一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统及检测方法，包括：电接触设备，多个光纤温度传感探头，信号采集模块和热分析模块，电接触设备包括电刷和滑轨，其中：多个光纤温度传感探头分别安装在电接触设备上，每个光纤温度传感探头用于检测电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射；通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到信号采集模块；信号采集模块用于将接收的能量信号转换成对应的电信号，并对该电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号；热分析模块用于基于接收的温度电信号，确定电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。从而实现了对滑动电接触表面瞬态温度的检测。
【专利说明】一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电接触设备【技术领域】和瞬态温度检测领域，尤其涉及一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统及检测方法。
【背景技术】
[0002]大电流接触载荷下的滑动电接触中电流或电压是相互关联的，会伴随发生机械效应、热效应或包括电火花和电弧的电效应。这些效应会使接触体的状态产生变化，产生这种变化由于跨接在电接触上的分离电压大于材料的最小起弧电压。
[0003]在电气化铁路中，也存在典型的大电流载荷下的滑动电接触现象，例如，作为弓网系统的关键部件的受电弓滑板和接触面在列车运行过程中脱离时，被断开的电流以及加在滑板和接触面之间的电压超过一定值时，在接触间隙会形成电火花或电弧。
[0004]拉弧现象会对电力机车的运行造成多方面的危害，尤其是在离线瞬间，极高的电弧温度使得接触面局部温度过高，发生高温熔蚀，导致接触面粗糙不平，长此以往，会造成接触面的断裂，严重威胁了铁路的安全运行。
[0005]因此，对大电流载荷下电接触面动态条件下瞬态温度场进行研究具有非常重要的意义，研究温度传导和分布，不仅可以了解瞬态温度对接触面的影响，也可为弓网系统接触线的烧蚀、损伤、接触网的维护等问题的研究提供可靠依据。
[0006]在当前的高铁弓网系统材料损伤研究中，不能实时检测材料损伤过程，且目前也没有合适的测试手段。
【发明内容】
[0007]本发明实施例提供一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统及检测方法，用以解决现有技术中存在无法对滑动电接触表面瞬态温度进行检测的问题。
[0008]本发明实施例提供一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统，包括:电接触设备，多个光纤温度传感探头，信号采集模块和热分析模块，所述电接触设备包括电刷和滑轨，其中:
[0009]所述多个光纤温度传感探头分别安装在所述电接触设备上，且所述多个光纤温度传感探头分别对应所述滑轨的不同位置，光纤温度传感探头用于检测所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射；
[0010]所述多个光纤温度传感探头通过光纤与所述信号采集模块相连，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到所述信号采集模块；
[0011]所述信号采集模块用于将接收的所述能量信号转换成对应的电信号，并对所述电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将所述温度电信号发送给所述热分析模块；
[0012]所述热分析模块用于基于接收的所述温度电信号，确定所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。
[0013]进一步的，所述光纤温度传感探头，包括:光学探头透镜，光纤前端，光纤和红外滤光片，其中:
[0014]所述电接触表面产生的红外辐射经所述光学探头透镜会聚，并投射到所述光纤前端，红外辐射所产生的能量信号通过光纤传输及所述红外滤光片滤光后，通过光纤被传输到所述信号采集模块。
[0015]进一步的，所述光纤温度传感探头，包括:光学探头透镜，光纤前端，光纤，耦合器和红外滤光片，其中:
[0016]所述电接触表面产生的红外辐射经所述光学探头透镜会聚，并投射到所述光纤前端，红外辐射所产生的能量信号通过光纤传输，并经过所述耦合器进行耦合及所述红外滤光片滤光后，通过光纤被传输到所述信号采集模块。
[0017]进一步的，所述信号采集模块，包括:光电红外探测器，信号放大子模块，信号隔离子模块和信号采集子模块，其中:
[0018]所述光电红外探测器将接收的所述能量信号转换成对应的电信号；
[0019]并由所述信号放大子模块对所述电信号进行放大和线性化处理，得到标准电信号;
[0020]所述标准电信号经过所述信号隔离子模块进行隔离处理后，输出到所述信号采集子模块；
