CN110382284A

CN110382284A - 光学监测***

Info

Publication number: CN110382284A
Application number: CN201880006886.7A
Authority: CN
Inventors: S.童; K.格拉坦; Y.陈; M.维达科维奇; M.费边; F.熊
Original assignee: London City College, University of
Current assignee: London City College, University of; City University of London
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-10-25
Also published as: GB2572935A; EP3568312B1; WO2018130427A3; ES2971039T3; EP3568312C0; GB201700573D0; EP3568312A2; GB2572935B; GB201911494D0; WO2018130427A2; US20200055401A1; US11385110B2

Abstract

一种用于电动车辆的监测***，该电动车辆借助于在车辆的运行中接触导体（13）的集电器（3、7）从导体汲取电流，该***包括：多个传感器模块，其以间隔开的间距分布在整个集电器上，其中每个传感器模块包括多个FBG（光纤布拉格光栅）传感器，所述多个FBG传感器被定向，以便与在所述车辆的运行中与所述导体导电的所述集电器的表面至少大体共面，每个所述模块的传感器被布置成补偿每个模块的所述FBG传感器中的温度引起的波长变化的几何图案；光源（15），其用于照明每个所述传感器模块；用于将所述光源光学地耦合到每个所述传感器模块的光学耦合器件（19）；以及光学信号解释模块（17），其被构造成经由所述光学耦合器件接收来自每个所述传感器模块的光学信号，所述光学信号由所述传感器模块响应于所述光源对所述传感器模块的照明而生成，所述解释模块被构造成能够从所述光学信号确定每个所述传感器模块的取决于温度的应变测量。

Description

光学监测***

技术领域

本发明涉及光学监测***，具体地涉及包括多个光学传感器模块的监测***。

在一种构想的实现方式中，所公开的***可以被用于监测集电器，例如被电动车辆（诸如火车或者有轨电车）用来从导体汲取电流的类型的收集器，该导体是例如架空导体电线（被称为悬链线）或者导电轨。在其他应用中，本发明的教导可以被用于监测其他类型的集电器，例如在电动马达等等中使用的集电器。

下面在用于包括从架空悬链线汲取电流的受电弓的电动机车的监测***的上下文中提供了本发明的教导。然而，应该注意到，这种具体的应用是本发明的教导的仅仅一种说明性应用，并且可以存在许多其他应用。因此，下文的描述不应该被看作将本发明的范围限制成下文详细描述的具体应用。

背景技术

受电弓是现代的电动火车、有轨电车或公共汽车的用于从架空悬链线电线收集电流的关键的安装在顶部（roof-mounted）的部分。成功的电流收集需要在所有状况下均具有稳定力的可靠的受电弓-悬链线接触，特别是抵抗在火车沿线路行进时遇到的机械、动态和空气动力学效应。因此，特别重要的是，了解在火车处于运行中时受电弓与悬链线之间的接触状况的实时信息。在受电弓-悬链线的界面处的接触力根据速度变化并且被记载在工业标准（例如英国标准BS EN 50367）中。

然而，接触力必须是稳定的，以便提供可接受的电流收集效率。如果接触力小于所需的接触力，则存在例如呈电弧形式的功率损失。高起弧率和连续火花会在环境中引起强烈的电磁噪声以及电力引起的磨损。如果接触力高于所需的接触力，则由受电弓携带的碳块的磨损由于增加的机械摩擦而成为重要问题，因此导致受电弓的使用寿命缩短。

因此，（特别是）铁路行业渴望能够监测受电弓与悬链线的接触状况。然而，尤其是，由于受电弓以25kV供电并且火车可以以高达350 km/h的速度移动而导致的受电弓的严苛的工作状况带来了技术挑战。同样，高的电磁干扰要求被安装成用于测量的任何仪器都要被适当地绝缘，由于增加的仪器所产生的增加的质量和测量误差，这倾向于使整个***变得更加复杂。

