基于MEMS光纖傳感技術(shù)實時測量接觸網(wǎng)拉出值的研究

吳迅奇

(上海拜安傳感技術(shù)有限公司 上海 201210)

0 引言

目前，現(xiàn)有測量接觸網(wǎng)拉出值的技術(shù)主要有電子類傳感器技術(shù)[1]、激光雷達測距技術(shù)和視覺成像測量技術(shù)。前者屬于接觸式測量，有一定的精準度，但是需要做大量的絕緣防護措施，導致系統(tǒng)總體質(zhì)量大，不僅要修改受電弓弓頭原有的力學結(jié)構(gòu)，而且為了放置絕緣防護設備還要做車頂下沉式設計，因此主要應用在檢測車上，而不能安裝在電客車上實時測量接觸網(wǎng)拉出值；后兩者都屬于非接觸式測量技術(shù)，其中，激光雷達測距技術(shù)在檢測過程中連續(xù)向垂直車頂方向發(fā)射高頻激光脈沖，通過測量距離特征實現(xiàn)識別[2]，但是該技術(shù)對環(huán)境的要求比較嚴苛，對測量距離和角度也有嚴格要求，因此在實際測量時容易影響測量結(jié)果，存在一定的測量偏差，精度相對較差；而視覺成像測量技術(shù)[2-3]，是利用固定在車頂上不同類型的工業(yè)相機所拍攝影像后，應用三維視覺成像的原理對接觸網(wǎng)與碳滑板的交接點進行位置確定，然后再通過光學圖像軌跡識別算法計算出相應的拉出值，雖然該技術(shù)普遍安裝在地鐵電客車和檢測車上，但這種方法計算量大而導致輸出遲滯，同時系統(tǒng)的照明光源也深受線路上環(huán)境光的干擾和由四季的環(huán)境變化而帶來的圖片背景變化的干擾，因此，算法上具有一定的技術(shù)難度。

1 研究方法

1.1 MEMS光纖拉出值測量系統(tǒng)

MEMS光纖傳感技術(shù)中，涉及傳感芯片的硅基敏感結(jié)構(gòu)采用微機電技術(shù)集成制造，其具有批量化制造、體積微小、性能恒定、一致性好的優(yōu)點。而信號采用光纖檢測技術(shù)進行讀取，用光波長進行編碼和傳輸，由此結(jié)合而成的MEMS光纖傳感器具有MEMS傳感器與光纖傳感器的共同優(yōu)點，即無源探測，本質(zhì)安全，對電磁干擾完全免疫。MEMS光纖傳感器安裝在帶電工作的物體上，可實時監(jiān)測諸如溫度、壓力、加速度等物理量。因此，將MEMS光纖接觸力傳感器安裝在受電弓弓頭上實時監(jiān)測地鐵電客車輛行駛時接觸網(wǎng)的拉出值，避免了因加裝電子類接觸力傳感器而不得不改變受電弓弓頭的力學結(jié)構(gòu)和車頂做下沉式設計的困擾，也不會出現(xiàn)像非接觸式測量接觸網(wǎng)拉出值那樣受到環(huán)境光和四季背景變化的干擾，相比而言，MEMS光纖接觸力傳感器具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

用于測量接觸網(wǎng)拉出值的MEMS光纖傳感系統(tǒng)包含兩支MEMS光纖接觸力傳感器和一支MEMS光纖加速度傳感器，以及一臺高速光纖傳感分析儀。如圖1所示，兩支MEMS光纖接觸力傳感器可以任意安裝在同一組受電弓弓頭兩端具有緩沖或/和阻尼系統(tǒng)的弓頭支座上，本次測量試驗所選用的受電弓為彈簧箱式受電弓，因此MEMS光纖接觸力傳感器以墊片的形式嵌入在彈簧箱內(nèi)部，MEMS加速度傳感器則固定在受電弓的底架上，式樣如圖2所示，其探測方向與地鐵線路的中心線方向相平行，用于測量地鐵行駛時縱向的加速度值。高速光纖傳感分析儀屬于波長型調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，被置于地鐵車廂內(nèi)部的電氣柜內(nèi)，實時同步探測和讀取由MEMS光纖傳感器采集的并載有接觸力和加速度信息的光學波長信號。

