1.本说明书实施例涉及高铁接触网监测技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的受电弓压力传感器。
背景技术：
2.电力机车(例如动车组列车)在运行时，是通过受电弓与接触网之间相接触，在滑动摩擦的过程中获取电能，以提供电力机车前进的能源。在列车高速运行时，受电弓与接触网之间的接触压力需要保持在合理的区间内。若受电弓与接触网之间接触压力过小，容易造成离线并产生拉弧现象；若接触压力过大，会使得接触线局部弯曲并引起疲劳性损伤，增大接触线与滑板之间的磨耗，严重时甚至会产生弓网事故。
3.因此，为了保证受电弓与接触网之间的接触压力正常，需要对所述接触压力的大小进行实时监测。目前在监测所述接触压力时，一般采用电子式传感器、电阻式传感器等。这类传感器存在可靠性差、精度不高、抗干扰能力弱等缺点。尤其是在应用至受电弓上时，由于受电弓为高压设备，而这类传感器为低压采集系统，还需要额外布设高低压隔离方案，不仅增加了成本，还容易影响受电弓的物理结构稳定性，降低行车安全。因此，目前亟需一种安全、可靠、小型化的受电弓压力传感器。
技术实现要素：
4.本说明书实施例的目的是提供一种基于光纤光栅的受电弓压力传感器，以解决如何实现安全、可靠、小型化的受电弓压力传感器的问题。
5.为了解决上述技术问题，本说明书实施例提出一种基于光纤光栅的受电弓压力传感器，包括：壳体、设置于所述壳体内的形变结构和粘连于所述形变结构内的光纤光栅；所述壳体包含膜片；所述壳体设置在受电弓上，且基于受电弓的接触压力引起所述膜片的形变；所述膜片的形变位移量与所述受电弓的接触压力具有线性关系；所述形变结构与所述膜片之间相固定，且基于所述膜片在第一方向的位移产生第二方向上的形变；所述形变结构在第二方向的形变位移量与所述膜片的形变位移量具有线性关系；所述光纤光栅的中心反射波长的移动量与所述形变结构在第二方向的形变位移量具有线性关系；所述光纤光栅的中心反射波长用于被检测以确定所述受电弓的接触压力大小。
6.在一些实施方式中，所述受电弓压力传感器设置在所述受电弓的碳滑板和弓架之间；所述受电弓压力传感器还包括设置在壳体上部的弓板连接座和设置在壳体下部的受电弓连接件；所述弓板连接座用于与所述碳滑板连接，所述受电弓连接件用于与所述弓架连接。
7.在一些实施方式中，所述形变结构包括菱形基体；所述第二方向包括对应于第一方向的垂直方向。
8.基于上述实施方式，所述菱形基体包括菱形结构体和分别与所述菱形结构体固定的上安装柱、下安装柱、左光纤粘接件、右光纤粘接件；所述上安装柱或下安装柱与所述膜
片相固定；所述左光纤粘接件和右光纤粘接件分别对光纤光栅进行固定。
9.在一些实施方式中，所述光纤光栅所受的拉应力与所述形变结构在第二方向的形变位移量具有线性关系；所述光纤光栅的中心反射波长的移动量与所受的拉应力之间具有线性关系。
10.在一些实施方式中，所述壳体由导电金属材料构成；所述导电金属材料包括纯铝材料。
11.在一些实施方式中，所述形变结构由弹性金属材料构成；所述弹性金属材料包括不锈钢、碳钢、青铜中的至少一种。
12.在一些实施方式中，所述光纤光栅还连接有光缆；所述光缆用于连接检测模块以使检测模块获取所述光纤光栅的中心反射波长。
13.在一些实施方式中，所述壳体还包括横杆；所述横杆用于固定所述膜片的相对面。
14.在一些实施方式中，所述壳体还包括膜片中心孔、膜片支撑柱体、光缆安装孔、上盖安装孔和横杆固定孔；所述膜片中心孔用于固定形变结构；所述光缆安装孔用于放置连接所述光纤光栅的光缆；所述上盖安装孔用于在壳体上部安装上盖；所述横杆固定孔用于固定横杆。
15.由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本说明书实施例的受电弓压力传感器，通过在壳体上设置膜片，使得膜片能够基于受电弓的受力情况产生对应的形变，进而将形变位移传输至形变结构，再由形变结果将光纤光栅拉伸，使得受电弓的接触压力能够最终转换为光纤光栅的中心反射波长的改变。通过监测光纤光栅的中心反射波长即可有效检测受电弓接触压力的大小。所述受电弓压力传感器本质上是一种光学传感器，本身结构简单，且不受受电弓与接触网之间的高压电的影响，解决了高低压隔离的问题；同时，由于光纤光栅设置于壳体内，保证了光纤光栅不会被外界干扰和损害，确保了传感器应用过程中的安全性，具有较好的实际应用效果。