最近，基于光纤的传感器已经显示出了优于先前提出的电气传感器的显著优点，这是因为基于光纤的传感器的固有的绝缘体性质及其小的尺寸和轻的重量，这使得它们适合被集成或改装到受电弓中，以实现无创远程状况监测。

两种类型的光纤感测***已经被广泛报道用于：通过使用基于光纤布拉格光栅（FBG）或基于干涉测量的方法监测受电弓-悬链线的接触力。因为FBG对于应变和温度二者敏感，所以当基于FBG的技术被用于应变/力测量时，其要求温度补偿。因此，显著量的研究工作已经聚焦于温度补偿方案，以便实现对受电弓-悬链线界面处的接触状况的准确测量。

Camolli等人报道了两种光纤的使用（见：L. Comolli、G. Bucca、M. Bocciolone和A. Collina 2008年在国际光学工程学会进展第7726卷上发表的“在地铁的受电弓收集器上利用FBG传感器进行在线应变测量的首次结果”）（see：L. Comolli、G. Bucca、M.Bocciolone and A. Collina. 2008. First results from in-line strainmeasurements with FBG sensors on the pantograph collector of undergroundtrains. Proceeding of SPIE. Vol.7726），每种光纤均仅携带单个FBG，以用于受电弓接触力测量，其中一个FBG用于应变测量并且另一个用于温度补偿。用于温度补偿的FBG传感器被安装在用于应变测量的FBG传感器的正交方向上并且安装在其中应变值最小的位置处。这种方法是基于碳收集器块中的温度分布沿着弓头（pan head）是均匀的假设，但是由于这在现实中并非如此，这种方法将可能导致不准确的读数。

Wagner等人报道了铝箱的使用（见：R. Wagner、D. Maicz、W. Viel、F. Saliger、C. Saliger、R. Horak和T. Noack 2014年在第七届欧洲结构健康监测讲习班发表的“作为铁路架空线的连续结构健康监测***的一部分的光纤传感器仪器化受电弓”）（see：R.Wagner、D. Maicz、W. Viel、F. Saliger、C. Saliger、R. Horak and T. Noack. 2014. Afibre optic sensor instrumented pantograph as part of a continuous structuralhealth monitoring system for railway overhead lines. 7th European Workshop on Structural Health Monitoring），所述铝箱不仅用于保护FBG传感器免受严苛环境的影响，而且还用于将三个FBG传感器限制在小的占地面积（箱）中，其中一个自由的FBG（无应变）被用于温度测量/补偿并且其他两个FBG用于应变测量。每个受电弓弓头设置有两个铝箱，并且因为每个受电弓通常包括两个弓头，因此存在12个FBG传感器，其需要通过使用四根光纤接头引线（fibre patch lead）被连接到询问设备。除了这种复杂性之外，这个方案的缺点还在于，将4个铝箱添加到受电弓的弓头增加了弓头的质量并且因此增加了当火车以高速移动时的空气动力学力。

欧洲专利号EP 1975584公开了处于“推-拉构造”的两个FBG的使用，其中当施加接触力时，一个FBG被构造成处于“拉伸”状况并且另一个FBG处于“压缩”。因此可以通过消除温度影响并倍增应变测量敏感度来确定作用力。然而，这仅在所述两个FBG经受相同的温度影响时才有效，而这在现实中并不一定如此。

上文所描述的所有先前提出的基于FBG的技术要么已经使用热光栅的绝对波长偏移或使用其差分值来测量温度以进行补偿。然而，已经表明这些方法尤其是由于如下原因而是没有效率的：

• 被集成到受电弓中的FBG的温度敏感度是~30pm/℃（对于自由FBG，敏感度是~10pm/℃，但是这不太实用），并且是其应变/力敏感度（其是~1pm/N）的近似30倍。因此，由1℃的温度变化引起的FBG的布拉格波长偏移大致相当于~30N的力引起的FBG的布拉格波长偏移。

