基于MEMS光纤传感技术实时测量接触网拉出值的研究

吴迅奇

(上海拜安传感技术有限公司 上海 201210)

0 引言

目前，现有测量接触网拉出值的技术主要有电子类传感器技术[1]、激光雷达测距技术和视觉成像测量技术。前者属于接触式测量，有一定的精准度，但是需要做大量的绝缘防护措施，导致系统总体质量大，不仅要修改受电弓弓头原有的力学结构，而且为了放置绝缘防护设备还要做车顶下沉式设计，因此主要应用在检测车上，而不能安装在电客车上实时测量接触网拉出值；后两者都属于非接触式测量技术，其中，激光雷达测距技术在检测过程中连续向垂直车顶方向发射高频激光脉冲，通过测量距离特征实现识别[2]，但是该技术对环境的要求比较严苛，对测量距离和角度也有严格要求，因此在实际测量时容易影响测量结果，存在一定的测量偏差，精度相对较差；而视觉成像测量技术[2-3]，是利用固定在车顶上不同类型的工业相机所拍摄影像后，应用三维视觉成像的原理对接触网与碳滑板的交接点进行位置确定，然后再通过光学图像轨迹识别算法计算出相应的拉出值，虽然该技术普遍安装在地铁电客车和检测车上，但这种方法计算量大而导致输出迟滞，同时系统的照明光源也深受线路上环境光的干扰和由四季的环境变化而带来的图片背景变化的干扰，因此，算法上具有一定的技术难度。

1 研究方法

1.1 MEMS光纤拉出值测量系统

MEMS光纤传感技术中，涉及传感芯片的硅基敏感结构采用微机电技术集成制造，其具有批量化制造、体积微小、性能恒定、一致性好的优点。而信号采用光纤检测技术进行读取，用光波长进行编码和传输，由此结合而成的MEMS光纤传感器具有MEMS传感器与光纤传感器的共同优点，即无源探测，本质安全，对电磁干扰完全免疫。MEMS光纤传感器安装在带电工作的物体上，可实时监测诸如温度、压力、加速度等物理量。因此，将MEMS光纤接触力传感器安装在受电弓弓头上实时监测地铁电客车辆行驶时接触网的拉出值，避免了因加装电子类接触力传感器而不得不改变受电弓弓头的力学结构和车顶做下沉式设计的困扰，也不会出现像非接触式测量接触网拉出值那样受到环境光和四季背景变化的干扰，相比而言，MEMS光纤接触力传感器具有一定的技术优势。

用于测量接触网拉出值的MEMS光纤传感系统包含两支MEMS光纤接触力传感器和一支MEMS光纤加速度传感器，以及一台高速光纤传感分析仪。如图1所示，两支MEMS光纤接触力传感器可以任意安装在同一组受电弓弓头两端具有缓冲或/和阻尼系统的弓头支座上，本次测量试验所选用的受电弓为弹簧箱式受电弓，因此MEMS光纤接触力传感器以垫片的形式嵌入在弹簧箱内部，MEMS加速度传感器则固定在受电弓的底架上，式样如图2所示，其探测方向与地铁线路的中心线方向相平行，用于测量地铁行驶时纵向的加速度值。高速光纤传感分析仪属于波长型调制解调系统，被置于地铁车厢内部的电气柜内，实时同步探测和读取由MEMS光纤传感器采集的并载有接触力和加速度信息的光学波长信号。

图1 MEMS光纤传感器在受电弓上的安装位置

(a) 嵌入在弹簧箱内的 (b) 固定于底架上的加 接触力传感器 速度传感器图2 MEMS光纤传感器

探测所用的激光波长与接触力和加速度之间的关系式如下：

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)为接触力传感器与接触网之间在t时刻的接触力值，需要说明的是，由于在弹簧箱内部的垫片式接触力传感器与受电弓弓头为非刚性接触，且其质量非常轻，因此可以忽略垂向上由加速度产生的力；KS为接触力传感器的接触力系数；λS(t)为接触力传感器在t时刻的波长值；λ0,S为受电弓弓头在与接触网之间无相互力的作用时接触力传感器的波长值；kT,S为接触力传感器的温漂系数；aL(t)为受电弓底架在t时刻的纵向加速度值；KL为加速度传感器的纵向加速度系数；λL(t)为加速度传感器在纵向上t时刻的波长值；λ0,L加速度传感器在纵向上静止状态下的波长值；kT,L为加速度传感器纵向的温漂系数；T(t)为t时刻的温度值；T0为初始时刻的温度值。