圖1 MEMS光纖傳感器在受電弓上的安裝位置

(a) 嵌入在彈簧箱內(nèi)的 (b) 固定于底架上的加 接觸力傳感器 速度傳感器圖2 MEMS光纖傳感器

探測所用的激光波長與接觸力和加速度之間的關(guān)系式如下：

FS(t)=KS[λS(t)-λ0,S+kT,S(T(t)-T0)]

(1)

aL(t)=KL[λL(t)-λ0,L+kT,L(T(t)-T0)]

(2)

其中：FS(t)為接觸力傳感器與接觸網(wǎng)之間在t時刻的接觸力值，需要說明的是，由于在彈簧箱內(nèi)部的墊片式接觸力傳感器與受電弓弓頭為非剛性接觸，且其質(zhì)量非常輕，因此可以忽略垂向上由加速度產(chǎn)生的力；KS為接觸力傳感器的接觸力系數(shù)；λS(t)為接觸力傳感器在t時刻的波長值；λ0,S為受電弓弓頭在與接觸網(wǎng)之間無相互力的作用時接觸力傳感器的波長值；kT,S為接觸力傳感器的溫漂系數(shù)；aL(t)為受電弓底架在t時刻的縱向加速度值；KL為加速度傳感器的縱向加速度系數(shù)；λL(t)為加速度傳感器在縱向上t時刻的波長值；λ0,L加速度傳感器在縱向上靜止狀態(tài)下的波長值；kT,L為加速度傳感器縱向的溫漂系數(shù)；T(t)為t時刻的溫度值；T0為初始時刻的溫度值。

1.2 拉出值的計算與定位

為簡化計算模型，定義同一弓頭上的碳滑板在同一時刻只有來自接觸網(wǎng)向下的壓力，且假設受電弓的縱向中心線與軌道線路的中心線重合，則拉出值可以通過對同一弓頭上兩端的接觸力傳感器測量到的弓網(wǎng)間接觸力值進行計算。另外，車輛在運行時，車體自身的振動主要在垂向和橫向上，縱向加速度影響較小，且處在高頻區(qū)域，可以通過高頻濾波進行處理。因此，受電弓底架上所探測到的縱向加速度值可以近似于車輛行駛時的加速、勻速和減速所產(chǎn)生的變化，通過受電弓底架上的加速度傳感器所探測到的縱向加速度值，計算出地鐵電客車的運行速度和距離。另外，對弓網(wǎng)間接觸力的測量和縱向加速度的測量要保證同步的采樣頻率，以保證采集到的數(shù)據(jù)在時序上能一一對應，從而就可以確定該處的接觸網(wǎng)拉出值在線路上的空間位置，具體計算公式如下：

(3)

或者

(4)

(5)

(6)

其中：ZC(t)表示接觸網(wǎng)在t時刻的拉出值，定義列車前進方向右側(cè)ZC為負值；列車前進方向左側(cè)ZC為正值；LS為同一組受電弓弓頭兩端具有緩沖或/和阻尼系統(tǒng)的弓頭支座中心之間的距離；FS,gch(t)和FS,drg(t)分別為受電弓弓頭左側(cè)和右側(cè)兩個弓頭支座上的接觸力傳感器在t時刻測得的接觸力值；vL(t)為受電弓弓頭在t時刻的縱向的速度值；v0,L為受電弓弓頭在縱向的初始速度值；DL(t)為列車在t時刻的行駛距離；D0,L為列車的初始行駛距離。

