基于熒光光纖測溫的碳滑板監測系統

馬媛媛 李碩 劉惠 左新彪 王遠 鄭一博

摘要： 本文以受電弓碳滑板為研究對象，以光纖傳感為研究基礎，在受電弓碳滑板內部嵌入光纖，運用熒光光纖測溫法對碳滑板中間和邊緣端測溫點測溫，設計碳滑板監測裝置，實驗測得熒光余暉壽命與溫度之間的關系，為驗證光纖測溫效果，根據熒光余暉效應，進行碳滑板系統測溫模擬實驗，分析溫度與實際溫度關系，得到較高的溫度預測成功準確率，表明系統測溫準確率很高，具有實際應用價值，為完善高鐵受電弓碳滑板在線監測系統提供了理論數據。

Abstract： This paper takes the carbon slide plate of the pantograph as the research object， based on optical fiber sensing， embeds the optical fiber inside the carbon slide plate of the pantograph， and uses the fluorescence optical fiber temperature measurement method to measure the temperature at the middle and edge ends of the carbon slide plate. With the slide monitoring device， the relationship between fluorescence afterglow life and temperature is measured by experiment. In order to verify the effect of optical fiber temperature measurement， according to the fluorescence afterglow effect， a carbon slide system temperature measurement simulation experiment is carried out to analyze the relationship between temperature and actual temperature to obtain a higher temperature predicted success accuracy rate， which shows that the system has a high temperature measurement accuracy rate and has practical application value. It provides theoretical data for improving the online monitoring system of the high-speed rail pantograph carbon slide.

關鍵詞： 碳滑板;熒光光纖;熒光余暉效應;溫度

Key words： carbon skateboard;fluorescent fiber;fluorescence afterglow effect;temperature

中圖分類號：TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）29-0152-03

0? 引言

高鐵動車組的動力能源由供電系統提供，主要由牽引變電所和接觸網兩個部分所組成。牽引變電所分布在鐵路沿線，負責將110kV高壓電轉換為27.5kV，并輸送到動車組接觸網上。動車組接觸網由許許多多的金屬導線組成的，而受電弓是動車組和接觸網的關鍵連接部件。其中受電弓碳滑板主要直接與接觸導線接觸，是電力列車的主要零部件，也是受電弓的核心部件。可以說，碳滑板的工作狀態直接影響著整個列車的供電情況及運行安全性能。

目前，受電弓的磨耗監測主要包括人工監測、超聲波探測和紅外圖像測量三種方式：①人工監測方式：即在列車進段停車時，工作人員到車頂用量具測量受電弓的磨損情況。②紅外圖像測量方式：利用紅外相機現場采集受電弓圖像，通過后期圖像處理獲取受電弓翹曲變形等磨耗情況[1]。③超聲波探測方式：通過在高架上固定超聲波傳感器發送超聲波，根據受電弓碳滑板反射超聲波的傳輸時間與波速，經分析可以獲得碳滑板厚度，監測滑板表面的凹凸磨損狀況[2]。三種監測方式中，人工監測方式是目前高鐵受電弓監測的主要方法，其存在誤差大、時效性差，且無法監測受電弓工作時發生異常磨損的不足;其它兩種非人工監測方法受限于定點安裝在高架上的監測設備，測量節點少，無法實現磨損狀態的實時在線監測，而且在凍雨、雨雪、環境污染嚴重時，上述方法難以對碳滑板的磨耗值進行準確監測[3][4]。此外，因碳滑板表面磨損不均勻產生電弧放電所引起的受電弓碳滑板溫度異變的實時在線監測方法未見報道。

本項目是基于光纖傳感技術和熒光技術相結合的熒光光纖測溫和磨耗監測，實現高鐵、地鐵或動車的受電弓碳滑板的磨損量和碳條溫度的實時在線監測。本文以受電弓碳滑板為研究對象，以光纖傳感為研究基礎，運用熒光光纖測溫方法對碳滑板中間位置和邊緣端的測溫點進行溫度在線監測，為進一步完善智能化高鐵受電弓碳滑板在線監測系統提供了理論數據。

1? 碳滑板監測光路系統設計

一種受電弓碳滑板監測系統圖1所示。

由于碳滑板碳條內空間狹小，故碳滑板監測系統內部光纖數量不宜過多，本項目設計系統時通過在碳滑板內部嵌入一根光纖并且該光纖在中間端和末端設有熒光傳感探頭，利用熒光粉監測碳滑板碳條的溫度和磨損情況。在碳滑板與接觸網摩擦的過程中，當磨損至底部及嵌入光纖所在位置，那么可以推斷出碳滑板已經磨損至底部，需要進行更換碳滑板。