附图说明
16.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本说明书实施例一种基于光纤光栅的受电弓压力传感器的结构图；
18.图2为本说明书实施例一种受电弓压力传感器的壳体的结构示意图；
19.图3为本说明书实施例一种受电弓压力传感器的菱形基体的结构示意图；
20.图4为本说明书实施例一种基于光纤光栅的受电弓压力传感器的受力示意图。
21.附图标记说明：1、弓板连接座；2、上盖；3、壳体；3.1、上盖安装位置；3.2、横杆安装位置；3.3、光缆穿线孔；3.4、壳体柱体；3.5、膜片；3.6、连接件焊接柱；3.7、膜片中心孔；4、光缆；5、尾纤；6、横杆；7、光纤光栅；8、菱形基体；8.1、上安装柱；8.2、左光纤粘接件；8.3、菱形结构体；8.4、右光纤粘接件；8.5、下安装柱；9、受电弓连接件。
具体实施方式
22.下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
23.为了解决上述技术问题，本说明书实施例提出一种基于光纤光栅的受电弓压力传感器。如图1所示，所述基于光纤光栅的受电弓压力传感器中至少包括壳体3、设置于所述壳体3内的形变结构和粘连于所述形变结构内的光纤光栅7。
24.壳体3主要对内部的光线光栅等传感部分起保护作用。所述壳体3可以为密封中空结构，在中空区域中方式所述形变结构和光纤光栅7。
25.所述壳体3设置在受电弓上。在列车需要获取电力运行时，受电弓的弓架向上抬升，基于碳滑板与接触网相接触，从而产生对应的接触压力。在壳体3设置在受电弓上时，由于壳体3及受电弓的各个部件为刚性连接，使得受电弓所受到的接触压力会同等地反映在壳体3上，以此为基础，能够实现对受电弓所受的接触压力的检测。
26.所述壳体3包含有膜片3.5，膜片3.5具有较好的弹性，使得膜片3.5在受力后会产生对应程度的形变。在所述压力传感器的应用过程中，当受电弓抬升进而与接触网之间产生接触压力后，该接触压力同时作用在壳体3上，使得膜片3.5在压力的作用下产生形变，即将接触压力的大小反映为膜片3.5的形变这一特征。
27.同时，为了在后续过程中能够实现具体的接触压力的确定，膜片3.5的形变位移量可以与接触压力的大小之间呈线性关系，从而能够基于这一线性关系最终确定具体的接触压力的大小，实现定量测量的效果。
28.在一些实施方式中，所述壳体3为硬芯膜片弹性结构体。在实际应用中，若壳体3的上下方向均会受力产生形变，或其他方向也会受力产生形变，多个方向的形变影响内部形变结构的状态可能会导致检测结果不准确。因此，所述壳体3的侧面和上部可以利用刚性材料进行封闭加固。例如，如图2所示，在壳体3的侧面由壳体柱体3.4进行支撑加固，在壳体3的顶部设置有上盖安装位置3.1，用于安装上盖2对壳体3上表面进行封闭支撑。此外，在壳体3与上盖2之间还设置有横杆安装位置3.2，用于安装横杆6。横杆6为位置固定的杆状部件，用于保证壳体3的上部不会产生形变。
29.相应的，所述膜片3.5设置在壳体3的底部，由于受电弓所受接触压力一般为垂直方向上的力，在膜片3.5设置在壳体3底部的情况下，接触压力能够直接作用在膜片3.5上并使得膜片3.5产生对应的形变效果，从而最大化膜片3.5的形变位移值，便于提高测量结果的准确性。
30.壳体3中与膜片3.5连接的部分还设置有连接件焊接柱3.6，连接件焊接柱3.6用于与形变结构相连接并固定，例如可以通过焊接的方式进行固定。优选的，在所述连接件焊接柱3.6上还设置有膜片孔3.7，用于有效放置形变结构中所包含的连接件，从而更好地实现膜片3.5与形变结构之间的连接固定。
31.需要说明的是，在实际应用中也可以将膜片3.5设置在壳体3的顶部，相应的在壳体3的下部安装下盖，对此不做限制。
32.在一些实施方式中，为了便于控制压力传感器所受的接触压力，所述受电弓压力
传感器可以设置在受电弓的碳滑板和弓架之间，从而尽可能减少压力传感器与接触网之间的中间结构，保证压力传感器所受压力与实际接触压力相同。