• 低速下的静态接触力是大约90 N，因此由接触力引起的波长偏移相当于3℃的温度变化引起的波长偏移。实际上，存在范围为-30℃至+45℃的较宽的温度变化。因此，所接收的应变/力信号倾向于被“噪声”（温度）信号淹没。

实际上，使用绝对或差分波长偏移补偿法来实现有效的温度补偿在技术上具有挑战性（而且可能是不可能的），这是因为温度测量误差要求在±3℃范围内-这是使用热电偶作为校准的参考且使用分辨率为±2pm的典型的基于激光扫略的FBG询问器难以获得的精度水平。

在已经考虑了前述问题的情况下设计了本发明。

附图说明

下文将参考所附附图通过说明性示例来描述本发明的教导的各个方面以及实施这些教导的布置结构，在附图中：

图1是实现本发明的教导的监测***的示意图；

图2是光学信号解释模块以及可选的附接部件的示意图；

图3是优选的FBG布置结构的示意图；

图4是优选的FBG布局的示意性图示；

图5是被施加到受电弓的弓头的静态力的示意图；

图6示意性地表示了由FBG阵列测量的力与该阵列和所施加的力之间的距离之间的关系；

图7是作用在受电弓上的不同力的图示；

图8是示出接触力测量软件的开发的流程图；

图9是所测量的力与在BS EN 50367中记载的平均接触力的关系图；以及

图10是描绘闭环受电弓控制***的图。

具体实施方式

现在将提供本发明的教导的说明性实现方式，并且将具体参考包括从架空导体汲取电流的受电弓的电动机车的监测***。如前面提到的，然而应该注意到，这种具体的应用是本发明的教导的仅仅一种说明性应用，并且存在许多其他应用。因此，下文的描述不应该被看作是将本发明的范围限制成下文详细描述的具体应用。

考虑到这种附带条件，现在将参考图1，在图1中描绘了监测***1的示意图。该***包括导电块3以及用于块3的载架7（另外被总称为“弓头”），其一起形成集电器5。

集电器5被耦合到机构9，以用于使载架7和导电块3相对于电动车辆11升高或降低。机构9被构造成驱使导电块3（在这种具体布置结构中）与架空导电线（OCL）13邻接，使得电流可以从OCL 13被汲取并供应到车辆11。

导电块3可以是任何合适的导电材料。例如，在一种构想的布置结构中，导电块（至少主要）由碳制成。导电块3包括多个传感器模块（图1中未示出），在这种具体布置结构中，所述多个传感器模块借助于包括光纤19的光学耦合器件被串联耦合到彼此并被串联耦合到光源15和光学信号解释模块17。

在另一构想的实现方式中，光学耦合器件包括多根光纤，其中所述多根光纤中的每根所述光纤将所述多个传感器模块中的一个所述传感器模块耦合到光源15和光学信号解释模块17。

在优选的实现方式中，光源15包括宽带（即宽光谱）光源，例如宽带LED光源。这种布置结构是特别优选的，因为其使得单独的传感器模块能够通过发射处于与分配给其他传感器模块的波长波段不同的波长波段的信号来响应所述源的照明而被调整。在另一构想的实现方式中，光源可以包括窄波长光源，诸如激光光源，并且在这种构造中，来自相应传感器模块的信号可以基于源和模块之间的信号的渡越时间（也就是说在传感器模块被所述源照明与从单独传感器模块接收到返回信号之间经过的时间）而彼此区分开。

现在参考图2，光学信号解释模块17可以具有许多不同形式，但是在一种构想的布置结构中，模块17包括被耦合到光纤19的光学信号分析仪21以及诸如个人计算机（PC）或等同物的计算资源23。在图2中描绘的布置结构中，计算资源包括用于存储数据的集成数据存储器25，但是将理解到数据存储器可以在模块17外部。

在特别优选的布置结构中，计算资源23被耦合到位置确定模块27，该位置确定模块27可以包括GPS装置，该GPS装置适于通过使用来自绕地球轨道运行的卫星的信号的三角定位来确定模块（且因此其所附着到的任何车辆）的位置。在不脱离本发明的范围的情况下可以替代地提供其他的位置确定模块，诸如实现航位推算功能的模块。

