传感器包括至少一个气压传感器以对气压信号进行采集，所述受电弓包括气囊和/或气缸、气动控制箱、连接所述气动控制箱的气路管道；所述气压传感器安装在以下一处或多处：所述气囊和/或气缸上、所述气动控制箱的内部或表面、耦接所述气路管道。

可选的，所述气压传感器的内部嵌入有温度传感器，或者，所述气压传感器耦接有温度传感器。

可选的，所述气压信号用于指示所述受电弓气囊或气缸内的气压压强值；所述处理器采用下述公式，确定所述受电弓气囊或气缸内的气压压强值：

P_A(t)＝K_A[λ(t)-λ₀+k_T(T(t)-T₀)]

其中，P_A(t)用于表示气囊/气缸在t时刻的压强值，K_A用于表示所述气压传感器的压强系数，λ(t)用于表示所述气压传感器在t时刻的波长值，λ₀用于表示气囊/气缸在没有被充气时，所述气压传感器的波长值，k_T用于表示所述气压传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

可选的，所述受电弓选自：弹簧箱式受电弓、板簧式受电弓以及拉簧式受电弓。

可选的，所述光纤传感器的安装方式选自：螺丝紧固、嵌入、焊接、黏贴和植入。

可选的，所述处理器包括FPGA以及多路模数转换模块；其中，所述FPGA用于控制所述多路模数转换模块完成模拟-数字信号转换及光谱分析，并输出各个光纤传感器的波长值。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光纤传感器，所述光纤传感器用于接收激光信号，所述光纤传感器包括：光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_FP用于表示所述光学干涉腔的腔长，k_mid用于表示所述光纤传感器的预设的纵模数，k_mid的取值范围为正整数，且k_mid≥2，W_laser用于表示发出所述激光信号的激光器的带宽，λ_ctr用于表示所述激光器的带宽的中心点波长值；所述光学干涉腔包括位于腔体两端的反射镜，所述光学干涉腔的腔长为两个反射镜之间的间距。

可选的，所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_ctr用于表示所述光学干涉腔的腔长。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，根据发出激光信号的激光器的带宽、所述激光器的带宽的中心点波长值以及光纤传感器的预设的纵模数，可以采用公式确定光学干涉腔的腔长，以使得从所述光学干涉腔输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，从而在数据分析过程中，避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，有效防止串码。进一步地，基于上述腔长限制，可以实现形成小尺寸、小体积的光纤传感器，进而有利于使得制造出的传感器芯片在保持参数一致性好、灵敏度高、动态范围大和线性度好、性能稳定、可靠性强等优点的基础上，实现结构紧凑，质量更轻，有助于安装在车辆(如电客车)的车顶或内部，相比于现有技术中采用电子类传感器，由于体积大、质量重，不能安装在电客车，而只能安装在检测车、工程车或货运机车上，采用本发明实施例中的技术方案，不仅避免影响受电弓正常运行，所述受电弓的监测系统还能实现多方位监测，实时精确采集、分析、反馈受电弓、接触线和弓网关系相关的运行参数。

进一步，通过设置光学干涉腔的腔长满足腔长公式，可以使得从所述光学干涉腔输出的梳状型光谱中，不仅有且只有单个波峰位于所述激光器的带宽内，而且该波峰还位于所述激光器的带宽的中心位置，从而在分析过程中，更容易避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，进一步有效防止串码，进一步地，当波峰位于所述激光器的带宽的中心位置时，可以实现激光器的满光带宽测量。

进一步，所述光纤传感器为无源传感器，通过采用无源传感器，可以实现探测端不带电的无源探测，有效提高抗电磁的能力，有助于避免由于供电对客车乘客带来的危险，不会造成电气化事故，以及避免探测造成的干扰，保证监测的正常进行以及提高检测准确性。

进一步，对于安装有接触力传感器的弓头，通过设置至少一个接触力传感器安装在弓头支座的内部或表面，有机会监测接触线硬点、拉出值，弓网间接触力、冲击和燃弧。

进一步，所述接触力传感器成对设置，且成对的接触力传感器分别安装于同一个弓头的两端的弓头支座，有机会监测弓网间接触力，受电弓碳滑板磨耗量、磨耗区域和偏磨。

进一步，所述弓头支座与所述接触力传感器一一对应，每个弓头支座的内部或表面都安装有对应的接触力传感器，可以监测所有弓头，避免由于漏检而留下隐患。

进一步，对于安装有加速度传感器的弓头，所述加速度传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上，有机会监测接触线硬点、冲击、导高值，以及对柔性网和刚性网进行有效区分。

进一步，所述加速度传感器成对设置，其中，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头的两端的弓头支座，或者，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头的两端的连接部件，还可以利用同一个弓头两端的加速度信号，有效监测该弓头的稳定性。

进一步，对于安装有温度传感器的弓头，所述温度传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上，有机会根据温度信号，监测弓网间燃弧。

进一步，对于安装有电流传感器的弓头，所述电流传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上，有机会根据电流信号，监测弓网间燃弧。

进一步，载荷传感器安装在所述四连杆的以下一处或多处：上臂、下臂、下导杆，可以监测上臂、下臂、下导杆的拉力、弯矩，进一步地，设置于下导杆的载荷传感器还可以用于监测下导杆两端的连接轴的卡滞。

进一步，应变传感器安装在以下一处或多处：四连杆结构的上臂、四连杆结构的下臂、四连杆结构的下导杆以及底架，有机会根据形变信号，监测四连杆结构的上臂、四连杆结构的下臂、四连杆结构的下导杆以及底架的疲劳度。

进一步，气压传感器安装在以下一处或多处：气囊和/或气缸上、所述气动控制箱的内部或表面、耦接所述气路管道，有机会根据气压信号，监测受电弓的气囊或气缸的压力，以及对升降弓故障进行监测。

进一步，所述处理器包括FPGA以及多路模数转换模块；其中，所述FPGA用于控制所述多路模数转换模块完成模拟-数字信号转换及光谱分析，并输出各个光纤传感器的波长值，相比于采用数字信号处理器采集和处理信号，只能适用于系统较低取样速率或低数据率下的多条件进程、多算法任务，采用FPGA可以采集和处理数字信号处理器难以胜任的高数据率信号(如Gbps信号甚至更高数据率)，这样可以更好地实时采集和处理由高速扫描激光器产生的对多通道同步扫描所带来的同一时刻的海量采样数据，并且能够直接输出波长值。其中，所述波长值是光纤传感器输出的梳状型光谱在激光器的带宽内光强最大时的波长值，由于本申请中的光纤传感器输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，因此仅存在单个光强最大时的波长值用于输出。

附图说明

图1是本发明实施例中一种受电弓的监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种光纤传感器中的光学干涉腔的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种从光学干涉腔输出的光谱示意图；

图4是本发明实施例中一种监测系统中的光纤传感器在受电弓上的安装位置示意图；

图5是本发明实施例中一种碳滑板磨耗量随时间变化的示意图；

图6是本发明实施例中一种受电弓弓头在行车时感知弓网间接触力的时域示意图；

图7是本发明实施例中位于同一支碳滑板上两端的接触力传感器在行车时各自所感知弓网间接触力的时域示意图；

图8是本发明实施例中一种位于弓头的加速度传感器在行车时所感知弓头垂向加速度值的时域示意图；

图9是本发明实施例中一种碳滑板在行车时的接触线拉出值的时域变化示意图；

图10是本发明实施例中一种行车时接触线导高值的时域示意图；

图11是本发明实施例中一种四连杆结构的结构示意图；

图12是本发明实施例中一种载荷传感器在下导杆同一圆周截面上的位置示意图；

图13是本发明实施例中一种采用受电弓的监测系统的光纤传感分析仪的原理示意图。

具体实施方式

如前所述，受电弓工作状态、接触线的工作状态，以及受电弓与接触线之间的受流关系是车辆运营安全的重中之重，亟需对其进行有效监测。具体地，可以源自以下内容：

a.关于受电弓工作状态：车辆(如电客车)行驶时，若受电弓的弓头重心不平衡或转动不灵活，则会造成受电弓上碳滑板的偏磨；若受电弓下导杆两端轴承组成的铰链系统出现卡滞状况，则受电弓的四杆机构会失去动态调节弓头高度和平衡的作用，存在下导杆断裂的风险；若受电弓的气囊或气缸出现气路堵塞或逃逸等现象，会导致受电弓无法被升降，或升起后无法保持受流高度等故障，这些都会引起受电弓和接触线之间的接触力异常，使碳滑板和接触线表面都产生过度磨耗，或弓网间燃弧的发生。

b.关于接触线工作状态：车辆(如电客车)在行驶时，受电弓和接触线是时刻接触的，因此高速运动中的受电弓会使接触线产生波动，使之形成动态的接触线拉出值和导高值。若在车辆行车路线上，对譬如接触线的拉出值和导高值的几何参数指标超出设计误差，可能会造成受电弓上碳滑板的异常磨耗，甚至是使接触线与受电弓的接触部分偏离碳滑板到达羊角区域，存在弓刮网的危险。另外，接触线的凹凸不平，以及由燃弧产生的接触线硬点会严重冲击对行驶中的车辆上正在受流工作的受电弓，轻则造成受电弓上的碳滑板灼伤、掉块剥离，重则使受电弓失去平衡，甚至被撞后而脱离车顶的严重事故。

c.关于受电弓和接触线的关系：车辆(如电客车)在高速行驶时，若受电弓接和触线之间的压力过大会出现弓拉断网或网撞飞弓的事故；若压力过小则会出现受电弓受流质量不良，甚至在受电弓和接触线之间产生燃弧现象。因此，在列车行进过程中，受电弓和接触线之间必须存在合理的接触力，受电弓才能安全地把电流从接触线引入车体内的牵引变流系统中，从而为车辆提供持续有效的动力。

然而在现有的监测技术中，存在准确性较低且失误率较高、容易影响受电弓正常运行等问题。

具体而言，随着近年来地铁无人驾驶技术的推广普及以及客流密度的快速增加，传统基于人工巡检的运维维护模式已不能满足实时性和安全性要求。因此，轨道交通行业针对影响弓网运行效果因素的研究逐步深入，同时，伴随着视觉成像技术的不断发展，工业化相机已广泛应用于车载弓网运行测量领域，机器视觉弓网监测系统成为现在的主流技术，可针对接触线几何参数、弓网燃弧等运行参数进行非接触式测量，起到了一定的监测效果，但从应用价值和推广效益看，还存在相当大的局限性。

