基于可控紫外光的弓網燃弧檢測裝置定標系統研究*

張 冰

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

受電弓—接觸網系統存在的弓網燃弧現象，是在列車運行中受電弓與接觸網接觸狀態不良的直觀響應，因此在國際上弓網燃弧被用作表征弓網受流性能優劣的關鍵性指標之一，燃弧檢測的準確性成為關鍵技術問題之一。針對弓網燃弧現象，國內外學者從弓網燃弧的產生機理、燃弧對滑板及接觸線磨損的影響、弓網燃弧仿真［1-6］以及弓網燃弧特性檢測裝置［7-9］等方面都做了大量的研究工作；并且針對弓網燃弧檢測裝置定標問題，開展了燃弧光譜響應度與燃弧最小功率密度等燃弧能量特征參數定標裝置的研究［10-12］。這些研究工作極大地提高了弓網燃弧的檢測水平，并形成相應的質量控制和檢測標準。歐洲標準EN 50317：2012《鐵路應用—受流系統—受電弓與架空接觸網之間的動態相互作用測量方法的要求和確認》［13］中明確規定：檢驗電氣化鐵路受流系統的運行可靠性和運行質量是通過對接觸網和受電弓之間動態相互作用的測量來反映的，其檢測參數應包括弓網燃弧次數、弓網燃弧持續時間總和、最長弓網燃弧持續時間和弓網燃弧率等。這些參數均為關于弓網燃弧現象的時間特征參數。由于燃弧產生的偶然性，捕捉記錄的準確性存在難度，因此需要選用能夠全時待命、即時快速響應并記錄燃弧信號的檢測系統，通常可選用圖像采集或紫外光感應系統［14-18］。由于圖像采集的結果易受到自然光、雷電等非燃弧現象的干擾，目前一般采用對燃弧特征紫外光頻段敏感的接收裝置來進行實際線路的弓網燃弧檢測。另一方面，弓網燃弧的閃爍時間極短但存在確定性規律，因此如何有效識別和評判接收到的單次燃弧閃爍的有效信號及其時長，并與標準燃弧時長進行對比以作為有效的燃弧記錄，對于燃弧信號采集裝置和計算機分析軟件的評判模型參數來說，對信號記錄準確性的估計和評判也存在較高難度。因此，尋找和建立能夠標定矯正燃弧檢測裝置紫外光信號采集裝置的機械穩定性和軟件參數準確性的定標系統，是保障弓網燃弧檢測裝置優化設計、運維和校準的關鍵技術。

國內弓網燃弧檢測以及相關研究起步較晚。特別是針對弓網燃弧持續時間、燃弧次數及間隔時間等弓網燃弧測量裝置響應的時間特征參數測取評判的敏感性和不穩定性問題，如何保障衡量檢測裝置的可靠性方面，缺少能夠精確標定弓網燃弧檢測裝置的標準燃弧定標系統的支撐，國內弓網燃弧檢測技術和弓網燃弧的評判標準與國際標準存在差距。此研究立足實現弓網燃弧檢測裝置的時間特征參數的定標功能，結合弓網燃弧機理和檢測標準，提出了一種以可控特定頻段紫外光時長的超穩定氘燈紫外燈光源系統的技術方案，設計制作了能夠準確定標弓網燃弧能量特征參數及時間特征參數的弓網燃弧檢測裝置定標系統，并通過試驗驗證了其工作性能以及實用性和準確性。

1 弓網燃弧檢測技術及評價方法

早期采用可視光的光學式弓網燃弧檢測裝置，白天測量有困難。紫外光（UV）在白天也能檢測獲取，進一步研發了基于紫外光（UV）的光學式弓網燃弧檢測裝置，即通過在列車車頂安裝基于紫外光的光學傳感器來檢測受電弓—接觸網的燃弧信號。

接觸網導線與受電弓滑板材料主要成分為銅、碳，其燃弧產生弧光在紫外光范圍有強光譜；我們采用的紫外光（UV）傳感器是利用金屬的光電效應和氣體倍增效應的UVTRON 紫外光（UV）傳感器專用光敏管。它具有185～260 nm 的窄光譜靈敏度，對可見光完全不敏感。與一般的光半導體傳感器不同，它不需要光學濾光片，因此易于使用。盡管它的尺寸較小，但它具有較寬的角度靈敏度（方向性），并且可以可靠、快速地檢測弓網燃弧發出的微弱的紫外光。

紫外光UV 傳感器，只對弓網燃弧中狹窄范圍內紫外線敏感，對其他頻譜光線不敏感。弓網燃弧紫外光傳感器的靈敏度依賴于紫外光傳感器放電的次數（輸出脈沖數）。當入射紫外光較弱時，輸出脈沖數與入射紫外光光強成正比；當入射紫外光增加到一定強度時，輸出脈沖數量則呈飽和狀態不再增加。紫外光UV 傳感器如圖1 所示。各種入射光強下，弓網燃弧紫外光傳感器的輸出波形如圖2 所示。