本发明的当前优选的实施例通过提供多个分立的FBG传感器阵列解决了上文所描述的缺点，其中每个阵列包括被布置成几何图案的多个FBG传感器。在特别优选的布置结构中，每个阵列包括被布置成三角形的三个FBG传感器，本文被称为FBG的“玫瑰花结布局”。这种布置结构允许使用邻近FBG的相关性，而不是热力学的FBG的绝对（或差分）波长偏移，来进行温度补偿。

在优选实施例中，包括被布置成三传感器式（three-sensor）玫瑰花结的基于九个FBG的传感器的光纤被集成到每个弓头中（例如，被粘附到弓头，使得玫瑰花结位于弓头和碳收集器之间）并且连接到用于数据记录的询问单元。图3示出了典型的玫瑰花结布局，其避免了沿受电弓臂向下的复杂线缆布线并且允许光纤至询问***的充分连接。

传感器相对于彼此以近似60°的角度被布置在共同平面内（即，平铺在受电弓的弓头上），以作为每个所谓的传感器玫瑰花结的一部分。在这种实施例中，每个玫瑰花结包括三个FBG，每个FBG对于应变（力导致的）和温度变化二者敏感。其他布置结构对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。在这种具体布置结构中，FBG i(i=1、2、3)的对应波长偏移Δλ _i可以由如下等式给出：

（1）

其中ΔλTi和ΔλFi分别是温度和力的变化导致的波长偏移；STi和SFi分别是温度和力敏感度；以及ΔT和F是温度变化以及施加在玫瑰花结上的有效力。

参考图3，如果力被垂直施加到FBG3，则FBG3经历的力敏感度将不同于FBG1和FBG2所经历的力敏感度。然而，由于它们彼此相对接近，它们的温度性能（趋势）将是类似的（如我们已经通过实验收集的大量数据所证明的）。因此，等式(1)还可以如下被扩展：

（2）

假设FBG1和FBG3的温度和力敏感度由如下等式给出：

（3）

其中C _T13和C _F13分别是这两个FBG的温度和力敏感度的相关系数；被施加在玫瑰花结上的有效力由如下等式给出：

（4）

如等式(4)中清楚表示的，温度引起的波长偏移不再包括在用于计算所施加的力F的等式中。换言之，已经成功地实现了温度补偿。

为了提供受电弓与悬链线的接触力和接触位置的准确信息，三个FBG传感器玫瑰花结在被分别标为左侧、中心和右侧的三个不同位置处被集成到弓头的铝底部中，如图4中所示出的。在优选的布置结构中，覆盖有应变玫瑰花结的区域与中心玫瑰花结间隔开27cm。在图2中示出了三个玫瑰花结的布置结构以及弓头上的光纤布线的示意图。

当静态力F _static被施加在弓头上时，每个玫瑰花结“感测”到的接触力分别被称为F _l、F _c和F _r，如图5中所示，并且每个接触力均可以使用等式(4)来表达，其中温度效应已经被完全补偿。架空电线与这三个玫瑰花结的距离因此可以被标为x _l、x _c和x _r，如图5中所示出的。

然而，每个玫瑰花结所测量的接触力与其距被施加的静态力的位置的距离成线性比例。如图6中所示出的，当静态力被施加在左侧玫瑰花结的顶部上时，左侧玫瑰花结所测量的力等于静态力（F _lmax =F _static）。然而，当静态接触力向右侧移动时，F _l将线性地减少，直到当架空线定位在右侧传感器玫瑰花结的顶部上时，其达到F _lmin =0。如图6中所示的这种关系可以如下被描述：