本发明的发明人经过研究发现，首先，视觉成像属于非接触式测量，不能针对弓网动力学特性(如弓网硬点、接触压力等)进行有效探测和反馈，不能针对受电弓弓体损伤、部件故障、运行异常等进行实时感知，不能有效测量滑板磨耗及前后滑板的偏磨等，针对大部分受电弓和弓网关系运行参数仅仅是起到事后视频查阅作用。

其次，机器视觉弓网监测系统安装针对车型、车顶空间布局、车内机柜都有特殊要求，加装时会涉及大量的设计联络与制图，增加车体改造成本。同时，如要实现针对重要运行参数的实时视频分析、报警还要依赖高成本的硬件配置和复杂的机器视觉算法，目前国内在该领域的专业化研究人才有限，还有很多技术和应用瓶颈需要突破。

最后，工业化相机打造的弓网监测系统中绝大多数视觉传感器核心部件依赖进口，价格昂贵，升级换代快，且电气部件使用寿命和故障率往往达不到轨道交通车辆安全运营及运维成本要求。且为了保证拍摄效果，后期还需要精细化的日常维护。

综上所述，从采购成本、运维成本、实际监测效果综合考量，采用机器视觉方法监测车辆受电弓及弓网系统运行的性价比较低，准确性不足。

在客运线检测车和货运线机车上，将电子类传感器安装在受电弓上，通过接触式测量获取弓网间接触力、接触线的拉出值和导高值等几何参数，与机器视觉弓网监测系统相比，其采集了更为完整的接触线和弓网关系运行参数，但无法采集受电弓自身的任何参数，因此其并未广泛推广应用到客运车辆上，这是由于以下主要原因：

a.电子类传感器受电磁干扰严重，为后续数据准确分析带来巨大困难；

b.电子类传感器并不是针对受电弓量身定做，因尺寸、体积、重量等原因可能会影响受电弓正常运行；

c.电子类传感器的性能稳定性和使用寿命不适应车辆运营全寿命周期监测与运营管理要求；

d.电子类传感器的信号传输电缆存在安全隐患，安装、布线工艺不当或外力机械损伤后会引发严重的电气绝缘事故，甚至会将车顶高压引入对人员安全造成威胁。

参照表1，表1是电子类传感器与机器视觉传感器的测量效果对照表。

表1

根据表1可知，车辆安全运行需要一种可行的监测技术手段和智慧运维方案，解决弓网监测系统在应用价值和推广效益方面存在的瓶颈。

在本发明实施例中，提供一种受电弓的监测系统，包括：一个或多个光纤传感器，所述光纤传感器安装在所述受电弓上，用于接收激光信号；处理器，与所述光纤传感器耦接，用于处理所述光纤传感器采集的信号；其中，所述光纤传感器具有光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足预设公式，且所述光学干涉腔包括位于腔体两端的反射镜，所述光学干涉腔的腔长为两个反射镜之间的间距。

采用上述方案，可以根据发出激光信号的激光器的带宽、所述激光器的带宽的中心点波长值以及光纤传感器的预设的纵模数，可以采用公式确定光学干涉腔的腔长，以使得从所述光学干涉腔输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，从而在分析过程中，避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，有效防止串码。进一步地，基于上述腔长限制，可以实现形成小尺寸、小体积的光纤传感器，进而有利于使得制造出的传感器芯片在保持参数一致性好、灵敏度高、动态范围大和线性度好、性能稳定、可靠性强等优点的基础上，实现结构紧凑，质量更轻，有助于安装在车辆(如电客车)的车顶或内部，相比于现有技术中采用电子类传感器，由于体积大、质量重，不能安装在电客车，而只能安装在检测车、工程车或货运机车上，采用本发明实施例中的技术方案，不仅避免影响受电弓正常运行，所述受电弓的监测系统还能实现多方位监测，实时精确采集、分析、反馈受电弓、接触线和弓网关系相关的运行参数。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图1，图1是本发明实施例中一种受电弓的监测系统的结构示意图。所述受电弓的监测系统可以包括第一光纤传感器101、第二光纤传感器102至第N光纤传感器103，还可以包括处理器110。

其中，所述第一光纤传感器101、第二光纤传感器102至第N光纤传感器103可以安装在所述受电弓上。

所述处理器110可以与所述第一光纤传感器101、第二光纤传感器102至第N光纤传感器103耦接，所述处理器110用于处理所述光纤传感器采集的信号。

需要指出的是，所述处理器110还可以包括信号解调模块(图未示)，所述信号解调模块对第一光纤传感器101、第二光纤传感器102至第N光纤传感器103进行解调处理。

其中，所述处理器可以为中央处理单元(central processing unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

其中，所述光纤传感器可以具有光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后输出形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_FP用于表示所述光学干涉腔的腔长，k_mid用于表示所述光纤传感器的预设的纵模数，k_mid的取值范围为正整数，且k_mid≥2，W_laser用于表示发出所述激光信号的激光器的带宽，λ_ctr用于表示所述激光器的带宽的中心点波长值；所述光学干涉腔包括位于腔体两端的反射镜，所述光学干涉腔的腔长为两个反射镜之间的间距。

结合参照图2和图3，图2是本发明实施例中一种光纤传感器中的光学干涉腔的结构示意图，图3是本发明实施例中一种从光学干涉腔输出的光谱示意图。

可以理解的是，当一束光波进入光学干涉腔后，入射光波和反射光波发生干涉，并在两端腔镜上多次往复反射后，多光束就会干涉形成驻波。

如图2示出的所述光学干涉腔可以包括反射镜21和腔体22，所述反射镜21位于所述腔体两端，光波经由所述反射镜21来回反射从而提供光能反馈。

所述光学干涉腔的腔长为所述两个反射镜之间的间距L。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述光纤传感器可以包括探测头，所述探测头内包含一个或多个所述光学干涉腔。

在图3示出的光谱示意图中，光学干涉腔透射光的光谱或反射光的倒谱会形成具有一定峰峰距的梳状型光谱，波峰与波峰之间的距离称为峰峰距。

其中，从所述光学干涉腔输出的光谱可以为透射谱或反射谱的倒谱，具体而言，自光学干涉腔的光源输入侧的另一侧(如图2中无箭头的右侧)经透射后输出的光谱为透射谱，所述透射谱为图3示出的具有一定峰峰距的梳状型光谱，则可以直接对透射谱进行分析；自光学干涉腔的光源输入侧(如图2中有箭头的左侧)经反射后输出的光谱为反射谱，则可以对反射谱求倒谱，所述倒谱为图3示出的具有一定峰峰距的梳状型光谱，进而对倒谱进行分析。

需要指出的是，所述发出所述激光信号的激光器可以是波长扫描激光器，所述激光器可以具有固定的扫描带宽，以带宽为40nm的激光器为例，其输出波长不断地在1520nm至1560nm的范围内扫描，并在梳状型光谱中扫描到符合1520nm至1560nm范围的波峰信号。

其中，所述激光器的带宽又可以称为光带宽、扫描带宽或工作带宽，带宽的宽度可以根据半峰宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)确定。

由上可以计算得到，激光器的带宽为1560nm-1520nm＝40nm，激光器的带宽的中心点波长值为(1520nm+1560nm)/2＝1540nm。

需要指出的是，在受电弓的应用场景中，采集到的传感器信号往往具有变化极快的特点，如弓网间冲击、接触力等参数的数值均是瞬息万变，对于这种快变量参数的情况，串码问题显得尤为严重，导致分析结果准确性降低。

在本发明实施例中，为了降低串码，可以设置从所述光学干涉腔输出的光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，如图3示出的扫描带宽内即仅存在单个波峰。进而为了实现从所述光学干涉腔输出的光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，在已经确定扫描带宽的情况下，可以对光学干涉腔的腔长进行限制。

具体地，可以采用下述步骤，推算得到本发明实施例中的光学干涉腔的腔长。

首先，根据从所述光学干涉腔输出的光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，采用下述公式推算得到不同的k_mid对应的l_FP。

其中，l_FP用于表示所述光学干涉腔的腔长，k_mid用于表示所述光纤传感器的预设的纵模数，k_mid的取值范围为正整数，且k_mid≥2，W_laser用于表示发出所述激光信号的激光器的带宽，λ_ctr用于表示所述激光器的带宽的中心点波长值。

λ_FP用于表示所述激光器的带宽内的波峰的波长值，也即光纤传感器输出的梳状型光谱在激光器的带宽内光强最大时的波长值，可以理解的是，由于本申请中的光纤传感器输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，因此仅存在单个光强最大时的波长值。

其次，根据前后相邻的波峰不能位于激光器的带宽内，采用下述公式排除不合适的k_mid及其对应的l_FP。

又k_st＝k_mid+1,k_ed＝k_mid-1，带入上述公式，得：

令Δλ_ed-st≥2W_laser

可以得到

其中，λ_st、λ_ed分别表示前后相邻的波峰对应的波长值，k_st、k_ed分别表示前后相邻的波峰的纵模数。

需要指出的是，在采用预设的纵模数(如k_mid＝20)以及激光器的预设的带宽计算得到腔长并制作光纤传感器后，采用激光器对该光纤传感器进行扫描后，带宽W_laser内扫描得到的波峰必然是纵模数k_mid＝20的梳状波峰，此时根据k_st＝k_mid+1,k_ed＝k_mid-1，可知k_st＝21，k_ed＝20。

在本发明实施例中，根据发出激光信号的激光器的带宽、所述激光器的带宽的中心点波长值以及光纤传感器的预设的纵模数，可以采用公式确定光学干涉腔的腔长，以使得从所述光学干涉腔输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，从而在分析过程中，避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，有效防止串码。进一步地，基于上述腔长限制，可以实现形成小尺寸、小体积的光纤传感器，进而有利于使得制造出的传感器芯片在保持参数一致性好、灵敏度高、动态范围大和线性度好、性能稳定、可靠性强等优点的基础上，实现结构紧凑，质量更轻，有助于安装在车辆(如电客车)的车顶或内部，相比于现有技术中采用电子类传感器，由于体积大、质量重，不能安装在电客车，而只能安装在检测车、工程车或货运机车上，采用本发明实施例中的技术方案，不仅避免影响受电弓正常运行，所述受电弓的监测系统还能实现多方位监测，实时精确采集、分析、反馈受电弓、接触线和弓网关系相关的运行参数。

