本發(fā)明涉及一種弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取方法和裝置，屬于電氣化鐵路系統(tǒng)測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高速鐵路因其污染少、準(zhǔn)時率高、載運量大等優(yōu)點，在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，列車的運行速度提高是各國發(fā)展的首要目標(biāo)。列車速度的提升，會導(dǎo)致弓網(wǎng)振動加劇，弓網(wǎng)離線現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。列車的穩(wěn)定運行需要保證接觸網(wǎng)和受電弓之間的穩(wěn)定受流，當(dāng)離線現(xiàn)象產(chǎn)生，弓網(wǎng)電弧會承擔(dān)傳輸電流的作用，但是，弓網(wǎng)電弧會燒蝕接觸網(wǎng)導(dǎo)線和受電弓滑板、產(chǎn)生高頻噪聲和過電壓，前者將縮短列車的服役壽命，后者將影響列車的信號系統(tǒng)，威脅列車的行車安全。因此，需要對弓網(wǎng)電弧進行有效、準(zhǔn)確地測量，有助于抑制弓網(wǎng)電弧，提高受流質(zhì)量。

對于弓網(wǎng)電弧等離子體的測量通常集中于其電氣參數(shù)，不能反映電弧本身的特性。弓網(wǎng)電弧等離子體中有不同狀態(tài)的物質(zhì)，當(dāng)其狀態(tài)發(fā)生變化時，則會產(chǎn)生電磁輻射，經(jīng)色散系統(tǒng)分光后，按波長或頻率等排列形成光譜。其中分立的銳線光譜是單個氣態(tài)原子輻射產(chǎn)生的，譜線強度是光譜定量分析的依據(jù)，其譜線強度與等離子體的溫度有關(guān)。

目前電弧獲取的方法還較為欠缺，目前用于實際應(yīng)用的僅為檢測紫外光信號和測量弓網(wǎng)電弧電壓電流，僅能定性分析電弧強弱情況，并不能定量分析弓網(wǎng)電弧內(nèi)部參數(shù)；溫度作為燃熾程度、燒蝕特性的重要表征參數(shù)，能夠準(zhǔn)確、實時反映電弧對接觸線與滑板表面的燒蝕強度，對弓網(wǎng)電弧的測量、監(jiān)測以及防治措施都有著極為重要的意義。目前對于弓網(wǎng)電弧等離子體此類大氣壓等離子體，常見的獲取方式有探針法，其中探針法雖能直觀反映等離子體參數(shù)，但在測量過程中，對等離子體狀態(tài)造成干擾，影響測量準(zhǔn)確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

現(xiàn)有對弓網(wǎng)電弧的獲取手段，僅能反應(yīng)如電壓電流(電氣參數(shù))等單一參量，存在一定的不足和缺陷，而本發(fā)明目的是基于上述發(fā)射光譜準(zhǔn)確測量等離子體溫度的基礎(chǔ)上，提供了一種弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取方法，為后續(xù)研究分析環(huán)節(jié)輸出弓網(wǎng)電弧燃弧強度、時間和溫度等多項參數(shù)。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取方法，在弓網(wǎng)電弧實驗研究中實時采集獲取等離子體溫度，電壓電流和弓網(wǎng)間的間隙距離，以完善反映弓網(wǎng)電弧等離子體燒蝕狀態(tài)；通過電弧光譜采集裝置(1)采集弓網(wǎng)電弧發(fā)射光譜后獲得經(jīng)后繼處理獲取弓網(wǎng)電弧溫度；通過放置在受電弓滑板上的直線位移傳感器采集受電弓滑板與接觸線的間隙距離；通過羅氏線圈為主的電氣參數(shù)測量裝置(2)獲取電弧的電流電壓信息；其電弧等離子體溫度包含如下步驟：并對該譜線強度進行記錄

1)在無電弧情況，采集背景光譜；預(yù)設(shè)光強閾值；預(yù)設(shè)采樣時間周期；

2)電弧發(fā)生時，采集并記錄發(fā)射光譜中光強達到預(yù)設(shè)閾值的cui510.55nm、515.32nm、521.82nm、529.25nm、570.02nm五條譜線的光強；