33.相应的，为了有效与碳滑板和弓架相固定，如图1所示，所述受电弓压力传感器还包括设置在壳体3上部的弓板连接座1和设置在壳体3下部的受电弓连接件9；所述弓板连接座1用于与所述碳滑板连接，所述受电弓连接件9用于与所述弓架连接。所述弓板连接座1和受电弓连接件9可以基于所连接部件的形状结构调整自身的形状结构，优选的可以为图1中所展示的形式，但并不限于这一示例，在此不再赘述。
34.在一些实施方式中，所述壳体3可以同样用于构成电力传输的回路的一部分，即壳体3同样可以用于实现电力传输。相应的，所述壳体3可以由导电金属材料构成，例如可以由纯铝材料构成。由于本说明书实施例中的受电弓压力传感器本质上是光传感器，壳体3传输电力并不会影响测量结果的准确性，进而无需对传感器进行电隔离处理，从而相较于传统的电子传感器精简了整体结构，保证了压力传感器的小巧和易安装性。
35.所述壳体3内设置有形变结构。形变结构与膜片3.5之间相固定，且形变结构能够基于膜片3.5在第一方向的位移产生第二方向上的形变。由于后续的检测过程主要依据光纤光栅7的中心反射波长的变化量来确定，而光纤光栅7的中心反射波长是在光纤光栅7被拉伸后改变。但膜片3.5受压力产生形变一般是基于收缩的方向产生对应的位移，即直接根据膜片3.5的形变无法对光纤光栅7产生拉伸作用。因此，需要设置形变结构，将由膜片3.5向内收缩的形变位移转换为向外拉伸的形变位移，从而对光纤光栅7造成对应的影响，以实现光纤光栅7的中心反射波长的改变。
36.因此，在所述第一方向一般为垂直方向，在膜片3.5在垂直方向产生向内收缩的形变后，形变结构能够在不同于第一方向的第二方向产生向外扩张的形变，且形变结构在第二方向的形变位移量与膜片3.5的形变位移量之间也具有对应的线性关系，从而保证后续压力监测过程的有效实施。
37.为了保证形变结构能够基于膜片3.5的位移产生对应的形变，所述形变结构可以由弹性金属材料成，在一些实例中，所述弹性金属材料包括不锈钢、碳钢、青铜中的至少一种，实际应用中形变结构也可以采用其他弹性材料，对此不做限制。
38.优选的，为了尽可能扩大形变结构在第二方向的位移量以保证检测结果的准确性，如图3所示，所述形变结构可以为菱形基体8，相应的，所述第二方向为对应于第一方向的垂直方向。
39.相应的，基于图3中的结构示意图，所述菱形基体8可以包括菱形结构体8.3和分别与所述菱形结构体8.3固定的上安装柱8.1、下安装柱8.5、左光纤粘接件8.2、右光纤粘接件8.4。菱形结构在竖直方向或水平方向受到压力后，基于自身的结构特点，在水平方向或竖直方向会对应地产生形变，且两个方向的形变量存在关联关系，保证了对压力的检测效果。
40.上安装柱8.1或下安装柱8.5可以与所述膜片3.5相固定，相应的，没有与膜片3.5相固定的下安装柱8.5或上安装柱8.1可以被固定至其他稳定部件中，例如被固定在壳体3的盖体或横杆6中，避免由于双向产生形变而影响接触压力的检测结果的准确性。左光纤粘接件8.2、右光纤粘接件8.4分别对光纤光栅7的两端进行固定，当菱形结构体8.3受垂直方向的压力而形变后，带动左光纤粘接件8.2和右光纤粘接件8.4朝相互分离的方向位移，从而起到拉伸光纤光栅7的效果。
41.具体的粘接、固定的方式可以根据实际应用的需求进行设置，例如可以采取焊接的方式连接各个部件，对此不做限制。
42.所述光纤光栅7被粘连与所述形变结构内。当形变结构受膜片3.5形变位移作用后，会对光纤光栅7产生拉伸效果，进而改变光纤光栅7的中心反射波长的移动量。且所述中心反射波长的移动量与所述形变结构在第二方向的形变位移量具有线性关系。由于所述膜片3.5的形变位移量与所述受电弓的接触压力具有线性关系，所述形变结构在第二方向的形变位移量与所述膜片3.5的形变位移量具有线性关系，所述光纤光栅7的中心反射波长的移动量与所述形变结构在第二方向的形变位移量具有线性关系，相应的，所述光纤光栅7的中心反射波长的移动量即与所述受电弓的接触压力具有线性关系。通过预先的调试可以确定所述光纤光栅7的中心反射波长的移动量与所述接触压力之间的具体对应关系，从而在获取到光纤光栅7的中心反射波长的移动量后，能够对应确定当前的接触压力大小，基于光传感的原理完成对于接触压力的检测。