需要指出的是，采用上述内容推得的光学干涉腔的腔长，如图3示出的波峰可以位于激光器带宽内的任意位置，当波峰位于激光器带宽的边缘位置时，容易因为制造误差等导致前后相邻的波峰进入激光器带宽内，进而发生串码。

进一步地，所述光学干涉腔的腔长可以满足以下公式：

其中，l_ctr用于表示所述光学干涉腔的腔长。

需要指出的是，l_FP和l_ctr均用于表示所述光学干涉腔的腔长，腔长l_FP可以选自满足条件的多个值，腔长l_ctr可以为进一步的腔长优选值。

具体地，可以采用下述步骤，推算得到本发明实施例中的光学干涉腔的腔长，以使得波峰可以位于激光器带宽内的正中心位置上，也即λ_FP＝λ_ctr。

令λ_FP＝λ_ctr，

又k_st＝k_mid+1,k_ed＝k_mid-1，带入上述公式，得：

令Δλ_ed-st≥2W_laser

在本发明实施例中，通过设置光学干涉腔的腔长满足上述公式，可以使得从所述光学干涉腔输出的梳状型光谱中，不仅有且只有单个波峰位于所述激光器的带宽内，而且该波峰还位于所述激光器的带宽的中心位置，从而在分析过程中，更容易避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，进一步有效防止串码，进一步地，当波峰位于所述激光器的带宽的中心位置时，可以实现激光器的满光带宽测量，提高测量效果。

在具体实施中，以激光带宽从1520nm到1560nm的波长之间共40nm的光带宽，且所设计的中心波长为1540nm为例，此时纵模数k_mid∈[2,3,4,…38]，即共有37种腔长满足上述条件。

进一步地，所述光纤传感器可以选自：微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)光纤传感器、微光机电系统(Micro-Opto-Electro-Mechanical System，MOEMS)光纤传感器、微光机械系统(Micro-Opto-Mechanical System，MOMS)光纤传感器。

以MEMS光纤传感器为例，MEMS光纤传感技术是建立在微米/纳米机械学、光学基础上的21世纪前沿技术。该技术的质量块、弹性支撑体、光学反射微镜、光入射及出射波导系统都直接集成在一个微小的芯片上，真正实现了对振动、压力、电流温度等信号的全光检测和传输。制造出的MEMS芯片结构紧凑，一体式封装，参数一致性好，灵敏度高，动态范围大和线性度好，以及性能稳定、可靠等优点。

MEMS芯片的硅基敏感结构采用微机电技术集成制造，信号采用光纤检测技术探测和读取，由此其具有MEMS传感技术与光纤传感技术的共同优点。且MEMS光纤传感技术克服了现有传感技术“宽频”与“高精度”的互相制约，其具有无源、宽温、微型化、抗电磁干扰、轻便、易组网和免维护特性，因此，可长期精准测量，降低智慧运维系统复杂度和成本。所以，MEMS光纤传感技术非常适用于对车辆受电弓、接触线及其关系的实时监测。

需要指出的是，本发明实施例中的MOEMS光纤传感器以及MOMS光纤传感器可以具备上述MEMS光纤传感器的优点。

需要指出的是，在本发明实施例中，所述监测系统还可以包括光纤光栅传感器以及其他适当的传感器，所述光纤光栅传感器以及其他适当的传感器可以为上述包含光学干涉腔的光纤传感器提供有力补充。

其中，所述光纤光栅传感器例如可以为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器，例如采用啁啾FBG光纤光栅传感器。

进一步地，所述光纤传感器可以为无源传感器。

在本发明实施例中，通过采用无源传感器，可以实现探测端不带电的无源探测，有效提高抗电磁的能力，有助于避免由于供电对客车乘客带来的危险，不会造成电气化事故，以及避免探测造成的干扰，保证监测的正常进行以及提高检测准确性。

进一步地，根据需要采集的信号的类型，所述光纤传感器可以包括多种类型的传感器。

参照图4，图4是本发明实施例中一种监测系统中的光纤传感器在受电弓上的安装位置示意图。

图4示出的受电弓可以包括底架31、四连杆结构以及弓头34，还可以包括气动控制箱35。

其中，所述弓头34可以包括碳滑板341以及弓头支座342。

在图4示出的受电弓中，每个弓头34可以包括两个碳滑板341以及四个弓头支座342，每两个弓头支座342可以成对地设置于单个碳滑板341的两侧。需要指出的是，所述弓头还可以包括其他数量的碳滑板以及弓头支座，本发明实施例对于具体的碳滑板以及弓头支座的数量以及位置关系不做限制。

图4示出的受电弓的升起原理可以为：当受电弓的升弓电磁阀通电时，车内的压缩空气在由包括过滤器、减压阀等关键部件组成的特殊气路内，一支路向受电弓的气囊进行充气，与此同时，另一支路向受电弓的碳滑板341的气腔进行充气。当气囊内气压达到一定压力的时候，气囊膨胀变形并拉动钢丝绳，钢丝绳则带动受电弓下臂322运动，下臂322在受电弓下导杆321的协助下举起受电弓上臂323，上臂323则托起受电弓的弓头34，弓头34在平衡杆的作用下，在工作高度范围内始终能保持水平状态。受电弓的弓头34在升起时的工作高度取决于气囊/气缸的压强值和线路上柔性接触线或刚性接触线的导高值，例如，在350mm至2500mm之间。

进一步地，所述光纤传感器可以包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓可以包括一个或多个弓头34，每个弓头34包括弓头支座342；对于安装有接触力传感器的弓头34，所述接触力传感器安装在弓头支座342的内部或表面。

在本发明实施例中，对于安装有接触力传感器的弓头34，通过设置至少一个接触力传感器安装在弓头支座342的内部或表面，有机会监测接触线硬点、拉出值，弓网间接触力、冲击和燃弧。

更进一步地，所述接触力传感器可以成对设置，且成对的接触力传感器分别安装于同一个弓头34的两端的弓头支座342。

在本发明实施例中，所述接触力传感器成对设置，且成对的接触力传感器分别安装于同一个弓头34的两端的弓头支座342，有机会监测弓网间接触力，受电弓的碳滑板341的磨耗量、磨耗区域和偏磨。

其中，有关所述碳滑板341的磨耗量，受电弓弓头34上一条碳滑板341一般有两个具有缓冲或/和阻尼系统的弓头支座342作为支撑，接触力传感器被嵌入集成在弓头支座342内。因此，在受电弓落弓状态或在没有来自接触线对受电弓施加压力的自然升弓状态时，此时，两支接触力传感器所承载的是来自一条碳滑板341及其底座和两支羊角的静态质量G₀。由于碳滑板341是易磨耗部件，而羊角是非易磨耗部件，因此，在受电弓工作一段时期后，例如3个月或6个月，接触力所测量到的一支碳滑板341(及其底座)和两支羊角总的静态质量值会变小到G₀’(t)，则其与新装时接触力传感器所测量的质量值的差值G₀-G₀’(t)，可视为碳滑板341磨耗量ΔG₀(t)。当经过一段时期后，G₀’(t)到达临界线时，就要更换新的碳滑板341，并重新测量和记录G₀。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述压力信号可以用于指示所述受电弓的碳滑板结构的质量，其中，所述碳滑板结构可以包括碳滑板(及其底座)和两支羊角。

结合参照图4和图5，图5是本发明实施例中一种碳滑板磨耗量随时间变化的示意图。

具体地，所述处理器可以采用下述公式，确定所述碳滑板结构的磨耗量：

ΔG_0,i(t)＝G'_0,i(t)-G_0,i

其中，G_0,i用于表示第i组碳滑板结构在未磨耗时的初始质量，G’_0,i(t)用于表示第i组碳滑板结构在时刻t的质量，K_G,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器的接触力系数，λ_D,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在无任何受力状态下的波长值，λ_CS,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在第i组碳滑板结构未磨耗时的波长值，λ’_CS,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在时刻t的波长值，N_S用于表示同一组碳滑板上接触力传感器的数量，i用于表示所述碳滑板结构的序号，j用于表示每个碳滑板结构的接触力传感器的序号。

在本发明实施例的一个具体实施方式中，所述N_S还可以用于表示同一组碳滑板两端的弓头支座的数量，可以设置为2。

可以理解的是，可以在碳滑板结构未磨耗时，例如待安装时或者新安装时测量其初始质量，以得到G_0,i。

有关所述碳滑板341的偏磨，车辆在运行时，由于接触线在行车线路上是“Z”字形走线，因此，每支碳滑板341上两支接触力传感器可分别感受到来自接触线的压力，其压力随接触线的拉出值的变化呈周期性变化，由此可计算出接触线与受电弓碳滑板341的接触点的轨迹在长度为L的碳滑板341主磨耗区域内呈“Z”字形分布，在正常工作情况下，碳滑板341的磨耗区域在碳滑板341长度L以内，且以碳滑板341中心线为轴对称分布，称之为主磨耗区域。而当线路上接触线的拉出值超出偏差范围，或/和受电弓弓头横向失稳时，都会导致接触线与碳滑板341接触点的运动轨迹在碳滑板341中线一侧超出主磨耗区域外出现，造成碳滑板341(以碳滑板341中心线为界)一侧磨耗量大于另一侧磨耗量，甚至使羊角磨损的现象发生。另外，在受电弓落弓状态或在没有来自接触线对受电弓施加压力的自然升弓状态时，集成在每支碳滑板341两端弓头支座上的接触力传感器所感知的测量值约为该支碳滑板341总质量的一半。若在同一支碳滑板341上，一端的接触力传感器测量值严重大于另一端的接触力传感器测量值，则存在碳滑板341偏磨的可能性。

更进一步地，所述弓头支座342可以与所述接触力传感器一一对应，每个弓头支座的内部或表面都安装有对应的接触力传感器。

在本发明实施例中，所述弓头支座342与所述接触力传感器一一对应，每个弓头支座342的内部或表面都安装有对应的接触力传感器，可以监测所有弓头，避免由于漏检而留下隐患。

