基于可控紫外光的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)研究*

張 冰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)存在的弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象，是在列車運(yùn)行中受電弓與接觸網(wǎng)接觸狀態(tài)不良的直觀響應(yīng)，因此在國(guó)際上弓網(wǎng)燃弧被用作表征弓網(wǎng)受流性能優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，燃弧檢測(cè)的準(zhǔn)確性成為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。針對(duì)弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從弓網(wǎng)燃弧的產(chǎn)生機(jī)理、燃弧對(duì)滑板及接觸線磨損的影響、弓網(wǎng)燃弧仿真［1-6］以及弓網(wǎng)燃弧特性檢測(cè)裝置［7-9］等方面都做了大量的研究工作；并且針對(duì)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)問(wèn)題，開展了燃弧光譜響應(yīng)度與燃弧最小功率密度等燃弧能量特征參數(shù)定標(biāo)裝置的研究［10-12］。這些研究工作極大地提高了弓網(wǎng)燃弧的檢測(cè)水平，并形成相應(yīng)的質(zhì)量控制和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50317：2012《鐵路應(yīng)用—受流系統(tǒng)—受電弓與架空接觸網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)相互作用測(cè)量方法的要求和確認(rèn)》［13］中明確規(guī)定：檢驗(yàn)電氣化鐵路受流系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和運(yùn)行質(zhì)量是通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓之間動(dòng)態(tài)相互作用的測(cè)量來(lái)反映的，其檢測(cè)參數(shù)應(yīng)包括弓網(wǎng)燃弧次數(shù)、弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間總和、最長(zhǎng)弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間和弓網(wǎng)燃弧率等。這些參數(shù)均為關(guān)于弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象的時(shí)間特征參數(shù)。由于燃弧產(chǎn)生的偶然性，捕捉記錄的準(zhǔn)確性存在難度，因此需要選用能夠全時(shí)待命、即時(shí)快速響應(yīng)并記錄燃弧信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)，通?？蛇x用圖像采集或紫外光感應(yīng)系統(tǒng)［14-18］。由于圖像采集的結(jié)果易受到自然光、雷電等非燃弧現(xiàn)象的干擾，目前一般采用對(duì)燃弧特征紫外光頻段敏感的接收裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)際線路的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)。另一方面，弓網(wǎng)燃弧的閃爍時(shí)間極短但存在確定性規(guī)律，因此如何有效識(shí)別和評(píng)判接收到的單次燃弧閃爍的有效信號(hào)及其時(shí)長(zhǎng)，并與標(biāo)準(zhǔn)燃弧時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比以作為有效的燃弧記錄，對(duì)于燃弧信號(hào)采集裝置和計(jì)算機(jī)分析軟件的評(píng)判模型參數(shù)來(lái)說(shuō)，對(duì)信號(hào)記錄準(zhǔn)確性的估計(jì)和評(píng)判也存在較高難度。因此，尋找和建立能夠標(biāo)定矯正燃弧檢測(cè)裝置紫外光信號(hào)采集裝置的機(jī)械穩(wěn)定性和軟件參數(shù)準(zhǔn)確性的定標(biāo)系統(tǒng)，是保障弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)維和校準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)。

國(guó)內(nèi)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)以及相關(guān)研究起步較晚。特別是針對(duì)弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間、燃弧次數(shù)及間隔時(shí)間等弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置響應(yīng)的時(shí)間特征參數(shù)測(cè)取評(píng)判的敏感性和不穩(wěn)定性問(wèn)題，如何保障衡量檢測(cè)裝置的可靠性方面，缺少能夠精確標(biāo)定弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置的標(biāo)準(zhǔn)燃弧定標(biāo)系統(tǒng)的支撐，國(guó)內(nèi)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)技術(shù)和弓網(wǎng)燃弧的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)存在差距。此研究立足實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置的時(shí)間特征參數(shù)的定標(biāo)功能，結(jié)合弓網(wǎng)燃弧機(jī)理和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種以可控特定頻段紫外光時(shí)長(zhǎng)的超穩(wěn)定氘燈紫外燈光源系統(tǒng)的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)制作了能夠準(zhǔn)確定標(biāo)弓網(wǎng)燃弧能量特征參數(shù)及時(shí)間特征參數(shù)的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其工作性能以及實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

