一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統及檢測方法
2023-06-15 19:12:21 1
一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統及檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統及檢測方法，包括：電接觸設備，多個光纖溫度傳感探頭，信號採集模塊和熱分析模塊，電接觸設備包括電刷和滑軌，其中：多個光纖溫度傳感探頭分別安裝在電接觸設備上，每個光纖溫度傳感探頭用於檢測電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射；通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到信號採集模塊；信號採集模塊用於將接收的能量信號轉換成對應的電信號，並對該電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號；熱分析模塊用於基於接收的溫度電信號，確定電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。從而實現了對滑動電接觸表面瞬態溫度的檢測。
【專利說明】一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電接觸設備【技術領域】和瞬態溫度檢測領域，尤其涉及一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統及檢測方法。
【背景技術】
[0002]大電流接觸載荷下的滑動電接觸中電流或電壓是相互關聯的，會伴隨發生機械效應、熱效應或包括電火花和電弧的電效應。這些效應會使接觸體的狀態產生變化，產生這種變化由於跨接在電接觸上的分離電壓大於材料的最小起弧電壓。
[0003]在電氣化鐵路中，也存在典型的大電流載荷下的滑動電接觸現象，例如，作為弓網系統的關鍵部件的受電弓滑板和接觸面在列車運行過程中脫離時，被斷開的電流以及加在滑板和接觸面之間的電壓超過一定值時，在接觸間隙會形成電火花或電弧。
[0004]拉弧現象會對電力機車的運行造成多方面的危害，尤其是在離線瞬間，極高的電弧溫度使得接觸面局部溫度過高，發生高溫熔蝕，導致接觸面粗糙不平，長此以往，會造成接觸面的斷裂，嚴重威脅了鐵路的安全運行。
[0005]因此，對大電流載荷下電接觸面動態條件下瞬態溫度場進行研究具有非常重要的意義，研究溫度傳導和分布，不僅可以了解瞬態溫度對接觸面的影響，也可為弓網系統接觸線的燒蝕、損傷、接觸網的維護等問題的研究提供可靠依據。
[0006]在當前的高鐵弓網系統材料損傷研究中，不能實時檢測材料損傷過程，且目前也沒有合適的測試手段。
【發明內容】
[0007]本發明實施例提供一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統及檢測方法，用以解決現有技術中存在無法對滑動電接觸表面瞬態溫度進行檢測的問題。
[0008]本發明實施例提供一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統，包括:電接觸設備，多個光纖溫度傳感探頭，信號採集模塊和熱分析模塊，所述電接觸設備包括電刷和滑軌，其中:
[0009]所述多個光纖溫度傳感探頭分別安裝在所述電接觸設備上，且所述多個光纖溫度傳感探頭分別對應所述滑軌的不同位置，光纖溫度傳感探頭用於檢測所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射；
[0010]所述多個光纖溫度傳感探頭通過光纖與所述信號採集模塊相連，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到所述信號採集模塊；
[0011]所述信號採集模塊用於將接收的所述能量信號轉換成對應的電信號，並對所述電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將所述溫度電信號發送給所述熱分析模塊；
[0012]所述熱分析模塊用於基於接收的所述溫度電信號，確定所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。
[0013]進一步的，所述光纖溫度傳感探頭，包括:光學探頭透鏡，光纖前端，光纖和紅外濾光片，其中:
[0014]所述電接觸表面產生的紅外輻射經所述光學探頭透鏡會聚，並投射到所述光纖前端，紅外輻射所產生的能量信號通過光纖傳輸及所述紅外濾光片濾光後，通過光纖被傳輸到所述信號採集模塊。
[0015]進一步的，所述光纖溫度傳感探頭，包括:光學探頭透鏡，光纖前端，光纖，耦合器和紅外濾光片，其中:
[0016]所述電接觸表面產生的紅外輻射經所述光學探頭透鏡會聚，並投射到所述光纖前端，紅外輻射所產生的能量信號通過光纖傳輸，並經過所述耦合器進行耦合及所述紅外濾光片濾光後，通過光纖被傳輸到所述信號採集模塊。
[0017]進一步的，所述信號採集模塊，包括:光電紅外探測器，信號放大子模塊，信號隔離子模塊和信號採集子模塊，其中:
[0018]所述光電紅外探測器將接收的所述能量信號轉換成對應的電信號；
[0019]並由所述信號放大子模塊對所述電信號進行放大和線性化處理，得到標準電信號;
[0020]所述標準電信號經過所述信號隔離子模塊進行隔離處理後，輸出到所述信號採集子模塊；