[0021]所述信号采集子模块对接收的经过隔离处理的标准电信号进行模数转换，得到表示温度值的温度电信号。
[0022]进一步的，所述信号采集子模块的响应时间不大于2ms。
[0023]进一步的，所述电接触设备为电接触实验设备。
[0024]本发明实施例还提供一种基于上述检测系统的滑动电接触表面瞬态温度检测方法，包括:
[0025]光纤温度传感探头检测所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到所述信号采集模块；
[0026]所述信号采集模块将所述红外辐射将接收的所述能量信号转换成对应的电信号，并对所述电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将所述温度电信号发送给所述热分析模块；
[0027]所述热分析模块基于接收的所述温度电信号，确定所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。
[0028]进一步的，所述电接触设备为电接触实验设备；
[0029]在光纤温度传感探头检测所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射之前，还包括:
[0030]对所述电接触实验设备通以大于预设电压值的电压，并控制所述电接触实验设备的所述电刷在所述滑轨上滑动。
[0031]本发明有益效果包括:
[0032]采用本发明实施例提供的滑动电接触表面瞬态温度检测系统，在电接触设备的电刷与滑轨之间滑动的过程中，可以通过安装在电接触设备上的光线温度传感探头，检测电话与滑轨的电接触表面上对应位置产生的红外辐射，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到信号采集模块，信号采集模块用于将接收的能量信号转换成对应的电信号，并对电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将温度电信号发送给热分析模块，热分析模块用于基于接收的温度电信号，确定电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况，从而实现了对滑动电接触表面瞬态温度的检测。
[0033]本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0035]图1为本发明实施例提供的滑动电接触表面瞬态温度检测系统的结构示意图；
[0036]图2为本发明实施例提供的滑动电接触表面瞬态温度检测系统中的光纤温度传感探头的结构示意图之一；
[0037]图3为本发明实施例提供的滑动电接触表面瞬态温度检测系统中的光纤温度传感探头的结构示意图之二；
[0038]图4为本发明实施例提供的滑动电接触表面瞬态温度检测系统中的信号采集模块的结构示意图；
[0039]图5为本发明实施例提供的滑动电接触表面瞬态温度检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0040]为了给出对滑动电接触表面瞬态温度进行检测的实现方案，本发明实施例提供了一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统及检测方法，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041]本发明实施例提供一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统，如图1所示，包括:电接触设备11，多个光纤温度传感探头12，信号采集模块13和热分析模块14，电接触设备11包括电刷和滑轨，其中:
[0042]多个光纤温度传感探头12分别安装在电接触设备11上，靠近滑轨的表面，且多个光纤温度传感探头12可以分别对应滑轨的不同位置，每个光纤温度传感探头12用于检测电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面上，该光纤温度传感探头12对应位置产生的红外福射;
[0043]该多个光纤温度传感探头12分别通过光纤与信号采集模块13相连，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到信号采集模块13 ；
[0044]信号采集模块13用于将接收的能量信号转换成对应的电信号，并对该电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将温度电信号发送给热分析模块14 ；
[0045]热分析模块14用于基于接收的温度电信号，确定电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。
[0046]其中，考虑到在研究阶段直接对高铁的弓网系统的大电流载荷下的滑动电接触表面瞬态温度进行检测比较不便，所以，本发明实施例中，提出电接触设备11可以采用电接触实验设备，并通以大于预设电压值的电压，从而产生大电流载荷，并控制电刷在滑轨上高速滑动，从而模拟高铁的弓网系统，并针对该电接触实验设备，进行滑动电接触表面瞬态温度的检测，从而为进一步研究材料损伤测试分析提供技术支持。