更进一步地，所述接触力传感器的内部可以嵌入有温度传感器，或者，所述接触力传感器可以耦接有温度传感器。

在本发明实施例中，通过设置温度传感器，可以实现温度补偿以及感知实时温度等。

结合参照图4、图6和图7，图6是本发明实施例中一种受电弓弓头在行车时感知弓网间接触力的时域示意图，图7是本发明实施例中位于同一支碳滑板上两端的接触力传感器在行车时各自所感知弓网间接触力的时域示意图。

需要指出的是，图6示出的受电弓弓头在行车时感知的弓网间接触力在实质上为弓头整体承受的力，图7示出的同一支碳滑板上两端的接触力传感器在行车时各自所感知弓网间接触力实质上为接触力传感器自身感知到的力。

对于弓网间接触力，车在行驶时，为了让受电弓能够从接触线上正常受流，弓网间必须保持一定的接触力，接触力的大小视不同结构的受电弓而定，一般弓网间接触力为一定值，例如80N或120N。

在具体实施中，每组碳滑板341、碳滑板底座和羊角由两支弓头支座342支撑，接触力传感器集成在弓头支座342的阻尼/缓冲系统上。其中，不同类型的受电弓弓头的阻尼/缓冲系统是不同的，有弹簧箱式、板簧式和拉簧式等。该接触力传感器内部同时嵌入了温度传感器作为温度补偿用或/和感知燃弧时的瞬间温度用。

首先，当接触线和受电弓弓头34不接触时，接触力传感器所感知到的仅是弓头34支撑上方的碳滑板341、碳滑板支座和羊角等部件的重力；然后，对接触力传感器在未碰触到接触线时的测量值进行弓网间接触力校零处理；最后，在当接触线与受电弓弓头34相接触并产生一定的力时，各接触力传感器的测量值之和就是弓网间的接触力。并且，由于接触线与碳滑板341之间的接触点，即接触线的拉出值，是“Z”字形变化，因此，就同一根碳滑板341的两端的接触力传感器而言，其各自的测量值也是“Z”字形变化的。当停车的时候，单支碳滑板341上每支接触力传感器的测量值是不变化的，时域曲线是平坦的；当行车的时候，单支碳滑板341上每支接触力传感器的测量值是变化的，时域曲线是锯齿形的。但单支碳滑板341所承受的接触力是其两端接触力传感器测量值之和，而弓网间接触力是所有碳滑板341所承受的接触力之和。

需要指出的是，在车辆运行时，弓网间接触力也是在一定的区间内波动的，比如120N±5N，超出波动区间就视为接触力异常，若接触力低于正常接触力工作区间，弓网间压力过小，燃弧会频繁发生，会给碳滑板341造成过多的电气磨耗；若接触力高于接触力工作区间，弓网间压力过大，弓网间冲击振动异常，会给碳滑板341造成过多的机械磨耗。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述压力信号用于指示所述弓头与接触线之间的弓网间接触力；所述处理器可以采用下述公式，确定所述弓头与接触线之间的弓网间接触力：

F_S,i,j(t)＝K_S,i,j[λ_i,j(t)-λ_0,i,j+k_T,i,j(T(t)-T₀)]

其中，F_S,i,j(t)用于表示受电弓弓头第i组碳滑板的第j个弓头支座上的接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，K_S,i,j用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器的接触力系数，λ_i,j(t)用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器在t时刻的波长值，λ_0,i,j用于表示受电弓弓头在与接触线之间无相互力的作用时，第i组碳滑板的第j个接触力传感器的波长值，k_T,i,j用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时的温度值，F_cp(t)用于表示受电弓弓头与接触线之间在t时刻的接触力值，N_C用于表示受电弓弓头上碳滑板的数量，N_S用于表示同一组碳滑板上弓头支座的数量。

继续参照图4，进一步地，所述光纤传感器可以包括至少一个加速度传感器以对加速度信号进行采集，所述受电弓可以包括一个或多个弓头34，每个弓头34可以包括碳滑板341、分别与所述碳滑板341的两端连接的弓头支座342以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板341以及各个弓头支座342；对于安装有加速度传感器的弓头34，所述加速度传感器可以安装在以下一处或多处：弓头支座342的内部或表面、连接部件上。

在本发明实施例中，对于安装有加速度传感器的弓头34，所述加速度传感器可以安装在以下一处或多处：弓头支座342的内部或表面、连接部件上，有机会监测接触线硬点、冲击、导高值，以及对柔性网和刚性网进行有效区分。

更进一步地，所述加速度传感器可以成对设置；其中，成对的加速度传感器可以分别安装于同一个弓头34的两端的弓头支座342，或者，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头34的两端的连接部件。

在本发明实施例中，所述加速度传感器成对设置，其中，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头34的两端的弓头支座342，或者，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头34的两端的连接部件，还可以利用同一个弓头34的两端的加速度信号，有效监测该弓头34的稳定性。

在具体实施中，可以通过对集成在单支碳滑板341两侧的三向加速度传感器中的横向加速度值和纵向加速度值分别进行二次积分，对受电弓弓头34动态的稳定性进行实时监测。若由弓头34振动产生的动态横向偏移值超出车辆运营线路中心线所规定的偏差值，则存在弓头34横向失稳的状况；若单支碳滑板341一侧加速度传感器感知的由弓头振动产生的动态垂向振幅值远大于同一支碳滑板另一侧加速度传感器感知的垂向振幅值，则存在由于弓头34缓冲或/和阻尼系统疲劳导致的弓头34垂向失稳。另外，也可以通过接触线于碳滑板341接触点的动态轨迹，或/和通过比较单支碳滑板341两侧接触力传感器在受电弓落弓状态或在没有来自接触线对受电弓施加压力的自然升弓状态时的测量值，来评估弓头的稳定性。

在列车运行时，可以通过每时刻的位移值，在“垂向-横向”平面内画出对应的受电弓弓头碳滑板两端的振动轨迹，比较同一组碳滑板两端的振动幅值的大小来判断受电弓弓头的动态稳定性。在受电弓弓头处于自由静止状态下，通过比较同一组碳滑板两端的弓头支座上的接触力传感器的值的大小来判断受电弓弓头的静态稳定性。

其中，所述受电弓状态通常包括四种状态：落弓状态、升弓状态下弓头与接触线不接触的状态、升弓状态下弓头与接触线接触并相产生互间作用力时的状态以及升弓状态下弓头与接触线接触并相产生互间作用力时的运动状态。所述自由静止状态可以用于指示落弓状态以及升弓状态下弓头与接触线不接触的状态。

具体地，所述加速度信号可以用于指示至少一个弓头在横向方向上的加速度，以及至少一个弓头在垂向方向上的加速度；所述处理器可以采用下述公式，确定所述弓头的垂向和横向的振动位移：

其中，d_H(t)用于表示所述弓头在t时刻在横向方向上的位移值，d_0,H用于表示所述弓头在横向方向上的初始位移值，v_0,H用于表示所述弓头在横向方向上的初始速度值，a_H(t)用于表示所述弓头在t时刻的横向方向上的加速度值，d_V(t)用于表示所述弓头在t时刻的垂向方向上的位移值，d_0,V用于表示所述弓头在垂向方向上的初始位移值，v_0,V用于表示受电弓弓头在垂向方向上的初始速度值，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值。

更进一步地，所述弓头支座342与所述加速度传感器可以一一对应，每个弓头支座342的内部或表面都安装有对应的加速度传感器。

在本发明实施例中，所述弓头支座342与所述加速度传感器一一对应，每个弓头支座342的内部或表面都安装有对应的加速度传感器，可以监测所有弓头，避免由于漏检而留下隐患。

更进一步地，所述加速度传感器可以是集多个方向上的测量功能于一体的加速度传感器，所述加速度传感器还可以包含多个分传感器，且各个分传感器用于分别测量单个方向上的加速度信号。

更进一步地，所述加速度传感器可以为光纤三轴加速度传感器，以准确、便捷地采集三向加速度信号，其中，所述三向加速度信号可以包括横向、纵向以及垂向上的加速度信号，且两两相正交。

更进一步地，所述加速度传感器的内部可以嵌入有电流传感器，或者，所述加速度传感器可以耦接有电流传感器。

在本发明实施例中，通过设置电流传感器，可以实现实时测量电流等功能。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，可以采用接触力传感器和加速度传感器判断接触线硬点。

结合参照图4、图6和图8，图8是本发明实施例中一种位于弓头的加速度传感器在行车时所感知弓头垂向加速度值的时域示意图。

对于接触线硬点，可以通过对集成在受电弓弓头34上的加速度传感器中的垂向加速度值或/和纵向加速度值，对接触线上的硬点进行实时监测。一般情况下，车辆(如电客车)在运行时，受电弓的弓头34会在垂向方向上做上下振动，依据行车速度，及接触线的高度、类型不同，受电弓的弓头34在一定的区间内振动，例如±2g。参照图8，如果受电弓弓头34撞上接触线上的硬点，会瞬间产生±100～200g的冲击，结合列车信息管理系统的，就可以定位接触线硬点的位置，为接触线维护带去便利。

此外，还可以通过受电弓弓头34上的接触力传感器来监测接触线的硬点，当受电弓弓头34撞上接触线上的硬点时，受到硬点冲击的弓头34会瞬间脱离接触线，此时弓网间由于相互分离而没有力的传递，因此接触力传感器探测到的值为0，甚至是略低于0的负值。然后，弓头34和接触线会向各自反方向回弹，并再次“相撞”式接触，参照图6，此时接触力传感器监测到的弓网间接触力的值会异常的大，这也可以视作判断接触线硬点的依据。

具体地，所述光纤传感器还可以包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头34，每个弓头34包括弓头支座342；对于安装有接触力传感器的弓头34，所述接触力传感器安装在弓头支座342的内部或表面；所述压力信号用于指示所述弓头34与接触线之间的弓网间接触力；所述加速度信号用于指示至少一个弓头34在横向方向上的加速度，以及至少一个弓头34在垂向方向上的加速度；所述处理器可以采用下述公式，确定所述弓头34在垂向方向上的加速度值以及所述弓头34与接触线之间的弓网间接触力：

a_V(t)＝K_V[λ_V(t)-λ_0,V+k_T,V(T(t)-T₀)]

F_S(t)＝K_S[λ_S(t)-λ_0,S+k_T,S(T(t)-T₀)]