[0021]所述信號採集子模塊對接收的經過隔離處理的標準電信號進行模數轉換，得到表示溫度值的溫度電信號。
[0022]進一步的，所述信號採集子模塊的響應時間不大於2ms。
[0023]進一步的，所述電接觸設備為電接觸實驗設備。
[0024]本發明實施例還提供一種基於上述檢測系統的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測方法，包括:
[0025]光纖溫度傳感探頭檢測所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到所述信號採集模塊；
[0026]所述信號採集模塊將所述紅外輻射將接收的所述能量信號轉換成對應的電信號，並對所述電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將所述溫度電信號發送給所述熱分析模塊；
[0027]所述熱分析模塊基於接收的所述溫度電信號，確定所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。
[0028]進一步的，所述電接觸設備為電接觸實驗設備；
[0029]在光纖溫度傳感探頭檢測所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射之前，還包括:
[0030]對所述電接觸實驗設備通以大於預設電壓值的電壓，並控制所述電接觸實驗設備的所述電刷在所述滑軌上滑動。
[0031]本發明有益效果包括:
[0032]採用本發明實施例提供的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統，在電接觸設備的電刷與滑軌之間滑動的過程中，可以通過安裝在電接觸設備上的光線溫度傳感探頭，檢測電話與滑軌的電接觸表面上對應位置產生的紅外輻射，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到信號採集模塊，信號採集模塊用於將接收的能量信號轉換成對應的電信號，並對電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將溫度電信號發送給熱分析模塊，熱分析模塊用於基於接收的溫度電信號，確定電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況，從而實現了對滑動電接觸表面瞬態溫度的檢測。
[0033]本申請的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本申請而了解。本申請的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中:
[0035]圖1為本發明實施例提供的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統的結構示意圖；
[0036]圖2為本發明實施例提供的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統中的光纖溫度傳感探頭的結構示意圖之一；
[0037]圖3為本發明實施例提供的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統中的光纖溫度傳感探頭的結構示意圖之二；
[0038]圖4為本發明實施例提供的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統中的信號採集模塊的結構示意圖；
[0039]圖5為本發明實施例提供的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0040]為了給出對滑動電接觸表面瞬態溫度進行檢測的實現方案，本發明實施例提供了一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統及檢測方法，以下結合說明書附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。並且在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
[0041]本發明實施例提供一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統，如圖1所示，包括:電接觸設備11，多個光纖溫度傳感探頭12，信號採集模塊13和熱分析模塊14，電接觸設備11包括電刷和滑軌，其中:
[0042]多個光纖溫度傳感探頭12分別安裝在電接觸設備11上，靠近滑軌的表面，且多個光纖溫度傳感探頭12可以分別對應滑軌的不同位置，每個光纖溫度傳感探頭12用於檢測電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面上，該光纖溫度傳感探頭12對應位置產生的紅外福射;
[0043]該多個光纖溫度傳感探頭12分別通過光纖與信號採集模塊13相連，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到信號採集模塊13 ；
[0044]信號採集模塊13用於將接收的能量信號轉換成對應的電信號，並對該電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將溫度電信號發送給熱分析模塊14 ；