本項目設計的監測系統中，由發光二極管、傳輸光纖、光纖耦合器1、光纖耦合器2、熒光傳感探頭、反光材料、濾光片、雙通道PD信號采集儀、信號處理單元連接形成完整的光路。本監測系統中的傳輸光纖采用塑料光纖，并且系統內部熒光傳感探頭是在塑料光纖中間位置刻出圓錐形孔，并在光纖頭部粘上紅寶石熒光材料，本系統這樣設計結構簡單，符合受電弓碳滑板腔內體積狹小的特點[5]。激發光源為由發光二極管發射出的406.5nm波長的紫光。所述的傳輸光纖監測設備嵌入到碳滑板碳條內部，在碳條中間位置橫向鋪設，距碳條最底距離為10mm。

由紫色LED發出波長為406.5nm波長的脈沖光，通過傳輸光纖經過光纖耦合器1，傳輸至受電弓碳滑板內部的光纖耦合器2，經過光纖耦合器2的光束分為兩路光，激光傳輸到中間位置熒光傳感探頭硅膠層內部的紅寶石熒光粉，利用熒光粉的余暉效應會反射回傳輸光纖692nm的熒光;激發光源發射出光束傳輸到光纖末斷的紅寶石熒光粉反光材料，紅寶石熒光粉反光材料將406.5nm波長光沿著傳輸光纖反射回來;此時，在光纖耦合器1接收到兩個波長的光，利用光纖耦合器將光纖分為兩條外部的傳輸光纖，并且在兩條光纖上分別安裝濾光片，且濾光片1只能透過波長為692nm的熒光，濾光片2只能透過波長為406.5nm波長的熒光;經過濾光片對光處理之后的兩條光纖末端處連接雙通道PD信號采集儀，然后連接信號處理裝置對光信號進行處理，通過信號處理裝置分析熒光粉在不同溫度下的熒光壽命，利用余暉效應時間的長短可檢測出碳滑板的溫度值。

2? 受電弓滑板光纖測溫實驗原理

本文中的受電弓碳滑板監測系統光路設計原理是：當發光材料受到某種波長的入射光照射，吸收光能后從基態進入激發態，并且立即退激發并發出比入射光的波長長的出射光（通常波長在可見光波段），而且一旦移除入射光，發光現象也隨之立即消失，即出射光消失，具有這種性質的出射光就被稱之為熒光。在某一段溫度范圍內，無論何種熒光物質，它們的熒光壽命均表現出一定溫度相關性，而熒光壽命測溫原理正是建立在這種溫度相關性上的。光照射熒光物質時，其內部電子獲得能量從基態躍遷到激發態，從激發態返回到基態的放出輻射能而使熒光物質發出熒光，而在光被移除后的持續發射熒光的時間取決于激發態的壽命，該壽命就被稱之為熒光壽命[6]。熒光壽命具有特性：熒光壽命的長短由溫度的高低決定，因此本項目采用熒光壽命與溫度的關系進行測溫。[7]由圖2可得熒光余輝的強度與時間的函數關系式為：

式中：A-常系數;t-余輝衰減時間;K-信號的背景漂移;l（T）—停止激勵時熒光峰值強度，為溫度T的函數;Al（T）—為t=0時激發的熒光信號的強度;τ（T）—熒光余輝衰變時間常數，即熒光余輝壽命，也為溫度T的函數，與光強無關。一般T越大，τ（T）就越小。所以只要測得τ（T）的值，就可求解出T。

對式（1）進行微分得，=-e

取t1和t2兩個時刻的值運算

[dI（t）/dI（t）]/[dI（t）/dI（t）]=e

τ=

然后運用最小二乘法算法擬合實現溫度于熒光壽命之間的關系，采取尋找最小化的平方和獲取數據的最有函數匹配的數學方法。最小二乘法相當于一次插值計算，可以尋找到未知數據，并使得最小化所獲得的數據和實際數據之間的誤差平方和，進一步模擬出擬合多項式的系數參數，生成對應的數據集合，數據點集合使誤差的平方和最小。

通過實驗并進行最小二乘法一元多項式擬合測得熒光余暉壽命τ（T）（y軸/ms）與溫度T（x軸）的關系如圖3所示，通過python進行離散數據擬合可以得到熒光余暉壽命與溫度關系的一元多項式為：

y=11.87055-0.168698x+0.0003358x2

通過實驗數據可以得到，692nm的紅寶石熒光粉的熒光壽命隨著溫度的升高，熒光壽命在減低。從圖3中可以明顯地看出壽命的變化速率隨著溫度的進一步上升也逐漸變緩， 在本實驗溫度范圍內還沒有測到高溫區的穩定點， 但從圖中曲線的變化趨勢，可推知在高溫側熒光壽命逐漸趨于一個穩定值。

3? 嵌入紅寶石熒光粉光纖對溫度敏感性實驗

為驗證本系統的熒光光纖測溫效果，本實驗室根據熒光余暉效應原理，集成了Thermoscope溫度監測系統[8]。實驗過程如下，取本實驗室設計的內部嵌入692nm紅寶石熒光粉的光纖，打開系統的開關，使紫色LED發出脈沖光，對熒光材料進行激發，并且準備好用于本次實驗的DF-101S集熱式加熱攪拌器來模擬光纖處于變溫的環境，來模擬光纖傳感探頭在受電弓碳滑板內部腔內隨著滑板摩擦溫度變化的環境。再由BD-CLQ溫度數據處理器將光纖測溫獲得的信號轉換在系統顯示，DF-101S集熱式加熱攪拌器可顯示實際溫度，分別將光纖測溫的測量溫度與加熱攪拌器的實際溫度同時保存在數據庫中，然后對數據記錄在數進行數據分析。