其中，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值，K_V用于表示加速度传感器在垂向方向上的加速度系数，λ_V(t)用于表示加速度传感器垂向方向上在t时刻的波长值，λ_0,V用于表示加速度传感器垂向方向上在静止状态下的波长值，k_T,V用于表示加速度传感器垂向方向上的温漂系数，F_S(t)用于表示所述接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，K_S用于表示接触力传感器的接触力系数，λ_S(t)用于表示接触力传感器在t时刻的波长值，λ₀,_S用于表示受电弓弓头在与接触线之间无相互力的作用时，接触力传感器的波长值，k_T,S用于表示接触力传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值T，T₀用于表示初始时的温度值。

有关弓网间接触力的定义及其更多内容，请参照前文描述，此处不再赘述。

参照图9，图9是本发明实施例中一种碳滑板在行车时的接触线拉出值的时域变化示意图。

对于接触线拉出值，假设受电弓的纵向中心线与轨道线路的中心线重合，则可以通过对受电弓单支碳滑板341上两端的接触力传感器测量到的弓网间接触力值进行计算，并结合车辆的运行速度(列车的运行速度可以通过对弓头上的加速度传感器的所探测到的纵向加速度值进行积分得到，亦可以通过列车信息管理系统获得)，从而得到车辆在行进过程中接触线的动态拉出值。

具体地，所述光纤传感器还包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头34，每个弓头34包括弓头支座342；对于安装有接触力传感器的弓头，所述接触力传感器安装在弓头支座342的内部或表面；所述压力信号用于指示所述弓头34与接触线之间的弓网间接触力；所述加速度信号用于指示至少一个弓头34在纵向方向上的加速度；所述处理器可以采用下述公式，确定所述接触线的拉出值：

或者，

其中，Z_C(t)用于表示接触线的在t时刻的拉出值，定义列车前进方向右侧Z_C为负值，列车前进方向左侧Z_C为正值，L_S为同一组碳滑板两端具有缓冲或/和阻尼系统的弓头支座中心之间的距离，F_S,i,drg和F_S,i,gch分别用于表示受电弓弓头第i组碳滑板的右侧和左侧2个弓头支座上的接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，v_L(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的纵向方向上的速度值，v_0,L用于表示受电弓弓头在纵向方向上的初始速度值，a_L(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的纵向方向上的加速度值a_L，D_L(t)用于表示列车在t时刻的行驶距离，D_0,L用于表示列车的初始行驶距离。

需要指出的是，图9中示出的L为碳滑板长度，从-L/2至+L/2用于表示碳滑板的整体长度。

参照图10，图10是本发明实施例中一种行车时接触线导高值的时域示意图。

对于接触线导高值，通过对集成在受电弓弓头34上的加速度传感器中的垂向加速度值进行二次积分，并结合受电弓工作时的升弓高度和车顶相对于地面的高度，可以对接触线的动态导高值进行实时监测。

关于对柔性网和刚性网进行有效区分，可以通过计算好的接触线导高值和测得的加速度传感器的垂向加速度值，来判别是柔性接触线还是刚性接触线。一般情况下，柔性接触线在隧道外居多，而刚性接触线在隧道内居多，且柔性接触线的导高值要大于刚性接触线的导高值，另外，柔性接触线使受电弓弓头34产生振动的幅值也略大于刚性接触线使受电弓弓头34产生振动的幅值。

具体地，所述加速度信号用于指示至少一个弓头在垂向方向上的加速度；所述处理器可以采用下述公式，确定接触线的导高值：

其中，v_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的速度值，v_0,V用于表示受电弓弓头的垂向方向上的初始速度值，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值，h_C(t)用于表示在t时刻的接触线的导高值，h_Tr用于表示受电弓所在车厢的车顶相对于地平面的高度，h_cp,0(P_A,0)用于表示在气囊/气缸的压强值为P_A,0时，受电弓弓头碳滑板上表面相对于车顶的高度，P_A,0用于表示在正常受流时所需的弓网间接触力时的静止升弓状态下的气囊/气缸的压强值。

需要指出的是，所述气囊/气缸的压强值可以采用常规方式得到，还可以采用光纤传感器测得，在下文中，还将对光纤传感器包括至少一个气压传感器以对气压信号进行采集的情况进行描述。

对于弓网间冲击，又称为接触线冲击，接触线的悬挂几何参数超出偏差，或/和受电弓弓头34的失稳及升弓高度的偏差，都会造成弓网间的冲击。因此，可以通过对集成在受电弓弓头34上的加速度传感器中的垂向加速度值或/和纵向加速度值感知弓头34异常振动，从而判别弓网间的冲击及定位路段。

对于弓网间燃弧，是车辆在运行过程中出现弓网接触不稳定，导致接触线和受电弓弓头34相互脱离，使得空气间隙被击穿而引起的放电现象，并伴随瞬间高温和高频电磁脉冲现象的产生。因此，燃弧是一种在机械上分离，但在电气上相连的状态。

在具体实施中，可以通过受电弓弓头34上加速度传感器的垂向加速度值或/和纵向加速度值感知弓网间的冲击，弓网间冲击越大，产生燃弧的频率越高。

需要指出的是，在具体实施中，还可以通过结合集成在加速度传感器壳体内的光纤电流传感器、集成在接触力传感器壳体内的光纤温度传感器，以及集成在气动控制箱内气路上的光纤气压传感器，所分别监测到的实时温度值、电流值和气压值，去综合判定弓网间燃弧的产生。

进一步地，所述光纤传感器可以包括至少一个温度传感器以对温度信号进行采集，所述受电弓可以包括一个或多个弓头34，每个弓头34可以包括碳滑板341、分别与所述碳滑板341的两端连接的弓头支座342以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板341以及各个弓头支座342；对于安装有温度传感器的弓头34，所述温度传感器可以安装在以下一处或多处：弓头支座342的内部或表面、连接部件上。

在本发明实施例中，对于安装有温度传感器的弓头，所述温度传感器安装在以下一处或多处：弓头支座342的内部或表面、连接部件上，有机会根据温度信号，监测弓网间燃弧。

可以理解的是，发生弓网间燃弧问题时，附近的温度会发生显著增高，采用温度传感器监测温度，并在超出预设温度阈值时对是否发生燃弧进行判断，有助于实现对弓网间燃弧的问题进行准确监测。

进一步地，所述光纤传感器可以包括至少一个电流传感器以对电流信号进行采集，所述受电弓可以包括一个或多个弓头34，每个弓头34可以包括碳滑板341、分别与所述碳滑板341的两端连接的弓头支座342以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板341以及各个弓头支座342；对于安装有电流传感器的弓头34，所述电流传感器安装在以下一处或多处：弓头支座342的内部或表面、连接部件上。

在本发明实施例中，对于安装有电流传感器的弓头，所述电流传感器安装在以下一处或多处：弓头支座342的内部或表面、连接部件上，有机会根据电流信号，监测弓网间燃弧。

可以理解的是，发生弓网间燃弧问题时，线路上的电流会发生显著异常，采用电流传感器监测电流，并在超出预设电流阈值时对是否发生燃弧进行判断，有助于实现对弓网间燃弧的问题进行准确监测。

进一步地，所述光纤传感器可以包括至少一个载荷传感器以对载荷信号进行采集，所述受电弓可以包括四连杆结构；所述载荷传感器可以安装在以下一处或多处：四连杆结构的上臂323、四连杆结构的下臂322、四连杆结构的下导杆321。

在本发明实施例中，载荷传感器安装在所述四连杆结构的以下一处或多处：上臂323、下臂322、下导杆321，可以监测上臂323、下臂322、下导杆321的拉力、弯矩，进一步地，设置于下导杆321的载荷传感器还可以用于监测下导杆321两端的连接轴的卡滞，进而确定铰链系统的卡滞情况。

更进一步地，所述载荷传感器的内部可以嵌入有温度传感器，或者，所述载荷传感器可以耦接有温度传感器。

在本发明实施例中，通过设置温度传感器，可以实现温度补偿以及感知实时温度等。

结合参照图4、图11和图12，图11是本发明实施例中一种四连杆结构的结构示意图，图12是本发明实施例中一种载荷传感器在下导杆同一圆周截面上的位置示意图。

其中，所述四连杆结构可以包括下导杆321、下臂322以及上臂323，还可以包括第一连接轴331、第二连接轴332、第三连接轴333以及第四连接轴334。

所述连接轴可以是铰链轴，例如为球型铰链轴。

所述第一连接轴331可以用于连接下臂322以及底架31，所述第二连接轴332可以用于连接下导杆321以及底架31，所述第三连接轴333可以用于连接下导杆321以及上臂323，所述第四连接轴334可以用于连接下臂322以及上臂323。

在受电弓的四连杆机构中，各个轴之间的距离是不变的，四连杆机构的内角和形状取决于受电弓的升弓工作高度。

对于下导杆321的拉力监测，下导杆载荷传感器可以由具有温度补偿功能的四支光纤应力芯片组成，且四支光纤应力芯片的感应方向沿下导杆321长度方向集成在靠近第二连接轴332处的下导杆321外壁上。更具体而言，例如可以根据所述下导杆321上存在有载荷时以及无载荷时的拉力的比较结果，确定当前下导杆321的拉力是否在正常承受范围内。对于下导杆拉力的测量可以是，4只光纤应力芯片各自在有载荷时相比无载荷时的力的变化量之和。需要说明的是，以一种非限制性的受电弓为例，下导杆两端的最大拉力值可以为10000N，正常工作下的拉力值可以为7000N～8000N。

具体地，如图12所示，所述载荷传感器可以安装在所述下导杆任意截面的同一个截面圆周上。在图中以8个载荷传感器为例，成对地安装在相对的位置，如序号n＝1的载荷传感器，位于1端，与之相对的是序号n＝5的载荷传感器，位于1-opp端。同理，序号n＝2的载荷传感器，位于2端，与之相对的是序号n＝6的载荷传感器，位于2-opp端；序号n＝3的载荷传感器，位于3端，与之相对的是序号n＝7的载荷传感器，位于3-opp端；序号n＝4的载荷传感器，位于4端，与之相对的是序号n＝8的载荷传感器，位于4-opp端。