[0045]熱分析模塊14用於基於接收的溫度電信號，確定電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。
[0046]其中，考慮到在研究階段直接對高鐵的弓網系統的大電流載荷下的滑動電接觸表面瞬態溫度進行檢測比較不便，所以，本發明實施例中，提出電接觸設備11可以採用電接觸實驗設備，並通以大於預設電壓值的電壓，從而產生大電流載荷，並控制電刷在滑軌上高速滑動，從而模擬高鐵的弓網系統，並針對該電接觸實驗設備，進行滑動電接觸表面瞬態溫度的檢測，從而為進一步研究材料損傷測試分析提供技術支持。
[0047]本發明實施例中，如圖2所示，光纖溫度傳感探頭12，可以包括:光學探頭透鏡21，光纖前端22，光纖23和紅外濾光片24，其中:
[0048]電接觸設備11的電刷與滑軌之間的電接觸表面產生的紅外輻射，經光學探頭透鏡21會聚，並投射到光纖前端22，紅外輻射所產生的能量信號通過光纖23傳輸及紅外濾光片24濾光後,通過光纖被傳輸到信號米集模塊13。
[0049]本發明實施例中，如圖3所示，光纖溫度傳感探頭12，也可以包括:光學探頭透鏡31，光纖前端32，光纖33，耦合器34和紅外濾光片35，其中:
[0050]電接觸設備11的電刷與滑軌之間的電接觸表面產生的紅外輻射，經光學探頭透鏡31會聚，並投射到纖前端32，紅外輻射所產生的能量信號通過光纖33傳輸，並經過耦合器34進行耦合及紅外濾光片35濾光後，通過光纖被傳輸到信號採集模塊13。
[0051]本發明實施例中，如圖4所示，信號採集模塊13，可以包括:光電紅外探測器41，信號放大子模塊42，信號隔離子模塊43和信號採集子模塊44，其中:
[0052]光電紅外探測器41探測通過光纖傳輸的能量信號，並將接收的能量信號轉換成對應的電信號；
[0053]並由信號放大子模塊42對該電信號進行放大和線性化處理，得到標準電信號；
[0054]標準電信號經過信號隔離子模塊43進行隔離處理後，輸出到信號採集子模塊44 ；
[0055]信號採集子模塊44對接收的經過隔離處理的標準電信號進行模數轉換，得到表示溫度值的溫度電信號。
[0056]其中，通過信號隔離子模塊43使自身的電源信號、輸入信號和輸出信號之間隔離，並斷開過程環路，使得過程信號仍正常傳輸，從而提高了檢測系統的抗幹擾性能，使得本發明實施例提出的該檢測系統可應用於強電磁場環境，且能夠得到準確的檢測結果。
[0057]進一步的，為了實現對檢測到的信號的及時採集，信號採集子模塊44可以採用高速信號採集模塊，例如，其響應時間不大於2ms，從而滿足對信號高速採集的要求，避免檢測數據的遺失。
[0058]具體的，信號米集子模塊44可以米用S3C2440處理器。
[0059]本發明實施例中，熱分析模塊14在接收到溫度電信號後，可以根據實際的該溫度檢測數據，並結合傳熱學和有限元的基本原理，對接電觸面的溫度場進行熱分析，從而確定出電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況，例如，得到電接觸表面在各個時刻的溫度分布及不同位置的溫度變化曲線。
[0060]具體的，可以通過熱源理論分析，確定電接觸表面熱載荷及材料參數、熱傳遞方式，建立有限元模型，定義單元類型，定義材料性能參數，創建幾何立體模型，對模型分配屬性劃分網格，設置分析類型，施加形影的溫度載荷，計算求解，通過仿真結果分析得到電接觸表面同一位置處不用時刻溫度場分布情況，以及電接觸表面上不同位置同一時刻溫度場分布情況。
[0061]其中，所基於的熱傳學和有限元基本原理，可參照現有技術，在此不再進行詳細描述。
[0062]基於上述檢測系統，本發明實施例還提供一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測方法，如圖5所示，可以包括如下處理步驟:
[0063]步驟501、光纖溫度傳感探頭檢測電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到所述信號採集模塊。
[0064]步驟502、信號採集模塊將紅外輻射將接收的能量信號轉換成對應的電信號，並對電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將溫度電信號發送給熱分析模塊。
[0065]步驟503、熱分析模塊基於接收的溫度電信號，確定電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。
[0066]進一步的，上述電接觸設備可以為電接觸實驗設備；
[0067]相應的，在光纖溫度傳感探頭檢測電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射之前，還可以包括如下步驟:
[0068]對電接觸實驗設備通以大於預設電壓值的電壓，並控制電接觸實驗設備的電刷在滑軌上滑動，從而實現對高鐵的弓網系統的模擬，並針對該電接觸實驗設備，進行滑動電接觸表面瞬態溫度的檢測，從而為進一步研究材料損傷測試分析提供技術支持。
[0069]本發明實施例提供的上述方法中各步驟的詳細處理方式，可以參照上述對本發明實施例提出的檢測系統的描述內容，在此不再進行重複描述。