3)對2)所獲結(jié)果，利用玻爾茲曼斜率法對弓網(wǎng)電弧溫度進行計算，用直線擬合數(shù)據(jù)點獲得弓網(wǎng)電弧溫度；

向后續(xù)研究環(huán)節(jié)輸出弓網(wǎng)電弧溫度、受電弓滑板與接觸線的間隙距離和電弧的電流電壓信息。

本發(fā)明的目的還在于為以上方法的實施提供相應(yīng)的實施裝置，其具體措施為：一種采用上述方法的弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取裝置，

主要包括電弧光譜采集裝置(1)、電氣參數(shù)測量裝置(2)、物理參數(shù)測量裝置(3)；

電弧光譜采集裝置(1)包括：三維電動位移調(diào)整臺，設(shè)置在三維電動位移調(diào)整臺上的匯聚透鏡；通過光纖將匯聚透鏡與光譜儀光路聯(lián)通；

電氣參數(shù)測量裝置(2)主要由通過羅氏線圈和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成；

物理參數(shù)測量裝置(3)主要為放置在受電弓滑板上的直線位移傳感器；

由數(shù)字延遲發(fā)生器(4)向電弧光譜采集裝置進行觸發(fā)；高速列車車載直流電源的輸出電流向電弧光譜采集裝置(1)供電。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有裝置簡單，無干擾等優(yōu)點，能更為準(zhǔn)確地測量等離子體內(nèi)部參數(shù)。通過實時同步采集弓網(wǎng)電弧發(fā)射光譜、電壓電流和間隙距離等多項電弧參數(shù)，完善反映弓網(wǎng)電弧等離子體燒蝕狀態(tài)。

本發(fā)明提供的弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取方法和裝置，通過利用合適的匯聚透鏡和光纖對弓網(wǎng)電弧光源進行收光，利用光譜儀設(shè)置適合的時間間隔和閾值采集有效準(zhǔn)確的弓網(wǎng)電弧光譜。同時，本發(fā)明中利用直線位移傳感器對弓網(wǎng)振動情況進行了研究，有助于了解弓網(wǎng)電弧輻射光譜與間隙距離的關(guān)系。此外，本發(fā)明利用電氣參數(shù)測量裝置記錄電弧電壓和電流波形，有利于為深入而全面地了解弓網(wǎng)電弧內(nèi)部過程提供科學(xué)依據(jù)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。

圖1是弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取方法和裝置操作流程圖。

圖2是弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取方法和裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是弓網(wǎng)電弧等離子體多參數(shù)獲取方法和裝置在列車上實際放置示意圖；

圖4是強度閾值為30000和間隔時間為20ms情況下，利用光譜儀采集的弓網(wǎng)電弧光譜圖；

圖5是經(jīng)過光譜校正曲線校正后，為利用玻爾茲曼斜率法計算選用的弓網(wǎng)電弧等離子體溫度的譜線類型及標(biāo)識。

圖6利用玻爾茲曼斜率法擬合出直線的斜率與弓網(wǎng)電弧的溫度。

圖7是通過利用羅氏線圈及數(shù)據(jù)采集卡采集弓網(wǎng)電弧電壓電流的圖像。

圖8是在不同電流情況下，測量的弓網(wǎng)電弧等離子體溫度。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

實施例1，本發(fā)明裝置包括電弧光譜采集裝置、電氣參數(shù)測量裝置、物理參數(shù)測量裝置、數(shù)字延遲發(fā)生器；

其中，車載直流電源向電弧光譜采集裝置(1)供電；

分別由電氣參數(shù)測量裝置和物理參數(shù)測量裝置測量弓網(wǎng)電弧等離子體的參數(shù)。

電弧光譜采集裝置由光譜儀pg2000(其采集范圍為可見光350nm～800nm，積分時間為10us～100ms，采集頻率為10ms)、光纖、匯聚透鏡組成。

電氣參數(shù)測量裝置和物理參數(shù)測量參數(shù)分別由數(shù)據(jù)采集卡、羅氏線圈和直流位移傳感器panasonichg-c1100組成。