1 弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)方法

早期采用可視光的光學(xué)式弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置，白天測(cè)量有困難。紫外光（UV）在白天也能檢測(cè)獲取，進(jìn)一步研發(fā)了基于紫外光（UV）的光學(xué)式弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置，即通過(guò)在列車車頂安裝基于紫外光的光學(xué)傳感器來(lái)檢測(cè)受電弓—接觸網(wǎng)的燃弧信號(hào)。

接觸網(wǎng)導(dǎo)線與受電弓滑板材料主要成分為銅、碳，其燃弧產(chǎn)生弧光在紫外光范圍有強(qiáng)光譜；我們采用的紫外光（UV）傳感器是利用金屬的光電效應(yīng)和氣體倍增效應(yīng)的UVTRON 紫外光（UV）傳感器專用光敏管。它具有185～260 nm 的窄光譜靈敏度，對(duì)可見光完全不敏感。與一般的光半導(dǎo)體傳感器不同，它不需要光學(xué)濾光片，因此易于使用。盡管它的尺寸較小，但它具有較寬的角度靈敏度（方向性），并且可以可靠、快速地檢測(cè)弓網(wǎng)燃弧發(fā)出的微弱的紫外光。

紫外光UV 傳感器，只對(duì)弓網(wǎng)燃弧中狹窄范圍內(nèi)紫外線敏感，對(duì)其他頻譜光線不敏感。弓網(wǎng)燃弧紫外光傳感器的靈敏度依賴于紫外光傳感器放電的次數(shù)（輸出脈沖數(shù)）。當(dāng)入射紫外光較弱時(shí)，輸出脈沖數(shù)與入射紫外光光強(qiáng)成正比；當(dāng)入射紫外光增加到一定強(qiáng)度時(shí)，輸出脈沖數(shù)量則呈飽和狀態(tài)不再增加。紫外光UV 傳感器如圖1 所示。各種入射光強(qiáng)下，弓網(wǎng)燃弧紫外光傳感器的輸出波形如圖2 所示。

圖1 紫外光UV 傳感器

圖2 紫外光UV 傳感器的脈沖輸出

弓網(wǎng)燃弧測(cè)量涉及弓網(wǎng)燃弧的相關(guān)光譜范圍內(nèi)燃弧功率密度（以PW/cm2計(jì)）和弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置響應(yīng)之間的關(guān)系。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50317相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置應(yīng)能感測(cè)銅物質(zhì)所發(fā)紫外光波長(zhǎng)。對(duì)于銅和銅合金接觸線及受電弓碳物質(zhì)滑板，應(yīng)能感知220～225 nm 或323～329 nm 波段紫外光。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50317，弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置設(shè)置燃弧檢測(cè)閾值，該閾值取決于弓網(wǎng)燃弧最小燃弧功率。閾值設(shè)定見表1。

表1 最小燃弧功率

弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置對(duì)其輸出結(jié)果，僅分析超過(guò)規(guī)定持續(xù)時(shí)間的燃弧。該持續(xù)時(shí)間取決于須檢測(cè)的問(wèn)題，檢測(cè)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的有效持續(xù)時(shí)間值是5 ms。弓網(wǎng)燃弧率（NQ）按照式（1）計(jì)算：

式中：NQ為弓網(wǎng)燃弧率，是車輛給定速度的一個(gè)特征值；t電弧為弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間之和；t總量為每個(gè)受電弓的受電電流超過(guò)標(biāo)稱電流30%的總時(shí)間。

2 基于可控紫外光的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置定標(biāo)系統(tǒng)如圖3 所示，主要部件包括：氘燈紫外燈光源、紫外燈光源控制電源、光路控制定時(shí)系統(tǒng)、定時(shí)系統(tǒng)控制器。其他輔助部件包括光學(xué)回路及安裝轉(zhuǎn)接件、標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測(cè)器、光功率計(jì)、光譜分析儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。 其中，氘燈紫外燈光源能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的波長(zhǎng)為160～400 nm 的深紫外光譜。

圖3 弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置定標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