进一步地，所述载荷信号可以用于指示所述下导杆的拉力；所述处理器可以采用下述公式，确定所述下导杆的拉力值：

其中，F_pf(t)用于表示所述下导杆在t时刻的拉力值，N用于表示在所述下导杆的同一横截面上的载荷传感器的总数量，K_pf,n用于表示第n个光纤载荷传感器的拉力系数，λ_n(t)用于表示第n个载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0,n用于表示第n个光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T,n用于表示第n个光纤载荷传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

对于下导杆321的弯矩监测，也可以设置下导杆321的拉力监测的载荷传感器的结构，进而可以根据所述下导杆321上存在有载荷时以及无载荷时的弯矩的比较结果，确定当前下导杆321的弯矩是否在正常承受范围内。

具体地，所述载荷传感器可以成对地安装在所述下导杆任意截面的同一个截面圆周上，且所述成对的载荷传感器可以呈中心对称，所述载荷信号用于指示所述下导杆的弯矩；所述处理器可以采用下述公式，确定所述下导杆的弯矩值：

M_i,i-opp(t)＝K_M,i{λ_i(t)-λ_0,i+k_T,i[T(t)-T₀]}-K_M-opp,i-opp{λ_opp,i-opp(t)-λ_0-opp,i-opp+k_T-opp,i-opp[T(t)-T₀]}

其中，i＝1,2,3,…,I，

其中，M_i,i-opp(t)用于表示所述下导杆第i,i-opp弯曲方向上在t时刻的弯矩值，N用于表示在所述下导杆的同一横截面上的载荷传感器的总数量，I用于表示下导杆同一横截面上正对向的两支载荷传感器的配对数量，K_M,i用于表示下导杆第i个载荷传感器的弯矩系数，λ_i(t)用于表示第i个光纤载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0,i用于表示第i个光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T,i用于表示第i个光纤载荷传感器的温漂系数，K_M-opp,i-opp用于表示下导杆第i个光纤载荷传感器所正对向的光纤载荷传感器的弯矩系数，λ_opp,i-opp(t)用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0-opp,i-opp用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T-opp,i-opp用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

在具体实施中，由于第一连接轴331、第二连接轴332、第三连接轴333以及第四连接轴334都会转动，因此，四连杆结构的内角及其形状会随受电弓的弓头34的高度变化而变化。当上臂323、下臂322、下导杆321受力时，可能会出现卡滞状态，例如导致受力弯曲后难以还原。

进一步地，所述光纤传感器可以包括至少一个应变传感器以对形变信号进行采集，所述受电弓可以包括四连杆结构和底架31；所述应变传感器可以安装在以下一处或多处：四连杆结构的上臂323、四连杆结构的下臂322、四连杆结构的下导杆321以及所述底架31。

在本发明实施例中，应变传感器安装在以下一处或多处：四连杆结构的上臂323、四连杆结构的下臂322、四连杆结构的下导杆321以及所述底架31，有机会根据形变信号，监测四连杆结构的上臂323、四连杆结构的下臂322、四连杆结构的下导杆321以及所述底架31的疲劳度。

在具体实施中，可以在受电弓的上臂323和下臂322，以及受电弓底架31的关键受力部位或/和焊接缝处布置光纤应变传感器，作为受电弓构架的结构健康监测用，可以长期监测受电弓上臂323、下臂322和底架31的疲劳度。

需要指出的是，在一般情况下，弓头高度可在一定高度区间内工作，例如350mm与2500mm之间工作。可以首先测量L1、L2、L3和L4的长度，以及下导杆载荷传感器力矩中心到轴332的距离L5，L6为轴332与轴334之间的连线。其次，测量在没有来自接触线对受电弓弓头施加压力的自然升弓状态下的不同高度时(比如，每50mm为一档的高度)的四连杆机构的内角α1、α2、β、θ1和θ2，定义α1是L4与L6之间的夹角，α2是L2与L6之间的夹角，β是L1与L4之间的夹角，θ1是L3与L4之间的夹角，θ2是L2与L3之间的夹角。

然后，结合受电弓下臂最大驱动力矩值，即绕轴331转动的最大力矩值，例如1500N×m或2000N×m，视不同类型的受电弓而定，分别计算出受电弓弓头在不同高度的情况下的下导杆两端的球型铰链轴332或轴333完全卡滞而不能转动时所对应的下导杆载荷传感器处的卡滞拉力值和卡滞弯矩值。最后，结合下导杆载荷传感器实时测量的拉力值与弯矩值，并与其自身的卡滞拉力值和卡滞弯矩值做实时对比，这样就可以实时认知下导杆两端的球型铰链轴332和轴333是否出现卡滞状况，做到即时预警。另外，通过下导杆载荷传感器处弯矩值的正负情况，可以判断下导杆中部的弯曲方向，以及区分是轴332卡滞还是轴333卡滞，即当下导杆中部向四连杆机构框内凸出时，下导杆载荷传感器处的弯矩为正值，此时轴332卡滞；反之，当下导杆中部向四连杆机构框外凸出时，下导杆载荷传感器处的弯矩为负值，此时轴333卡滞。

另外，可以在受电弓的上臂和下臂，以及受电弓底架的关键受力部位或/和焊接缝处布置光纤应变传感器，作为受电弓构架的结构健康监测用，可以长期监测受电弓上臂、下臂和底架的疲劳度。

进一步地，所述光纤传感器可以包括至少一个气压传感器以对气压信号进行采集，所述受电弓可以包括气囊和/或气缸(图未示)、气动控制箱35、连接所述气动控制箱35的气路管道(图未示)；所述气压传感器可以安装在以下一处或多处：所述气囊和/或气缸上、所述气动控制箱35的内部或表面、耦接所述气路管道。

在本发明实施例中，气压传感器可以安装在以下一处或多处：气囊和/或气缸上、所述气动控制箱35的内部或表面、耦接所述气路管道，有机会根据气压信号，监测受电弓的气囊或气缸的压力，以及对升降弓故障进行监测。

对于采用耦接所述气路管道的方式监测气囊或气缸的压力，可以在气动控制箱35内的气路管道上，安装三通管件，三通管件的其中两端连接原有气路管道，余下一端连接所述气压传感器，以实时监测受电弓气囊或气缸内的气压值。

对于升弓降弓故障，可以结合气囊或气缸内气压值、受电弓在工作时的升弓高度，接触线和受电弓弓头34之间的接触力值，以及下导杆321的拉力值和弯矩值等一些关键信息，综合分析和判断受电弓的升弓降弓故障的原因。

进一步地，所述气压信号可以用于指示所述受电弓气囊或气缸内的气压压强值；所述处理器可以采用下述公式，确定所述受电弓气囊或气缸内的气压压强值：

P_A(t)＝K_A[λ(t)-λ₀+k_T(T(t)-T₀)]

其中，P_A(t)用于表示气囊/气缸在t时刻的压强值，K_A用于表示所述气压传感器的压强系数，λ(t)用于表示所述气压传感器在t时刻的波长值，λ₀用于表示气囊/气缸在没有被充气时，所述气压传感器的波长值，k_T用于表示所述气压传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

需要指出的是，对于前文提到的弓网间燃弧，在具体实施中，还可以通过结合集成在加速度传感器壳体内的光纤电流传感器、集成在接触力传感器壳体内的光纤温度传感器，以及集成在气动控制箱内气路上的光纤气压传感器，所分别监测到的实时温度值、电流值和气压值，去综合判定弓网间燃弧的产生。

对于前文中提到的接触线的导高值，可以基于气囊/气缸的压强值确定，则所述气囊或气缸内的气压压强值可以是基于上述公式确定的。

更进一步地，所述气压传感器的内部可以嵌入有温度传感器，或者，所述气压传感器可以耦接有温度传感器。

在本发明实施例中，通过设置温度传感器，可以实现温度补偿以及感知实时温度等。

进一步地，所述受电弓可以选自：弹簧箱式受电弓、板簧式受电弓以及拉簧式受电弓。

具体地，所述弹簧箱式受电弓可以为受电弓弓头的缓冲和/或阻尼系统为弹簧箱式的受电弓，所述板簧式受电弓可以为受电弓弓头的缓冲和/或阻尼系统为板簧式的受电弓，所述拉簧式受电弓可以为受电弓弓头的缓冲和/或阻尼系统为拉簧式受电弓。所述弹簧箱式受电弓、板簧式受电弓以及拉簧式受电弓可以为受电弓碳滑板支座为四支座双碳滑板或八支座四碳滑板的受电弓，例如每两支座支撑一条碳滑板。

进一步地，根据升弓驱动装置为气囊式、气缸式或电机式，本发明实施例的中的受电弓还可以分为气囊式受电弓、气缸式受电弓或电机式受电弓。其中，电机式受电弓可以不对气囊/气缸的气压传感器进行测量。

进一步地，所述光纤传感器的安装方式可以选自：螺丝紧固、嵌入、焊接、黏贴和植入。

其中，采用嵌入的固定方式，可以是先在受电弓结构体的内腔的空隙处嵌入光纤传感器，从而提高光纤传感器的稳定性，且节省空间。

其中，采用植入的固定方式，可以在受电弓结构体的内壁或/和外壁的表面或/和是先设置凹陷处，然后将光纤传感器植入所述表便或/和凹陷处，从而提高光纤传感器的稳定性，且节省空间。

在本发明实施例中，所述监测系统还可以包括光纤信号采集处理及分析单元，其内部可以有微型扫描激光器，具有提高光谱分辨率和背景噪声抑制能力，实现对光纤传感器反射光谱信号的多路同步精细扫描，通过光电转换及信号调理，把光谱信号转换为标准电压信号，由现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)控制多路模数(A/D)转换芯片完成模拟-数字信号转换及光谱分析，最终解算获得各支光纤传感器的中心波长值，进一步由物理量-波长表征的标度因子，如加速度、接触力、气压、温度系数等，如前文提到的弯矩系数K_M-opp,i-opp、压强系数K_A等，最终换算得到实测物理值。

进一步地，所述处理器可以包括FPGA以及多路模数转换模块；其中，所述FPGA用于控制所述多路模数转换模块完成模拟-数字信号转换及光谱分析，并输出各个光纤传感器的波长值。

需要指出的是，所述FPGA输出的波长值可以为前文所述的光纤传感器输出的梳状型光谱在激光器的带宽内光强最大时的波长值，可以理解的是，由于本申请中的光纤传感器输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，因此仅存在单个光强最大时的波长值。