（5）

被看作是与左侧玫瑰花结相关的系数。类似地，右侧玫瑰花结和中心玫瑰花结将具有系数和。因此，由左侧玫瑰花结和右侧玫瑰花结二者测量的接触力可以如下被描述：

（6）

这允许计算关于右侧玫瑰花结（等式（7））和左侧玫瑰花结（等式（8））而施加的静态力的位置，如下：

（7）

（8）

在火车运行期间，架空线倾向于主要定位在弓头的中心区域中。因此，提出基于从等式（7）和（8）导出的位置信息，使用中心玫瑰花结来测量所施加的静态力。如果静态力被施加在左侧区域上，即，x _l ≤D _lr/2，x _c则由如下等式给出：

（9）

如果静态力被施加在右侧区域上，即，x _l >D _lr /2，x _c则由如下等式给出：

（10）

因此，静态力可以通过使用等式（11）被计算。

（11）

图7示出了作用在受电弓上的力。接触力包括竖直静态力、惯性力和空气动力学力，并且因此可以使用在BS EN 50317[14]中限定的以下公式被表达：

（12）

其中，F _contact=接触力；F _static=静态力；F _inertial=惯性力并且F _aero=空气动力学力。

基于如上文所描述的从FBG玫瑰花结获得的数据使用等式(11)测量F _static。可以通过使用FBG加速计测量F _inertial，该FBG加速计可以被安装在弓头的支撑弹簧中以便捕获弓头的动态位移。基于弓头的所测量的加速度和质量，惯性力可以如下被计算：

（13）

（14）

其中，m _head是弓头的质量，n是加速计的数量，并且a _k是由加速计k测量的加速度。

F _aero取决于速度，并且可以由如下等式被估计：

（15）

其中，C _aero是可以通过对标准流量计进行大量的风洞模拟试验而获得的系数。

因此，可以通过使用如图8中所示的流程图来总结整个接触力测量过程，图8示出了用于接触力测量的专用软件开发的基础方法论。

等式(16)总结了由静态力、惯性力和空气动力学力组成的整个接触力计算：

（16）

上文所描述的新颖的感测方法已经使得能够实现实时测量，并且所获得的测量数据将有助于受电弓的闭环控制，不仅用于避免极端情形（诸如脱线（dewirement））的发生，而且还用于维持工业标准中针对功率效率被要求和记载的接触力。为了示出其有效性，图9示出了当火车以不同速度行驶时受电弓利用内置传感器和闭环控制测量的接触力与BS EN50367中记载的所要求的接触力之间的交叉比较。从图9显而易见的是，已经达到了非常好的吻合。

所要求的接触力来源于标准文献并且与火车的速度相关。实时测量的力被用作至控制阀的反馈，以便将力调整成其所要求的值。控制使用PID（比例-积分-微分）技术，并且***连续地计算误差值e(t)并且基于比例项、积分项和微分项施加校正，所述误差值e(t)是所要求的接触力与所测量的接触力之间的差。控制***试图通过调整被连接到受电弓的控制阀的输入电压来最小化随时间的误差。PID***可以被描述为：

（17）

（18）

其中V(t)是控制阀的校正电压。K _p、K _i和K _d是通过校准获得的比例项、积分项和微分项的系数。F _aim是所要求的接触力。因此，通过改变控制阀的输入电压来减小在目标力和所测量的力之间的差e(t)。图10中示出了控制***的流程图。

从上文将显而易见的是，本发明的教导提供了一种解决与先前提出的***有关的缺点的增强型光学监测***。该***可以包括位置感测模块，其可操作成确定受电弓的地理位置（使得可以记录悬链线中的任何检测到的缺陷）。各种各样的附加增强对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

将理解到，虽然迄今为止已经描述了本发明的各个方面和实施例，但本发明的范围不限于本文所阐述的具体布置结构，而是替代地扩展到涵盖落入本发明的精神和范围内的所有布置结构、以及对其的修改和改变。