2.2 系統(tǒng)工作原理和流程

該弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)的工作原理和主要流程如下。

（1）在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制下，標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測(cè)器或弓網(wǎng)燃弧傳感器進(jìn)入光路輸出端；位于光路輸入端的標(biāo)準(zhǔn)氘燈紫外光經(jīng)輸入光學(xué)回路、濾光回路和輸出光學(xué)回路，成像在標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測(cè)器或弓網(wǎng)燃弧傳感器的光敏面。經(jīng)光功率計(jì)、光譜分析儀或弓網(wǎng)燃弧傳感器，標(biāo)準(zhǔn)紫外光探測(cè)器將弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，裝有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和測(cè)量軟件的計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測(cè)量軟件包括數(shù)據(jù)通信模塊，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊，系統(tǒng)控制模塊，弓網(wǎng)燃弧光譜輻射照度校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量模塊，弓網(wǎng)燃弧光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量模塊，弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量模塊，弓網(wǎng)燃弧次數(shù)校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量模塊，弓網(wǎng)燃弧間隔時(shí)間校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量模塊。

（3）數(shù)據(jù)通信模塊。其功能是將光功率計(jì)、光譜分析儀或弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)RS232 或ETHERNET（網(wǎng)絡(luò)）接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

（4）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊。其功能是根據(jù)所選擇的工作類型設(shè)置光學(xué)回路（輸入光學(xué)回路、濾光回路、輸出光學(xué)回路）及定時(shí)系統(tǒng)控制器的相關(guān)參數(shù)?？刂颇K的功能是根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊中設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，向光學(xué)回路（輸入光學(xué)回路、濾光回路、輸出光學(xué)回路）及定時(shí)系統(tǒng)控制器發(fā)送控制指令，用以調(diào)節(jié)氘燈紫外燈光源的輸出強(qiáng)度、光譜或弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間、弓網(wǎng)燃弧次數(shù)、弓網(wǎng)燃弧間隔時(shí)間等參數(shù)。

（5）根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊，設(shè)置校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量類型，調(diào)用相應(yīng)的校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量模塊完成校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量數(shù)據(jù)采集、處理和計(jì)算任務(wù)，給出校準(zhǔn)、標(biāo)定、測(cè)量結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)效果

該定標(biāo)系統(tǒng)的技術(shù)效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）集弓網(wǎng)燃弧光譜輻射照度、弓網(wǎng)燃弧光譜響應(yīng)度、弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間、弓網(wǎng)燃弧次數(shù)和弓網(wǎng)燃弧間隔時(shí)間5 種功能為一體，具有資源共享，節(jié)約成本的特點(diǎn)；尤其是解決了弓網(wǎng)燃弧測(cè)量裝置校準(zhǔn)、測(cè)量及標(biāo)定時(shí)所需精確（ms 級(jí)）產(chǎn)生弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間、弓網(wǎng)燃弧次數(shù)、弓網(wǎng)燃弧間隔時(shí)間的難點(diǎn)。

（2）輸入光學(xué)回路由球面反射鏡和平面反射鏡構(gòu)成成像系統(tǒng)，入射光束依次經(jīng)球面反射鏡和平面反射鏡的反射后射出。濾光回路中含有多個(gè)波段不同的濾光片。各濾光片可以通過(guò)片輪控制分別切入到光路中。輸出光學(xué)回路有自動(dòng)可調(diào)光闌，可改變輸出紫外光光束直徑。

（3）采用超低震動(dòng)光學(xué)定時(shí)系統(tǒng)，時(shí)長(zhǎng)靈活設(shè)置，定時(shí)分辨率在1 ms 下，時(shí)長(zhǎng)范圍1 ms～1 000 s。具有多種控制觸發(fā)方式：內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)及面板操作。具有GPIB、RS232 及ETHERNET（網(wǎng)絡(luò)）接口，支持遠(yuǎn)程控制?？删_產(chǎn)生弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間、弓網(wǎng)燃弧次數(shù)及弓網(wǎng)燃弧間隔時(shí)間，定時(shí)系統(tǒng)時(shí)序如圖4 所示，定時(shí)特征規(guī)范見表2。根據(jù)圖4和表2 可知，定時(shí)系統(tǒng)的最小驅(qū)動(dòng)脈沖為10 ms，最小底部打開時(shí)間可比定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間延長(zhǎng)3～4 ms。