2 測量結(jié)果

2.1 接觸力值

測量結(jié)果截取了一段在地鐵兩個站點之間電客車從靜止到行駛再到停止時的兩組接觸力數(shù)據(jù)和一組加速度數(shù)據(jù)，圖3顯示了在這一過程中，同一組弓頭兩側(cè)接觸力傳感器所各自測量到的接觸力值，從圖中可知，當?shù)罔F處于停車狀態(tài)時，接觸力曲線相對比較平坦；當?shù)罔F處于行駛狀態(tài)時，兩條接觸力曲線為“Z”字型軌跡。另外，不管地鐵是在靜止狀態(tài)還是行駛狀態(tài)，受電弓同一弓頭所承受來自接觸網(wǎng)的壓力大小都約為63 N，但地鐵在運行時，每支MEMS光纖接觸力傳感器所測出的值都在以約32 N為中心線周圍呈蛇形往復變化，且大小相反。

圖3 地鐵行駛時接觸力與時間的關(guān)系

由于固定在受電弓底架上的加速度傳感器與地鐵車輛是剛性連接，因此可以用其在縱向所測的加速度值來表征地鐵車輛的縱向加速度值，如圖4所示，可以看出地鐵在靜止、加速、勻速和減速時所測得的加速度值，其加速度最大值達到了1 m/s2。

圖4 地鐵行駛時加速度與時間的關(guān)系

2.2 拉出值及定位

在此路段中，依據(jù)地鐵車輛的狀態(tài)，定義地鐵的初始速度為v0,L=0，初始行駛里程為D0,L=0。通過對加速度傳感器在縱向上所測得的值進行二次積分后，可以依次得到地鐵車輛在每個時刻的運行速度和行駛里程。參照圖5所示，該地鐵車輛約在137 s內(nèi)總共運行了約2.5 km，行駛過程中的最高速度接近30 m/s。

結(jié)合測量出的接觸網(wǎng)與受電弓的接觸力，以及計算出的地鐵行駛距離，最終繪制出了該路段接觸網(wǎng)拉出值與里程所對應的空間位置關(guān)系，如圖6所示，接觸網(wǎng)每個錨段內(nèi)的最大拉出值約為200 mm，接觸網(wǎng)正弦波半波長度為81.95～127.13 m，符合剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)化設計要求[4]。另外，由于車載光纖傳感分析儀的采樣率為2 500 Hz，因此，該路段上接觸網(wǎng)拉出值在縱向的空間分辨率不大于12 mm，遠遠高于由激光雷達測距技術(shù)或視覺成像測量技術(shù)所提供的300 mm的空間分辨率，而定位精度達到了±0.5 m，這樣可為接觸網(wǎng)的定點維修帶去便利。需要指出的是，為了減少由加速度傳感器或慣導系統(tǒng)所計算出的數(shù)值在距離上的誤差，以及提高被測量路段上的空間定位精準度，建議在地鐵車輛重新從靜止開始運動時，每路段里程也隨之從“零距離”計算。

圖5 地鐵行駛時速度和里程分別與時間的關(guān)系

圖6 接觸網(wǎng)拉出值與里程的關(guān)系

3 結(jié)束語

隨著城市軌道交通智能化的迅猛發(fā)展，MEMS光纖傳感系統(tǒng)憑借自身的優(yōu)勢，已安裝在受電弓上并應用于對受電弓、接觸網(wǎng)以及弓網(wǎng)關(guān)系的實時監(jiān)測，如接觸網(wǎng)硬點、接觸網(wǎng)導高值、弓網(wǎng)間燃弧等，使對接觸網(wǎng)的安全監(jiān)測更具時效性。本篇文章所研究的關(guān)于測量接觸網(wǎng)拉出值的MEMS光纖傳感系統(tǒng)，已經(jīng)成功應用在國內(nèi)各大城市的地鐵運營車輛上，取得了一定的實際效果，對線路上的接觸網(wǎng)維護起到了一定的輔助作用。