43.具体的，所述光纤光栅7所受的拉应力与所述形变结构在第二方向的形变位移量具有线性关系，相应的，所述光纤光栅7的中心反射波长的移动量与所受的拉应力之间具有线性关系，从而使得所述光纤光栅7的中心反射波长的移动量与所述形变结构在第二方向的形变位移量具有线性关系。当所述的光纤光栅7受到的拉应力增大时，会引起光纤光栅7的中心反射波长向长波方向移动，从而保证压力检测的有效实现。
44.此外，为了对光纤光栅7的中心反射波长进行检测，光纤光栅7还可以连接有光缆4，光缆4用于延长所述光纤光栅7，比实现对光纤光栅7的中心反射波长的有效检测。相应的，所述受电弓压力传感器还可以包含有检测模块。检测模块连接光缆4，从而能够有效获取所述光纤光栅7的中心反射波长，并基于预设转换逻辑输出当前检测到的接触压力值。检测模块可以由相应的检测元件和逻辑电路构成，从而实现压力值的输出。具体的实现方式可以根据实际应用的需求进行设置，在此不再赘述。
45.在包含有光缆4的情况下，为了实现光缆4与光纤光栅7的连接，在所述壳体3的侧面还可以设置光缆4安装孔。如图2所示，光缆4安装孔的大小与光缆4的大小相贴合，保证光缆4能够有效接入光纤光栅7的同时，对壳体3内部仍然保持有效封闭。
46.优选的，所述光缆4为铠装光缆4，以提高结构稳定性，减少外部对光纤的干扰。
47.此外，所述光缆4的另一端可以连接尾纤5。尾纤5用于提供对应的连接头，方便检测模块或其他模块对光纤信号的获取，以优化实际应用效果。
48.具体的安装所述铠装光缆4和/或尾纤5的方式可以如图1中所示，也可以基于实际需求采用其他示例，对此不做限制。
49.下面结合上述受电弓压力传感器的结构介绍，利用一个具体的场景示例进行进一步描述。如图4所示，在列车运行过程中，受电弓抬起，使得传感器基于弓板连接座1受到垂直方向的压力。基于受力弓压力传感器的整体结构，在这一压力的作用下，壳体3底部的膜片3.5产生形变，向上产生位移，进而带动菱形基体8的下安装柱8.5向上移动。基于菱形结构体8.3的结构特点，在其垂直方向向内收缩的情况下，菱形结构体8.3的两侧向外扩张，并带动左光纤粘接件8.2和右光纤粘接件8.4在水平方向上扩张，从而对光纤光栅7产生拉伸作用。光纤光栅7在收到拉应力的作用后，自身所对应的中心反射波长改变，根据对于中心反射波长的检测结果以及对应的转换关系，能够直接完成对于受电弓压力传感器所受接触
压力的检测。
50.通过上述实施例和场景示例的介绍，可以看出，所述受电弓压力传感器，通过在壳体上设置膜片，使得膜片能够基于受电弓的受力情况产生对应的形变，进而将形变位移传输至形变结构，再由形变结果将光纤光栅拉伸，使得受电弓的接触压力能够最终转换为光纤光栅的中心反射波长的改变。通过监测光纤光栅的中心反射波长即可有效检测受电弓接触压力的大小。所述受电弓压力传感器本质上是一种光学传感器，本身结构简单，且不受受电弓与接触网之间的高压电的影响，解决了高低压隔离的问题；同时，由于光纤光栅设置于壳体内，保证了光纤光栅不会被外界干扰和损害，确保了传感器应用过程中的安全性，具有较好的实际应用效果。
51.需要说明的是，上述基于光纤光栅的受电弓压力传感器可以应用于高铁接触网监测技术领域，也可以应用至除高铁接触网监测技术领域外的其他技术领域，对此不做限制。
52.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
53.虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。
54.本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
55.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。
56.披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何
属性都是可选的。
57.多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
58.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。