表2 脈沖定時(shí)特征規(guī)范 單位：ms

圖4 脈沖時(shí)序圖

3 定標(biāo)系統(tǒng)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置標(biāo)定系統(tǒng)性能試驗(yàn)，主要為了驗(yàn)證弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置的弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間、弓網(wǎng)燃弧次數(shù)及弓網(wǎng)燃弧的間隔時(shí)間等時(shí)間特征參數(shù)的可靠性。定標(biāo)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

第1 組試驗(yàn)：針對(duì)時(shí)間特征參數(shù)的試驗(yàn)，首先對(duì)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)的光學(xué)能量特征性能進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整氘燈光源為穩(wěn)定功率輸出并在光學(xué)回路加裝濾光片，使其輸出光譜曲線為190～300 nm 波段。使得定標(biāo)系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中具有穩(wěn)定的光學(xué)輸出。

試驗(yàn)過(guò)程中弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)間特征參數(shù)設(shè)置為：

（1）弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間設(shè)置為：10、20、30、40、50、100、200、300 ms。

（2）弓網(wǎng)燃弧間隔時(shí)間均設(shè)置為：1 000 ms。

（3）弓網(wǎng)燃弧次數(shù)設(shè)置為：20 次。

試驗(yàn)的過(guò)程中通過(guò)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置采集燃弧傳感器的輸出電壓，依次對(duì)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置進(jìn)行標(biāo)定。第1 組試驗(yàn)：弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置輸出信號(hào)采集頻率為2 000 Hz。選取裝置采集的整組試驗(yàn)波形及分次波形的典型結(jié)果，如圖6 所示。計(jì)算結(jié)果見表3。

圖6 采樣頻率2 000 Hz 標(biāo)定時(shí)間300 ms 整組及分次輸出波形

第2 組試驗(yàn)：為提升弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置的分辨率及檢測(cè)精度，其輸出信號(hào)采集頻率提至10 000 Hz，并對(duì)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置軟硬件進(jìn)一步整改。整改后的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置采集整組試驗(yàn)波形及分次波形典型結(jié)果，如圖7 所示。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 采樣頻率10 000 Hz 弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置輸出信號(hào) 單位：ms

圖7 采樣頻率10 000 Hz 標(biāo)定時(shí)間300 ms 整組及分次輸出波形

由于電動(dòng)快門的響應(yīng)相對(duì)電動(dòng)快門控制器設(shè)置時(shí)間有3～4 ms 的時(shí)延，所以弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置檢測(cè)到的弓網(wǎng)燃弧時(shí)間平均要比設(shè)置時(shí)間偏大3～4 ms。通過(guò)計(jì)算，弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置輸出值的平均偏差穩(wěn)定度與最大值偏差穩(wěn)定度均在可接受范圍內(nèi)，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.54 ms，可以認(rèn)為弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)定后的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置，其檢測(cè)到的數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)目煽啃耘c準(zhǔn)確性。通過(guò)試驗(yàn)也同時(shí)驗(yàn)證了弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

研究開發(fā)了一套基于可控紫外光的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)。通過(guò)定標(biāo)系統(tǒng)對(duì)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置進(jìn)行了整改及標(biāo)定的性能試驗(yàn)并經(jīng)數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)可以對(duì)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置進(jìn)行了硬件及相應(yīng)軟件的調(diào)試和標(biāo)定，提升了弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度和可靠性。

（2）在弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置定標(biāo)系統(tǒng)的燃弧時(shí)間設(shè)定為10 ms 及以上時(shí)，可以準(zhǔn)確的標(biāo)定弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置的弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間、燃弧次數(shù)及燃弧間隔等特征參數(shù)，測(cè)量的弓網(wǎng)燃弧持續(xù)時(shí)間均值標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3.54 ms，驗(yàn)證了定標(biāo)系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性。

（3）弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)涉及弓網(wǎng)燃弧的相關(guān)光譜范圍內(nèi)的弓網(wǎng)燃弧功率密度和弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置響應(yīng)之間的關(guān)系，可以通過(guò)設(shè)定輸出脈沖間隔閾值來(lái)響應(yīng)。

（4）采取準(zhǔn)確的定標(biāo)弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置，結(jié)合其他指標(biāo)衡量弓網(wǎng)受流質(zhì)量，對(duì)維護(hù)弓網(wǎng)受流質(zhì)量提供了技術(shù)支持。