参照图13，图13是本发明实施例中一种采用受电弓的监测系统的光纤传感分析仪的原理示意图。

其中，所述光纤传感分析仪可以具有车载存算一体的特点，可以安装在车辆上。

具体地，所述光纤传感分析仪可以包括FPGA数据采集以及接口通信模块1301、D/A转换模块1302、扫描电压信号驱动电路1303、MEMS微型扫描激光器1304、1×2光纤分路器1305、1×32光纤分路器1306、光电转换及信号调理1308、36通道同步25MHz以及16bitA/D转换阵列1309、工业计算机(存算一体信息处理器)1310、可快速插拔TB容量固态存储器1311。还可以通过光纤传感通道1307以及主干网交换机1312进行信息交互。

其中，所述光纤传感通道1307与本申请实施例中的光纤传感器可以采用接插或焊接等方式进行连接，用于作为收发信号的端口，所述信号是由所述光纤传感器采集、接收和反馈的。

需要指出的是，图13示出的为本申请具体应用中一种具有较好效果的光纤传感分析仪，各个模块中的具体参数选择并不构成对本发明技术方案的具体限制。

具体而言，所述光纤传感分析仪内部可以有光纤信号采集处理及分析单元。其中，所述光纤信号采集处理单元可以包括微型扫描激光器，例如为MEMS微型扫描激光器1304，所述扫描激光器可以提高光谱分辨率和背景噪声抑制能力，实现对光纤传感器反射光谱信号的多路同步精细扫描。

所述1×2光纤分路器1305、1×32光纤分路器1306可以对扫描激光器的光信号进行分路处理，然后采用光纤传感通道1307对所述扫描激光器的信号进行采集、分析处理，其具体处理方式可以参照前文所述光纤传感器的处理步骤，此处不再赘述。

然后可以采用光电转换及信号调理1308获取光纤传感器的输出信号，经过数据处理后，输入A/D转换阵列(如36通道同步25MHz以及16bitA/D转换阵列1309)，然后将转换后数据输入FPGA数据采集以及接口通信模块1301。

具体地，通过光电转换及信号调制解调，把光谱信号转换为标准电压信号，由FPGA控制多路模数(A/D)转换芯片完成模拟-数字信号转换及光谱分析，最终解算获得各支光纤传感器的中心波长值。

需要指出的是，本发明实施例中公开的处理器可以包括图13示出的FPGA数据采集以及接口通信模块1301、D/A转换模块1302以及36通道同步25MHz以及16bitA/D转换阵列1309，还可以包括其他适当的模块，如光电转换及信号调理1308等。

在本发明实施例的其他具体实施方式中，所述处理器还可以为中央处理单元(central processing unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、DSP、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

更进一步地，关于FPGA的选用，相比于现有技术中通常采用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)去采集和处理信号，由于DSP只能适用于系统较低取样速率或低数据率下的多条件进程、特别是复杂的多算法任务，往往难以满足需求。在本发明实施例中，采用FPGA去采集和处理DSP难以胜任的高达上Gbps的信号，可以更好地实时采集和处理由高速扫描激光器(一般扫描激光器的扫描频率从1kHz到100kHz的扫描频率为高速扫描激光器)产生的对多通道同步扫描所带来的同一时刻的海量采样数据，可以直接输出中心波长值信号。因此，FPAG适用高速采样频率下，特别是任务比较固定或重复的情况。

在本发明实施例中，所述处理器可以包括FPGA以及多路模数转换模块；其中，所述FPGA用于控制所述多路模数转换模块完成模拟-数字信号转换及光谱分析，并输出各个光纤传感器的波长值，相比于采用数字信号处理器采集和处理信号，只能适用于系统较低取样速率或低数据率下的多条件进程、多算法任务，采用FPGA可以采集和处理DSP难以胜任的高数据率信号(如Gbps信号甚至更高数据率)，这样可以更好地实时采集和处理由高速扫描激光器产生的对多通道同步扫描所带来的同一时刻的海量采样数据，并且能够直接输出波长值。其中，所述波长值是光纤传感器输出的梳状型光谱在激光器的带宽内光强最大时的波长值，由于本申请中的光纤传感器输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，因此仅存在单个光强最大时的波长值用于输出。

所述光纤传感分析仪还可以包括工业计算机(存算一体信息处理器)1310，可以把FPGA输出的波长信号直接通过内嵌的算法，即物理量-中心波长值表征的标度因子，变成相应的物理量信号，比如安装在受电弓上的各类传感器产生的加速度信号、接触力信号、温度信号、载荷信号、气压信号和形变信号。然后，结合数据的时间信息和空间信息，快速把计算好的物理量信号，同时记录在存储器内(例如可快速插拔TB容量的固态存储器1311)。

本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的随机存取存储器(random access memory，RAM)可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate SDRAM，DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhancedSDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus RAM，DR RAM)。

具体地，具有存算一体技术的光纤信号采集处理及分析单元可以在实现对MEMS光纤传感器光谱波长信号解调的常规物理量传感测量的基础上，通过FPGA的内置ARM CORE和低时延相变存储器，实现光谱波长解调到振动信号的解算，并进一步进行FFT信号变换，实现频域和时域信号分析，以及基于预测的异常检测技术，建立前端对故障模型的自学习、预测及比对修正的循环，实现存算一体光纤信号采集处理及分析单元内部的故障模型存储与预测计算集成。

需要指出的是，在本发明实施例的具体实施中，还可以通过主干网交换机1312获取外界信息，如车辆的开关门信号等，提高获知车辆的空间信息的准确性。

在本发明实施例中，还提供了一种光纤传感器，所述光纤传感器可以用于接收激光信号，所述光纤传感器可以包括：光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_FP用于表示所述光学干涉腔的腔长，k_mid用于表示所述光纤传感器的预设的纵模数，k_mid的取值范围为正整数，且k_mid≥2，W_laser用于表示发出所述激光信号的激光器的带宽，λ_ctr用于表示所述激光器的带宽的中心点波长值；所述光学干涉腔包括位于腔体两端的反射镜，所述光学干涉腔的腔长为两个反射镜之间的间距。

所述光学干涉腔的腔长可以满足以下公式：

其中，l_ctr用于表示所述光学干涉腔的腔长。

在本发明实施例中，根据发出激光信号的激光器的带宽、所述激光器的带宽的中心点波长值以及光纤传感器的预设的纵模数，可以采用公式确定光学干涉腔的腔长，以使得从所述光学干涉腔输出的梳状型光谱中仅存在单个波峰位于所述激光器的带宽内，从而在分析过程中，避免相邻波峰对该波峰的信号干扰，有效防止串码。

关于该光纤传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文描述的关于受电弓的监测系统的相关描述，此处不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (33)

1.一种受电弓的监测系统，其特征在于，包括：

一个或多个光纤传感器，所述光纤传感器安装在所述受电弓上，用于接收激光信号；

处理器，与所述光纤传感器耦接，用于处理所述光纤传感器采集的信号；

其中，所述光纤传感器具有光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_FP用于表示所述光学干涉腔的腔长，k_mid用于表示所述光纤传感器的预设的纵模数，k_mid的取值范围为正整数，且k_mid≥2，W_laser用于表示发出所述激光信号的激光器的带宽，λ_ctr用于表示所述激光器的带宽的中心点波长值；

所述光学干涉腔包括位于腔体两端的反射镜，所述光学干涉腔的腔长为两个反射镜之间的间距。

2.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_ctr用于表示所述光学干涉腔的腔长。

3.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，

所述光纤传感器为无源传感器。

4.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括弓头支座；

对于安装有接触力传感器的弓头，所述接触力传感器安装在弓头支座的内部或表面。

5.根据权利要求4所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述接触力传感器成对设置，且成对的接触力传感器分别安装于同一个弓头的两端的弓头支座。

6.根据权利要求4所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述弓头支座与所述接触力传感器一一对应，每个弓头支座的内部或表面都安装有对应的接触力传感器。

7.根据权利要求4所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述接触力传感器的内部嵌入有温度传感器，或者，所述接触力传感器耦接有温度传感器。

8.根据权利要求4所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述压力信号用于指示所述受电弓的碳滑板结构的质量；

所述处理器采用下述公式，确定所述碳滑板结构的磨耗量：

ΔG_0,i(t)＝G'_0,i(t)-G_0,i

其中，G_0,i用于表示第i组碳滑板结构在未磨耗时的初始质量，G’_0,i(t)用于表示第i组碳滑板结构在时刻t的质量，K_G,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器的接触力系数，λ_D,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在无任何受力状态下的波长值，λ_CS,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在第i组碳滑板结构未磨耗时的波长值，λ’_CS,i,j用于表示第i组碳滑板结构的第j个接触力传感器在时刻t的波长值，N_S用于表示同一组碳滑板上接触力传感器的数量，i用于表示所述碳滑板结构的序号，j用于表示每个碳滑板结构的接触力传感器的序号。

9.根据权利要求4所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述压力信号用于指示所述弓头与接触线之间的弓网间接触力；

所述处理器采用下述公式，确定所述弓头与接触线之间的弓网间接触力：

F_S,i,j(t)＝K_S,i,j[λ_i,j(t)-λ_0,i,j+k_T,i,j(T(t)-T₀)]

其中，F_S,i,j(t)用于表示受电弓弓头第i组碳滑板的第j个弓头支座上的接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，K_S,i,j用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器的接触力系数，λ_i,j(t)用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器在t时刻的波长值，λ_0,i,j用于表示受电弓弓头在与接触线之间无相互力的作用时，第i组碳滑板的第j个接触力传感器的波长值，k_T,i,j用于表示第i组碳滑板的第j个接触力传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时的温度值，F_cp(t)用于表示受电弓弓头与接触线之间在t时刻的接触力值，N_C用于表示受电弓弓头上碳滑板的数量，N_S用于表示同一组碳滑板上弓头支座的数量。

10.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器包括至少一个加速度传感器以对加速度信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括碳滑板、分别与所述碳滑板的两端连接的弓头支座以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板以及各个弓头支座；

对于安装有加速度传感器的弓头，所述加速度传感器安装在以下一处或多处：

弓头支座的内部或表面、连接部件上。

11.根据权利要求10所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述加速度传感器成对设置；

其中，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头的两端的弓头支座，或者，成对的加速度传感器分别安装于同一个弓头的两端的连接部件。