所述的直流電流發(fā)生裝置由數(shù)字延遲發(fā)生器觸發(fā)動作。

圖1表達了實際的處理過程，包括以下具體步驟：

1)調(diào)節(jié)車載直流電源，控制輸出電壓和電流的幅值；

2)利用發(fā)射光譜調(diào)整裝置平臺，初步調(diào)節(jié)光纖和匯聚透鏡的位置，以保證電弧光源與測量平臺處于同一水平位置；

3)設(shè)置弓網(wǎng)電弧光譜采集時間間隔，并設(shè)定光譜信號閾值；

4)使用數(shù)字延遲發(fā)生器同步觸發(fā)光譜儀、電壓電流測量和位移傳感器，同時記錄弓網(wǎng)電弧光譜、電壓電流信號和弓網(wǎng)間隙距離；

5)在無電弧情況，采集背景光譜；

6)電弧發(fā)生時，采集光譜，達到預(yù)設(shè)閾值，才能進行步驟7，反之進行步驟2；

7)對光譜信號進行處理，選擇cui510.55nm、515.32nm、521.82nm、529.25nm、570.02nm五條譜線，利用玻爾茲曼斜率法對弓網(wǎng)電弧溫度進行計算。

在實際的處理過程中：

如圖2所示連接實驗電路以及電氣測量裝置。羅氏線圈及直線位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡信號輸出端連接電腦端。光譜儀的觸發(fā)板和晶閘管輸入端連接至數(shù)字延遲發(fā)生器。如圖3所示，將匯聚透鏡和光纖放置于三維電動位移調(diào)整臺，放置于車頂處，并將直線位移傳感器放置在受電弓滑板上，以便記錄弓網(wǎng)電弧發(fā)射光譜及受電弓滑板與接觸線的間隙距離。為保證光譜信號的準(zhǔn)確有效性，需要設(shè)置光譜閾值和采集時間。首先拍攝一組無弓網(wǎng)電弧的背景光譜，減少非電弧光源的干擾。逐漸減小采集時間，以調(diào)整匯聚透鏡和光纖位置，以達到最優(yōu)的采集效果。在設(shè)定閾值和采集時間間隔后，利用光譜儀采集如圖4所示的弓網(wǎng)電弧光譜。

對弓網(wǎng)電弧發(fā)射光譜進行定標(biāo)和分類，由于在無電弧狀態(tài)，沒有銅原子譜線的產(chǎn)生，所以可利用銅原子譜線計算弓網(wǎng)電弧溫度，選擇特定譜線，并對該譜線強度進行記錄，如圖5所示。

譜線強度與處在激發(fā)態(tài)的原子數(shù)目、躍遷幾率及輻射能量有關(guān)如下式所示。

式中i為譜線強度；t為等離子體溫度；n為等離子體的中性粒子密度；aul為躍遷幾率；h為普朗克常數(shù)6.63×10-34j·s；v為譜線的頻率；gu為上能級統(tǒng)計權(quán)重；z為原子配分函數(shù)；eu為高能態(tài)激發(fā)能；k為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23j/k。

對于同種元素的多條激發(fā)能不同的譜線，可利用其強度比與激發(fā)溫度的確定關(guān)系來測量激發(fā)溫度如下式：

利用上式即玻爾茲曼斜率法對弓網(wǎng)電弧溫度進行計算，用直線擬合數(shù)據(jù)點，如圖6所示。

利用羅氏線圈及數(shù)據(jù)采集卡采集弓網(wǎng)電弧電壓電流的圖像，如圖7所示。

在不同電流情況下，測量弓網(wǎng)電弧離子體溫度如圖8所示。

如上所述，本方法基于等離子體發(fā)射光譜原理，結(jié)合高速鐵路中弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生機制，通過使用光譜儀對弓網(wǎng)電弧的內(nèi)部參數(shù)進行分析。本發(fā)明對深入和完善了解弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生過程，如電弧演變，電弧擊穿與弓網(wǎng)間隙的關(guān)系等提供了直接有益的科學(xué)依據(jù)，可作為數(shù)值模擬技術(shù)的實驗驗證手段。