[0047]本发明实施例中，如图2所示，光纤温度传感探头12，可以包括:光学探头透镜21，光纤前端22，光纤23和红外滤光片24，其中:
[0048]电接触设备11的电刷与滑轨之间的电接触表面产生的红外辐射，经光学探头透镜21会聚，并投射到光纤前端22，红外辐射所产生的能量信号通过光纤23传输及红外滤光片24滤光后,通过光纤被传输到信号米集模块13。
[0049]本发明实施例中，如图3所示，光纤温度传感探头12，也可以包括:光学探头透镜31，光纤前端32，光纤33，耦合器34和红外滤光片35，其中:
[0050]电接触设备11的电刷与滑轨之间的电接触表面产生的红外辐射，经光学探头透镜31会聚，并投射到纤前端32，红外辐射所产生的能量信号通过光纤33传输，并经过耦合器34进行耦合及红外滤光片35滤光后，通过光纤被传输到信号采集模块13。
[0051]本发明实施例中，如图4所示，信号采集模块13，可以包括:光电红外探测器41，信号放大子模块42，信号隔离子模块43和信号采集子模块44，其中:
[0052]光电红外探测器41探测通过光纤传输的能量信号，并将接收的能量信号转换成对应的电信号；
[0053]并由信号放大子模块42对该电信号进行放大和线性化处理，得到标准电信号；
[0054]标准电信号经过信号隔离子模块43进行隔离处理后，输出到信号采集子模块44 ；
[0055]信号采集子模块44对接收的经过隔离处理的标准电信号进行模数转换，得到表示温度值的温度电信号。
[0056]其中，通过信号隔离子模块43使自身的电源信号、输入信号和输出信号之间隔离，并断开过程环路，使得过程信号仍正常传输，从而提高了检测系统的抗干扰性能，使得本发明实施例提出的该检测系统可应用于强电磁场环境，且能够得到准确的检测结果。
[0057]进一步的，为了实现对检测到的信号的及时采集，信号采集子模块44可以采用高速信号采集模块，例如，其响应时间不大于2ms，从而满足对信号高速采集的要求，避免检测数据的遗失。
[0058]具体的，信号米集子模块44可以米用S3C2440处理器。
[0059]本发明实施例中，热分析模块14在接收到温度电信号后，可以根据实际的该温度检测数据，并结合传热学和有限元的基本原理，对接电触面的温度场进行热分析，从而确定出电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况，例如，得到电接触表面在各个时刻的温度分布及不同位置的温度变化曲线。
[0060]具体的，可以通过热源理论分析，确定电接触表面热载荷及材料参数、热传递方式，建立有限元模型，定义单元类型，定义材料性能参数，创建几何立体模型，对模型分配属性划分网格，设置分析类型，施加形影的温度载荷，计算求解，通过仿真结果分析得到电接触表面同一位置处不用时刻温度场分布情况，以及电接触表面上不同位置同一时刻温度场分布情况。
[0061]其中，所基于的热传学和有限元基本原理，可参照现有技术，在此不再进行详细描述。
[0062]基于上述检测系统，本发明实施例还提供一种滑动电接触表面瞬态温度检测方法，如图5所示，可以包括如下处理步骤:
[0063]步骤501、光纤温度传感探头检测电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到所述信号采集模块。
[0064]步骤502、信号采集模块将红外辐射将接收的能量信号转换成对应的电信号，并对电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将温度电信号发送给热分析模块。
[0065]步骤503、热分析模块基于接收的温度电信号，确定电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。
[0066]进一步的，上述电接触设备可以为电接触实验设备；
[0067]相应的，在光纤温度传感探头检测电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射之前，还可以包括如下步骤:
[0068]对电接触实验设备通以大于预设电压值的电压，并控制电接触实验设备的电刷在滑轨上滑动，从而实现对高铁的弓网系统的模拟，并针对该电接触实验设备，进行滑动电接触表面瞬态温度的检测，从而为进一步研究材料损伤测试分析提供技术支持。
[0069]本发明实施例提供的上述方法中各步骤的详细处理方式，可以参照上述对本发明实施例提出的检测系统的描述内容，在此不再进行重复描述。
[0070]综上所述，本发明实施例提供的方案，包括:电接触设备，多个光纤温度传感探头，信号采集模块和热分析模块，电接触设备包括电刷和滑轨，其中:多个光纤温度传感探头分别安装在电接触设备上，靠近滑轨的表面，且多个光纤温度传感探头可以分别对应滑轨的不同位置，每个光纤温度传感探头用于检测电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面上，该光纤温度传感探头对应位置产生的红外辐射；该多个光纤温度传感探头分别通过光纤与信号采集模块相连，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到信号采集模块；信号采集模块用于将接收的能量信号转换成对应的电信号，并对该电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将温度电信号发送给热分析模块；热分析模块用于基于接收的温度电信号，确定电刷与滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。从而实现了对滑动电接触表面瞬态温度的检测。