12.根据权利要求10所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述弓头支座与所述加速度传感器一一对应，每个弓头支座的内部或表面都安装有对应的加速度传感器。

13.根据权利要求10所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述加速度传感器为光纤三轴加速度传感器。

14.根据权利要求10至13任一项所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述加速度传感器的内部嵌入有电流传感器，或者，所述加速度传感器耦接有电流传感器。

15.根据权利要求10所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述加速度信号用于指示至少一个弓头在横向方向上的加速度，以及至少一个弓头在垂向方向上的加速度；

所述处理器采用下述公式，确定所述弓头的垂向和横向的振动位移：

其中，d_H(t)用于表示所述弓头在t时刻在横向方向上的位移值，d_0,H用于表示所述弓头在横向方向上的初始位移值，v_0,H用于表示所述弓头在横向方向上的初始速度值，a_H(t)用于表示所述弓头在t时刻的横向方向上的加速度值，d_V(t)用于表示所述弓头在t时刻的垂向方向上的位移值，d_0,V用于表示所述弓头在垂向方向上的初始位移值，v_0,V用于表示受电弓弓头在垂向方向上的初始速度值，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值。

16.根据权利要求10所述的受电弓的监测系统，其特征在于，

所述光纤传感器还包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括弓头支座；对于安装有接触力传感器的弓头，所述接触力传感器安装在弓头支座的内部或表面；

所述压力信号用于指示所述弓头与接触线之间的弓网间接触力；

所述加速度信号用于指示至少一个弓头在横向方向上的加速度，以及至少一个弓头在垂向方向上的加速度；

所述处理器采用下述公式，确定所述弓头在垂向方向上的加速度值以及所述弓头与接触线之间的弓网间接触力：

a_V(t)＝K_V[λ_V(t)-λ_0,V+k_T,V(T(t)-T₀)]

F_S(t)＝K_S[λ_S(t)-λ_0,S+k_T,S(T(t)-T₀)]

其中，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值，K_V用于表示加速度传感器在垂向方向上的加速度系数，λ_V(t)用于表示加速度传感器垂向方向上在t时刻的波长值，λ_0,V用于表示加速度传感器垂向方向上在静止状态下的波长值，k_T,V用于表示加速度传感器垂向方向上的温漂系数，F_S(t)用于表示所述接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，K_S用于表示接触力传感器的接触力系数，λ_S(t)用于表示接触力传感器在t时刻的波长值，λ_0,S用于表示受电弓弓头在与接触线之间无相互力的作用时，接触力传感器的波长值，k_T,S用于表示接触力传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值T，T₀用于表示初始时的温度值。

17.根据权利要求10所述的受电弓的监测系统，其特征在于，

所述光纤传感器还包括至少一个接触力传感器以对压力信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括弓头支座；对于安装有接触力传感器的弓头，所述接触力传感器安装在弓头支座的内部或表面；

所述压力信号用于指示所述弓头与接触线之间的弓网间接触力；

所述加速度信号用于指示至少一个弓头在纵向方向上的加速度；

所述处理器采用下述公式，确定所述接触线的拉出值：

或者，

其中，Z_C(t)用于表示接触线的在t时刻的拉出值，定义列车前进方向右侧Z_C为负值，列车前进方向左侧Z_C为正值，L_S为同一组碳滑板两端具有缓冲或/和阻尼系统的弓头支座中心之间的距离，F_S,i,drg和F_S,i,gch分别用于表示受电弓弓头第i组碳滑板的右侧和左侧2个弓头支座上的接触力传感器与接触线之间在t时刻的接触力值，v_L(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的纵向方向上的速度值，v_0,L用于表示受电弓弓头在纵向方向上的初始速度值，a_L(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的纵向方向上的加速度值a_L，D_L(t)用于表示列车在t时刻的行驶距离，D_0,L用于表示列车的初始行驶距离。

18.根据权利要求10所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述加速度信号用于指示至少一个弓头在垂向方向上的加速度；

所述处理器采用下述公式，确定接触线的导高值：

其中，v_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的速度值，v_0,V用于表示受电弓弓头的垂向方向上的初始速度值，a_V(t)用于表示受电弓弓头在t时刻的垂向方向上的加速度值，h_C(t)用于表示接触线在t时刻的导高值，h_Tr用于表示受电弓所在车厢的车顶相对于地平面的高度，h_cp,0(P_A,0)用于表示在气囊/气缸的压强值为P_A,0时，受电弓弓头碳滑板上表面相对于车顶的高度，P_A,0用于表示在正常受流时所需的弓网间接触力时的静止升弓状态下的气囊/气缸的压强值。

19.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器包括至少一个温度传感器以对温度信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括碳滑板、分别与所述碳滑板的两端连接的弓头支座以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板以及各个弓头支座；

对于安装有温度传感器的弓头，所述温度传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上。

20.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器包括至少一个电流传感器以对电流信号进行采集，所述受电弓包括一个或多个弓头，每个弓头包括碳滑板、分别与所述碳滑板的两端连接的弓头支座以及连接部件，所述连接部件用于连接碳滑板以及各个弓头支座；

对于安装有电流传感器的弓头，所述电流传感器安装在以下一处或多处：弓头支座的内部或表面、连接部件上。

21.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器包括至少一个载荷传感器以对载荷信号进行采集，所述受电弓包括四连杆结构；

所述载荷传感器安装在以下一处或多处：

四连杆结构的上臂、四连杆结构的下臂、四连杆结构的下导杆。

22.根据权利要求21所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述载荷传感器的内部嵌入有温度传感器，或者，所述载荷传感器耦接有温度传感器。

23.根据权利要求21所述的受电弓的监测系统，其特征在于，

所述载荷传感器安装在所述下导杆任意截面的同一个截面圆周上，所述载荷信号用于指示所述下导杆的拉力；

所述处理器采用下述公式，确定所述下导杆的拉力值：

其中，F_pf(t)用于表示所述下导杆在t时刻的拉力值，N用于表示在所述下导杆的同一横截面上的载荷传感器的总数量，K_pf,n用于表示第n个光纤载荷传感器的拉力系数，λ_n(t)用于表示第n个载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0,n用于表示第n个光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T,n用于表示第n个光纤载荷传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

24.根据权利要求21所述的受电弓的监测系统，其特征在于，

所述载荷传感器成对地安装在所述下导杆任意截面的同一个截面圆周上，且所述成对的载荷传感器呈中心对称，所述载荷信号用于指示所述下导杆的弯矩；

所述处理器采用下述公式，确定所述下导杆的弯矩值：

M_i,i-opp(t)＝K_M,i{λ_i(t)-λ_0,i+k_T,i[T(t)-T₀]}-K_M-opp,i-opp{λ_opp,i-opp(t)-λ_0-opp,i-opp+k_T-opp,i-opp[T(t)-T₀]}

其中，i＝1,2,3,…,I，

其中，M_i,i-opp(t)用于表示所述下导杆第i,i-opp弯曲方向上在t时刻的弯矩值，N用于表示在所述下导杆的同一横截面上的载荷传感器的总数量，I用于表示下导杆同一横截面上正对向的两支载荷传感器的配对数量，K_M,i用于表示下导杆第i个载荷传感器的弯矩系数，λ_i(t)用于表示第i个光纤载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0,i用于表示第i个光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T,i用于表示第i个光纤载荷传感器的温漂系数，K_M-opp,i-opp用于表示下导杆第i个光纤载荷传感器所正对向的光纤载荷传感器的弯矩系数，λ_opp,i-opp(t)用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器在t时刻的波长值，λ_0-opp,i-opp用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器在无载荷时的波长值，k_T-opp,i-opp用于表示第i个光纤载荷传感器所正对向的第i-opp光纤载荷传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

25.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器包括至少一个应变传感器以对形变信号进行采集，所述受电弓包括四连杆结构和底架；

所述应变传感器安装在以下一处或多处：

所述四连杆结构的上臂、所述四连杆结构的下臂、所述四连杆结构的下导杆以及所述底架。

26.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，

所述光纤传感器包括至少一个气压传感器以对气压信号进行采集，所述受电弓包括气囊和/或气缸、气动控制箱、连接所述气动控制箱的气路管道；

所述气压传感器安装在以下一处或多处：

所述气囊和/或气缸上、所述气动控制箱的内部或表面、耦接所述气路管道。

27.根据权利要求26所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述气压传感器的内部嵌入有温度传感器，或者，所述气压传感器耦接有温度传感器。

28.根据权利要求26所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述气压信号用于指示所述受电弓气囊或气缸内的气压压强值；

所述处理器采用下述公式，确定所述受电弓气囊或气缸内的气压压强值：

P_A(t)＝K_A[λ(t)-λ₀+k_T(T(t)-T₀)]

其中，P_A(t)用于表示气囊/气缸在t时刻的压强值，K_A用于表示所述气压传感器的压强系数，λ(t)用于表示所述气压传感器在t时刻的波长值，λ₀用于表示气囊/气缸在没有被充气时，所述气压传感器的波长值，k_T用于表示所述气压传感器的温漂系数，T(t)用于表示t时刻的温度值，T₀用于表示初始时刻的温度值。

29.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述受电弓选自：

弹簧箱式受电弓、板簧式受电弓以及拉簧式受电弓。

30.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器的安装方式选自：

螺丝紧固、嵌入、焊接、黏贴和植入。

31.根据权利要求1所述的受电弓的监测系统，其特征在于，所述处理器包括FPGA以及多路模数转换模块；

其中，所述FPGA用于控制所述多路模数转换模块完成模拟-数字信号转换及光谱分析，并输出各个光纤传感器的波长值。

32.一种光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器用于接收激光信号，所述光纤传感器包括：

光学干涉腔，所述激光信号进入所述光学干涉腔后形成梳状型光谱，且所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_FP用于表示所述光学干涉腔的腔长，k_mid用于表示所述光纤传感器的预设的纵模数，k_mid的取值范围为正整数，且k_mid≥2，W_laser用于表示发出所述激光信号的激光器的带宽，λ_ctr用于表示所述激光器的带宽的中心点波长值；

所述光学干涉腔包括位于腔体两端的反射镜，所述光学干涉腔的腔长为两个反射镜之间的间距。

33.根据权利要求32所述的光纤传感器，其特征在于，所述光学干涉腔的腔长满足以下公式：

其中，l_ctr用于表示所述光学干涉腔的腔长。

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