也应该注意到，虽然上文阐述了特征的具体组合，但本发明的范围不限于本文所描述的具体组合，而是替代地扩展到涵盖本文所公开的特征的任何组合。此外，虽然上文在可由处理器执行的软件模块的上下文中已经描述了本发明的实施例，但应该注意，本发明的范围不限于本发明的教导在软件中的实现方式。而是，技术人员将立即理解到，本文所描述的功能可以在硬件（例如，借助于多个专用集成电路（ASIC））中同样地实现，或者实际上通过硬件和软件的混合来实现。

Claims

1.一种用于电动车辆的监测***，所述电动车辆借助于在车辆的运行中接触导体的集电器从导体汲取电流，该***包括：

多个传感器模块，其以间隔开的间距分布在整个所述集电器上，其中每个传感器模块包括多个FBG（光纤布拉格光栅）传感器，所述多个FBG传感器被定向，以便与在所述车辆的运行中与所述导体导电的所述集电器的表面至少大体共面，每个所述模块的传感器被布置成补偿每个模块的所述FBG传感器中的温度引起的波长变化的几何图案；

光源，其用于照明每个所述传感器模块；

用于将所述光源光学地耦合到每个所述传感器模块的光学耦合器件；以及

光学信号解释模块，其被构造成经由所述光学耦合器件接收来自每个所述传感器模块的光学信号，所述光学信号由所述传感器模块响应于所述光源对所述传感器模块的照明而被生成，所述解释模块被构造成能够从所述光学信号确定每个所述传感器模块的取决于温度的应变测量。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述解释模块还被构造成能够确定所述导体相对于接触所述导体的所述集电器的表面的位置。

3.根据权利要求1或2所述的***，其中，每个所述模块包括至少三个传感器。

4.根据权利要求3所述的***，其中，每个所述模块包括被布置成三角形的三个传感器，每个所述传感器相对于相邻传感器成近似60度的角度被布置。

5.根据任一前述权利要求所述的***，其中，所述集电器包括支撑件（弓头）以及被安装在所述支撑件上的导电块，所述导电块被布置成在所述车辆的运行中接触所述导体。

6.根据任一前述权利要求所述的***，其中，所述导电块由碳制成。

7.根据权利要求5或6所述的***，其中，所述多个传感器模块被设置在所述集电器的所述支撑件和导电块之间。

8.根据权利要求7所述的***，其包括三个传感器模块，第一传感器模块大致居中定位在所述集电器内，并且第二传感器模块和第三传感器模块定位在所述居中定位的第一模块的两侧。

9.根据任一前述权利要求所述的***，其还包括用于确定所述电动车辆的地理位置的位置确定模块，诸如GPS模块。

10.根据任一前述权利要求所述的***，其还包括用于存储数据的器件。

11.根据权利要求10所述的***，其中，用于存储数据的所述器件被构造成存储以下中的一者或多者：温度数据、应变数据、导***置数据和车辆位置数据。

12.根据任一前述权利要求所述的***，其中，所述光学耦合器件包括多根光纤，所述多根光纤中的一根光纤被耦合到所述多个传感器模块中的一个传感器模块。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的***，其中，所述光学耦合器件包括光纤，所述传感器模块通过所述光纤被光学地耦合在一起并光学地耦合到所述源。

14.根据权利要求13所述的***，其中，所述信号解释模块被构造成：基于在利用所述源照明所述传感器模块与接收到来自每个所述模块的信号的时间之间的时间，在所述多个传感器模块中的单独传感器模块之间进行区分。

15.根据权利要求13所述的***，其中，每个所述传感器模块被构造成生成处于预定的唯一波长/频率范围内的响应，并且所述信号解释模块被构造成：通过确定所述信号落入所述波长/频率范围内，在来自相应传感器模块的信号之间进行区分。

16.一种与任一前述权利要求所述的***一起使用的集电器，所述集电器包括支撑件以及被安装在所述支撑件上的导电块，所述多个传感器模块被设置在所述支撑件和所述导电块之间。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的***，其还包括处理器，所述处理器可操作成确定被施加到所述集电器的应变，所述处理器在反馈回路中被耦合到可操作成增加或减少所述集电器支撑在所述导体上的程度的器件。