[0070]綜上所述，本發明實施例提供的方案，包括:電接觸設備，多個光纖溫度傳感探頭，信號採集模塊和熱分析模塊，電接觸設備包括電刷和滑軌，其中:多個光纖溫度傳感探頭分別安裝在電接觸設備上，靠近滑軌的表面，且多個光纖溫度傳感探頭可以分別對應滑軌的不同位置，每個光纖溫度傳感探頭用於檢測電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面上，該光纖溫度傳感探頭對應位置產生的紅外輻射；該多個光纖溫度傳感探頭分別通過光纖與信號採集模塊相連，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到信號採集模塊；信號採集模塊用於將接收的能量信號轉換成對應的電信號，並對該電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將溫度電信號發送給熱分析模塊；熱分析模塊用於基於接收的溫度電信號，確定電刷與滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。從而實現了對滑動電接觸表面瞬態溫度的檢測。
[0071]並且，本發明實施例提供的方案，適用於瞬態測量，檢測靈敏度高，檢測系統抗強電磁場幹擾，工作可靠，自成一體，便於推廣。
[0072]並且，針對大電流載荷下的高速滑動接觸場景，對電接觸表面的溫度採用非接觸方法進行多點瞬態溫度檢測，利用有限元分析手段對瞬態溫度場進行熱載荷和熱傳導分析，得到不同位置處的電接觸表面的內部溫度變化，從而為進一步研究材料的損傷測試和分析提供技術依據。
[0073]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種滑動電接觸表面瞬態溫度檢測系統，其特徵在於，包括:電接觸設備，多個光纖溫度傳感探頭，信號採集模塊和熱分析模塊，所述電接觸設備包括電刷和滑軌，其中: 所述多個光纖溫度傳感探頭分別安裝在所述電接觸設備上，且所述多個光纖溫度傳感探頭分別對應所述滑軌的不同位置，光纖溫度傳感探頭用於檢測所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射； 所述多個光纖溫度傳感探頭通過光纖與所述信號採集模塊相連，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到所述信號採集模塊； 所述信號採集模塊用於將接收的所述能量信號轉換成對應的電信號，並對所述電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將所述溫度電信號發送給所述熱分析模塊；所述熱分析模塊用於基於接收的所述溫度電信號，確定所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述光纖溫度傳感探頭，包括:光學探頭透鏡，光纖前端，光纖和紅外濾光片，其中: 所述電接觸表面產生的紅外輻射經所述光學探頭透鏡會聚，並投射到所述光纖前端，紅外輻射所產生的能量信號通過光纖傳輸及所述紅外濾光片濾光後，通過光纖被傳輸到所述信號採集模塊。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述光纖溫度傳感探頭，包括:光學探頭透鏡，光纖前端，光纖，耦合器和紅外濾光片，其中: 所述電接觸表面產生的紅外輻射經所述光學探頭透鏡會聚，並投射到所述光纖前端，紅外輻射所產生的能量信號通過光纖傳輸，並經過所述耦合器進行耦合及所述紅外濾光片濾光後，通過光纖被傳輸到所述信號採集模塊。
4.如權利要求1-3任一所述的系統，其特徵在於，所述信號採集模塊，包括:光電紅外探測器，信號放大子模塊，信號隔離子模塊和信號採集子模塊，其中: 所述光電紅外探測器將接收的所述能量信號轉換成對應的電信號； 並由所述信號放大子模塊對所述電信號進行放大和線性化處理，得到標準電信號； 所述標準電信號經過所述信號隔離子模塊進行隔離處理後，輸出到所述信號採集子模塊； 所述信號採集子模塊對接收的經過隔離處理的標準電信號進行模數轉換，得到表示溫度值的溫度電信號。
5.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述信號採集子模塊的響應時間不大於2ms ο
6.如權利要求1-3任一所述的系統，其特徵在於，所述電接觸設備為電接觸實驗設備。
7.一種基於權利要求1所述的檢測系統的滑動電接觸表面瞬態溫度檢測方法，其特徵在於，包括: 光纖溫度傳感探頭檢測所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射，並通過光纖將檢測到的紅外輻射所產生的能量信號傳輸到所述信號採集模塊； 所述信號採集模塊將所述紅外輻射將接收的所述能量信號轉換成對應的電信號，並對所述電信號進行處理，得到表示溫度值的溫度電信號，並將所述溫度電信號發送給所述熱分析模塊； 所述熱分析模塊基於接收的所述溫度電信號，確定所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面的溫度分布情況。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述電接觸設備為電接觸實驗設備；在光纖溫度傳感探頭檢測所述電刷與所述滑軌之間滑動過程中的電接觸表面對應位置產生的紅外輻射之前，還包括: 對所述電接觸實驗設備通以大於預設電壓值的電壓，並控制所述電接觸實驗設備的所述電刷在所述滑軌上滑動。
【文檔編號】G01J5/46GK104458012SQ201410795648
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】戰再吉, 張玉燕, 溫銀堂, 王振春, 王微, 李海龍 申請人:燕山大學