1.2 拉出值的计算与定位

为简化计算模型，定义同一弓头上的碳滑板在同一时刻只有来自接触网向下的压力，且假设受电弓的纵向中心线与轨道线路的中心线重合，则拉出值可以通过对同一弓头上两端的接触力传感器测量到的弓网间接触力值进行计算。另外，车辆在运行时，车体自身的振动主要在垂向和横向上，纵向加速度影响较小，且处在高频区域，可以通过高频滤波进行处理。因此，受电弓底架上所探测到的纵向加速度值可以近似于车辆行驶时的加速、匀速和减速所产生的变化，通过受电弓底架上的加速度传感器所探测到的纵向加速度值，计算出地铁电客车的运行速度和距离。另外，对弓网间接触力的测量和纵向加速度的测量要保证同步的采样频率，以保证采集到的数据在时序上能一一对应，从而就可以确定该处的接触网拉出值在线路上的空间位置，具体计算公式如下：

(3)

或者

(4)

(5)

(6)

其中：ZC(t)表示接触网在t时刻的拉出值，定义列车前进方向右侧ZC为负值；列车前进方向左侧ZC为正值；LS为同一组受电弓弓头两端具有缓冲或/和阻尼系统的弓头支座中心之间的距离；FS,gch(t)和FS,drg(t)分别为受电弓弓头左侧和右侧两个弓头支座上的接触力传感器在t时刻测得的接触力值；vL(t)为受电弓弓头在t时刻的纵向的速度值；v0,L为受电弓弓头在纵向的初始速度值；DL(t)为列车在t时刻的行驶距离；D0,L为列车的初始行驶距离。

2 测量结果

2.1 接触力值

测量结果截取了一段在地铁两个站点之间电客车从静止到行驶再到停止时的两组接触力数据和一组加速度数据，图3显示了在这一过程中，同一组弓头两侧接触力传感器所各自测量到的接触力值，从图中可知，当地铁处于停车状态时，接触力曲线相对比较平坦；当地铁处于行驶状态时，两条接触力曲线为“Z”字型轨迹。另外，不管地铁是在静止状态还是行驶状态，受电弓同一弓头所承受来自接触网的压力大小都约为63 N，但地铁在运行时，每支MEMS光纤接触力传感器所测出的值都在以约32 N为中心线周围呈蛇形往复变化，且大小相反。

图3 地铁行驶时接触力与时间的关系

由于固定在受电弓底架上的加速度传感器与地铁车辆是刚性连接，因此可以用其在纵向所测的加速度值来表征地铁车辆的纵向加速度值，如图4所示，可以看出地铁在静止、加速、匀速和减速时所测得的加速度值，其加速度最大值达到了1 m/s2。

图4 地铁行驶时加速度与时间的关系

2.2 拉出值及定位

在此路段中，依据地铁车辆的状态，定义地铁的初始速度为v0,L=0，初始行驶里程为D0,L=0。通过对加速度传感器在纵向上所测得的值进行二次积分后，可以依次得到地铁车辆在每个时刻的运行速度和行驶里程。参照图5所示，该地铁车辆约在137 s内总共运行了约2.5 km，行驶过程中的最高速度接近30 m/s。

结合测量出的接触网与受电弓的接触力，以及计算出的地铁行驶距离，最终绘制出了该路段接触网拉出值与里程所对应的空间位置关系，如图6所示，接触网每个锚段内的最大拉出值约为200 mm，接触网正弦波半波长度为81.95～127.13 m，符合刚性接触网的优化设计要求[4]。另外，由于车载光纤传感分析仪的采样率为2 500 Hz，因此，该路段上接触网拉出值在纵向的空间分辨率不大于12 mm，远远高于由激光雷达测距技术或视觉成像测量技术所提供的300 mm的空间分辨率，而定位精度达到了±0.5 m，这样可为接触网的定点维修带去便利。需要指出的是，为了减少由加速度传感器或惯导系统所计算出的数值在距离上的误差，以及提高被测量路段上的空间定位精准度，建议在地铁车辆重新从静止开始运动时，每路段里程也随之从“零距离”计算。

图5 地铁行驶时速度和里程分别与时间的关系

图6 接触网拉出值与里程的关系

3 结束语

随着城市轨道交通智能化的迅猛发展，MEMS光纤传感系统凭借自身的优势，已安装在受电弓上并应用于对受电弓、接触网以及弓网关系的实时监测，如接触网硬点、接触网导高值、弓网间燃弧等，使对接触网的安全监测更具时效性。本篇文章所研究的关于测量接触网拉出值的MEMS光纤传感系统，已经成功应用在国内各大城市的地铁运营车辆上，取得了一定的实际效果，对线路上的接触网维护起到了一定的辅助作用。