圖1 紫外光UV 傳感器

圖2 紫外光UV 傳感器的脈沖輸出

弓網燃弧測量涉及弓網燃弧的相關光譜范圍內燃弧功率密度（以PW/cm2計）和弓網燃弧測量裝置響應之間的關系。根據歐洲標準EN 50317相關標準要求，弓網燃弧測量裝置應能感測銅物質所發紫外光波長。對于銅和銅合金接觸線及受電弓碳物質滑板，應能感知220～225 nm 或323～329 nm 波段紫外光。根據歐洲標準EN 50317，弓網燃弧測量裝置設置燃弧檢測閾值，該閾值取決于弓網燃弧最小燃弧功率。閾值設定見表1。

表1 最小燃弧功率

弓網燃弧測量裝置對其輸出結果，僅分析超過規定持續時間的燃弧。該持續時間取決于須檢測的問題，檢測弓網受流質量的有效持續時間值是5 ms。弓網燃弧率（NQ）按照式（1）計算：

式中：NQ為弓網燃弧率，是車輛給定速度的一個特征值；t電弧為弓網燃弧持續時間之和；t總量為每個受電弓的受電電流超過標稱電流30%的總時間。

2 基于可控紫外光的弓網燃弧檢測裝置定標系統

2.1 系統組成

弓網燃弧測量裝置定標系統如圖3 所示，主要部件包括：氘燈紫外燈光源、紫外燈光源控制電源、光路控制定時系統、定時系統控制器。其他輔助部件包括光學回路及安裝轉接件、標準紫外光探測器、光功率計、光譜分析儀、數據處理系統等。 其中，氘燈紫外燈光源能夠產生穩定的波長為160～400 nm 的深紫外光譜。

圖3 弓網燃弧測量裝置定標系統結構形式

2.2 系統工作原理和流程

該弓網燃弧檢測裝置定標系統的工作原理和主要流程如下。

（1）在數據處理系統控制下，標準紫外光探測器或弓網燃弧傳感器進入光路輸出端；位于光路輸入端的標準氘燈紫外光經輸入光學回路、濾光回路和輸出光學回路，成像在標準紫外光探測器或弓網燃弧傳感器的光敏面。經光功率計、光譜分析儀或弓網燃弧傳感器，標準紫外光探測器將弓網燃弧檢測裝置接收的光信號轉成電信號進入數據處理系統。

（2）數據處理系統，裝有數據通信系統和測量軟件的計算機。數據處理系統測量軟件包括數據通信模塊，系統參數設置模塊，系統控制模塊，弓網燃弧光譜輻射照度校準、標定、測量模塊，弓網燃弧光譜響應度校準、標定、測量模塊，弓網燃弧持續時間校準、標定、測量模塊，弓網燃弧次數校準、標定、測量模塊，弓網燃弧間隔時間校準、標定、測量模塊。

（3）數據通信模塊。其功能是將光功率計、光譜分析儀或弓網燃弧測量裝置的測量數據通過RS232 或ETHERNET（網絡）接口傳輸到數據處理系統。

（4）系統參數設置模塊。其功能是根據所選擇的工作類型設置光學回路（輸入光學回路、濾光回路、輸出光學回路）及定時系統控制器的相關參數。控制模塊的功能是根據系統參數設置模塊中設置的相關參數，向光學回路（輸入光學回路、濾光回路、輸出光學回路）及定時系統控制器發送控制指令，用以調節氘燈紫外燈光源的輸出強度、光譜或弓網燃弧持續時間、弓網燃弧次數、弓網燃弧間隔時間等參數。

（5）根據系統參數設置模塊，設置校準、標定、測量類型，調用相應的校準、標定、測量模塊完成校準、標定、測量數據采集、處理和計算任務，給出校準、標定、測量結果。

2.3 系統技術效果

該定標系統的技術效果體現在以下幾個方面：

（1）集弓網燃弧光譜輻射照度、弓網燃弧光譜響應度、弓網燃弧持續時間、弓網燃弧次數和弓網燃弧間隔時間5 種功能為一體，具有資源共享，節約成本的特點；尤其是解決了弓網燃弧測量裝置校準、測量及標定時所需精確（ms 級）產生弓網燃弧持續時間、弓網燃弧次數、弓網燃弧間隔時間的難點。

（2）輸入光學回路由球面反射鏡和平面反射鏡構成成像系統，入射光束依次經球面反射鏡和平面反射鏡的反射后射出。濾光回路中含有多個波段不同的濾光片。各濾光片可以通過片輪控制分別切入到光路中。輸出光學回路有自動可調光闌，可改變輸出紫外光光束直徑。