數據分析過程如下：通過9根熒光光纖進行模擬實驗，以得到實際溫度和測量溫度的數據，其中選取5組數據進行訓練并且通過正態分布的方法進行建立關于測量溫度與實際溫度的溫度差？駐T的數學模型，保存其均值和方差，并畫出關于溫度差的正態分布圖像（如圖4所示），并將選取剩下4組溫度數據用來做測試，即用測量溫度來預測實際溫度。

步驟一：測量溫度與實際溫度的溫度差數據獲取

代碼實現：

T1=[];

T2=[];

for i=1：length（actualTemp（））

if ActualTemp（i）～=0 &&MeasureTemp（i）～=0? %如果測量溫度和實際溫度數據都不丟失

T1=actualTemp（i）;

T2=measureTemp（i）;

DifTemp=[DifTemp;T2-T1];%求不同溫度下溫差的序列

end

end

步驟二：建立關于正態分布的模型，并且根據訓練數據求出均值和方差

代碼實現：

[DifMUHAT，DifSIGMAHAT] = normfit（DifTemp，0.05）;%muhat，sigmahat分別為正態分布的參數μ和σ的估計值

步驟三：根據訓練模型和數據求出本系統的溫差值

代碼實現：

for i=1：length（DifTemp）

determine=normpdf（DifTemp（i），DifMUHAT，DifSIGMAHAT）;%返回參數為μ和σ的正態分布密度函數在x處的值（其中參數mu是μ，參數sigma是σ）

%determine反映的是溫度差為某一個值的概率分布，若大多數的溫度差為此，說明此溫差為系統溫差

h（i）=determine;%保存溫度差的正態分布密度函數值

k（i）=DifTemp（i）

end

[a，b]=max（h）;%a的值為溫差可取值，b為溫差的個數

Lasttemp=k（b）;%求出本系統的的實際值與測量值之間的溫差值，%T2-T1=Lasttemp=測量溫度-實際溫度。

步驟四：運用測試數據，得出模型匹配成功率

本實驗選取其他四根嵌入紅寶石熒光粉的光纖，并且進行了4次測溫模擬實驗，獲得的數據作為測試數據。本次實驗通過測量的溫度值來預測真實溫度值，如果通過模型得到的實際溫度值與數據庫中存儲的實際溫度值的溫差在0.2℃之內，則表明測溫結果準確，因而可求出本熒光光纖測溫系統的正確概率值，通過實驗得到的模型測試出區間匹配準確度如表1。

綜上4次的測溫預測準確率結果，可以得到平均的測溫準確率為96.72%，表明本系統的測溫準確率很高，具有實際應用價值。

4? 總結

本文提出了基于熒光強度信號測量受電弓碳滑板溫度的研究目標與實施方案，并分析了測溫系統和碳條磨損量檢測系統的光路結構設計，對熒光光纖碳滑板監測系統進行了工業化的設計。采用數據庫存儲溫度據，對采集到的溫度數據，我們將以熒光光纖效應為機理運用最小二乘法對溫度與熒光壽命進行數據擬合處理;然后對測量溫度數據與實際溫度數據進一步進行分析，然后得到兩者之間的關系，并且反映出本監測系統測溫具有較高準確率。實驗結果證明該測溫系統具有良好的監測效果，本系統在高鐵受電弓碳滑板中可實現測溫功能，保證了高鐵機車的安全運行，具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]高美羚，趙濤，周繼華，陳星，王希，王艷春.一種弓網紅外測溫檢測系統，201720177164.0[P].2017，02.

[2]宋怡雋，高國強，陳明禮，涂川俊，魏文賦，楊澤鋒，吳廣寧.基于探頭超聲聲場特性的受電弓碳滑板內部裂紋檢測研究[J].北京：鐵道學報，2018，02.

[3]武建軍.一種動車受電弓磨損在線檢測裝置，201820408878.2[P].2018，03.

[4]高小亮，賀宇青.高速列車受電弓碳滑板報警裝置，201610278094.8[P].2016，04.

[5]杜翀，張文松，何亮明，劉蘭書.一種小型熒光光纖溫度傳感探頭，2013201389 49.9[P].2013.

[6]楊和平，朱楊凱，周正超，謝志迅，謝志行.熒光衰減型光纖測溫[J].北京：傳感器世界，2019.

[7]趙舫，唐忠，崔昊楊.基于熒光光纖測溫的電氣設備在線監測系統[J].哈爾濱：電測與儀表，2015.

[8]賈振安，張童，劉穎剛，尉婷，徐成.基于BOTDA的分布式光纖溫度傳感測量實驗研究[J].黑龍江：傳感器與微系統，2014.