[0071]并且，本发明实施例提供的方案，适用于瞬态测量，检测灵敏度高，检测系统抗强电磁场干扰，工作可靠，自成一体，便于推广。
[0072]并且，针对大电流载荷下的高速滑动接触场景，对电接触表面的温度采用非接触方法进行多点瞬态温度检测，利用有限元分析手段对瞬态温度场进行热载荷和热传导分析，得到不同位置处的电接触表面的内部温度变化，从而为进一步研究材料的损伤测试和分析提供技术依据。
[0073]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种滑动电接触表面瞬态温度检测系统，其特征在于，包括:电接触设备，多个光纤温度传感探头，信号采集模块和热分析模块，所述电接触设备包括电刷和滑轨，其中: 所述多个光纤温度传感探头分别安装在所述电接触设备上，且所述多个光纤温度传感探头分别对应所述滑轨的不同位置，光纤温度传感探头用于检测所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射； 所述多个光纤温度传感探头通过光纤与所述信号采集模块相连，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到所述信号采集模块； 所述信号采集模块用于将接收的所述能量信号转换成对应的电信号，并对所述电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将所述温度电信号发送给所述热分析模块；所述热分析模块用于基于接收的所述温度电信号，确定所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤温度传感探头，包括:光学探头透镜，光纤前端，光纤和红外滤光片，其中: 所述电接触表面产生的红外辐射经所述光学探头透镜会聚，并投射到所述光纤前端，红外辐射所产生的能量信号通过光纤传输及所述红外滤光片滤光后，通过光纤被传输到所述信号采集模块。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤温度传感探头，包括:光学探头透镜，光纤前端，光纤，耦合器和红外滤光片，其中: 所述电接触表面产生的红外辐射经所述光学探头透镜会聚，并投射到所述光纤前端，红外辐射所产生的能量信号通过光纤传输，并经过所述耦合器进行耦合及所述红外滤光片滤光后，通过光纤被传输到所述信号采集模块。
4.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述信号采集模块，包括:光电红外探测器，信号放大子模块，信号隔离子模块和信号采集子模块，其中: 所述光电红外探测器将接收的所述能量信号转换成对应的电信号； 并由所述信号放大子模块对所述电信号进行放大和线性化处理，得到标准电信号； 所述标准电信号经过所述信号隔离子模块进行隔离处理后，输出到所述信号采集子模块； 所述信号采集子模块对接收的经过隔离处理的标准电信号进行模数转换，得到表示温度值的温度电信号。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号采集子模块的响应时间不大于2ms ο
6.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述电接触设备为电接触实验设备。
7.一种基于权利要求1所述的检测系统的滑动电接触表面瞬态温度检测方法，其特征在于，包括: 光纤温度传感探头检测所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射，并通过光纤将检测到的红外辐射所产生的能量信号传输到所述信号采集模块； 所述信号采集模块将所述红外辐射将接收的所述能量信号转换成对应的电信号，并对所述电信号进行处理，得到表示温度值的温度电信号，并将所述温度电信号发送给所述热分析模块； 所述热分析模块基于接收的所述温度电信号，确定所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面的温度分布情况。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电接触设备为电接触实验设备；在光纤温度传感探头检测所述电刷与所述滑轨之间滑动过程中的电接触表面对应位置产生的红外辐射之前，还包括: 对所述电接触实验设备通以大于预设电压值的电压，并控制所述电接触实验设备的所述电刷在所述滑轨上滑动。
【文档编号】G01J5/46GK104458012SQ201410795648
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】战再吉, 张玉燕, 温银堂, 王振春, 王微, 李海龙 申请人:燕山大学