（3）采用超低震動光學定時系統，時長靈活設置，定時分辨率在1 ms 下，時長范圍1 ms～1 000 s。具有多種控制觸發方式：內觸發、外觸發及面板操作。具有GPIB、RS232 及ETHERNET（網絡）接口，支持遠程控制。可精確產生弓網燃弧持續時間、弓網燃弧次數及弓網燃弧間隔時間，定時系統時序如圖4 所示，定時特征規范見表2。根據圖4和表2 可知，定時系統的最小驅動脈沖為10 ms，最小底部打開時間可比定時器設置的時間延長3～4 ms。

表2 脈沖定時特征規范 單位：ms

圖4 脈沖時序圖

3 定標系統性能試驗

3.1 試驗內容

弓網燃弧檢測裝置標定系統性能試驗，主要為了驗證弓網燃弧檢測裝置的弓網燃弧持續時間、弓網燃弧次數及弓網燃弧的間隔時間等時間特征參數的可靠性。定標系統試驗裝置如圖5所示。

圖5 弓網燃弧檢測裝置定標系統性能試驗現場

3.2 試驗過程

第1 組試驗：針對時間特征參數的試驗，首先對弓網燃弧檢測裝置定標系統的光學能量特征性能進行調整，調整氘燈光源為穩定功率輸出并在光學回路加裝濾光片，使其輸出光譜曲線為190～300 nm 波段。使得定標系統在整個試驗過程中具有穩定的光學輸出。

試驗過程中弓網燃弧檢測裝置定標系統的時間特征參數設置為：

（1）弓網燃弧持續時間設置為：10、20、30、40、50、100、200、300 ms。

（2）弓網燃弧間隔時間均設置為：1 000 ms。

（3）弓網燃弧次數設置為：20 次。

試驗的過程中通過弓網燃弧檢測裝置采集燃弧傳感器的輸出電壓，依次對弓網燃弧檢測裝置進行標定。第1 組試驗：弓網燃弧檢測裝置輸出信號采集頻率為2 000 Hz。選取裝置采集的整組試驗波形及分次波形的典型結果，如圖6 所示。計算結果見表3。

圖6 采樣頻率2 000 Hz 標定時間300 ms 整組及分次輸出波形

第2 組試驗：為提升弓網燃弧檢測裝置的分辨率及檢測精度，其輸出信號采集頻率提至10 000 Hz，并對弓網燃弧檢測裝置軟硬件進一步整改。整改后的弓網燃弧檢測裝置采集整組試驗波形及分次波形典型結果，如圖7 所示。計算結果見表4。

表4 采樣頻率10 000 Hz 弓網燃弧檢測裝置輸出信號 單位：ms

圖7 采樣頻率10 000 Hz 標定時間300 ms 整組及分次輸出波形

由于電動快門的響應相對電動快門控制器設置時間有3～4 ms 的時延，所以弓網燃弧檢測裝置檢測到的弓網燃弧時間平均要比設置時間偏大3～4 ms。通過計算，弓網燃弧檢測裝置輸出值的平均偏差穩定度與最大值偏差穩定度均在可接受范圍內，最大標準偏差為3.54 ms，可以認為弓網燃弧檢測裝置定標系統標定后的弓網燃弧檢測裝置，其檢測到的數據具有相當的可靠性與準確性。通過試驗也同時驗證了弓網燃弧檢測裝置定標系統的可行性與準確性。

4 結 論

研究開發了一套基于可控紫外光的弓網燃弧檢測裝置定標系統。通過定標系統對弓網燃弧檢測裝置進行了整改及標定的性能試驗并經數據分析，得到如下結論：

（1）通過弓網燃弧檢測裝置定標系統可以對弓網燃弧檢測裝置進行了硬件及相應軟件的調試和標定，提升了弓網燃弧檢測裝置的檢測精度和可靠性。

（2）在弓網燃弧檢測裝置定標系統的燃弧時間設定為10 ms 及以上時，可以準確的標定弓網燃弧檢測裝置的弓網燃弧持續時間、燃弧次數及燃弧間隔等特征參數，測量的弓網燃弧持續時間均值標準偏差小于3.54 ms，驗證了定標系統的可行性與準確性。

（3）弓網燃弧檢測涉及弓網燃弧的相關光譜范圍內的弓網燃弧功率密度和弓網燃弧檢測裝置響應之間的關系，可以通過設定輸出脈沖間隔閾值來響應。

（4）采取準確的定標弓網燃弧檢測裝置，結合其他指標衡量弓網受流質量，對維護弓網受流質量提供了技術支持。