專利名稱：一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置、系統及其方法
一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置、系統及其方法技術領域
本發明屬于光學和幾何位置測量技術領域，涉及一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同 時測量裝置與方法。
背景技術：
無縫線路是鐵路技術發展的大趨勢。由于溫度變化，鋼軌內會存儲相應的縱向溫 度應力。在天熱時可能脹軌跑道，在天冷時可能拉斷鋼軌，都可能使運行通過的列車脫軌或 顛覆，造成重大列車事故。因此，鋼軌位移與溫度應力測量在無縫線路安全檢測及監測中 起著重要作用，有必要對監測無縫線路的位移與溫度應力進行二十四小時不間斷的遠程監 測。
目前，國內外最常用的無縫鋼軌的溫度應力測量方法為位移觀察樁方法，該方法 存在檢測效率低、檢測誤差大、不易及時發現問題等缺點。專利號為ZL 99214444. 2的中國 實用新型專利《鋼軌位移觀測儀》中，測量裝置的測量精度只能達到士 1mm。另外，在專利號 為ZL 02262271. 3的中國實用新型專利“鋼軌位移觀測裝置”中，提供了借助激光進行測量 的技術解決思路，可使測量極限誤差小于1mm，但仍需人工操作，測量精度有限，且不能實現 自動測量。
為此，我們發明了一種《利用激光自動監測鋼軌參數的裝置、系統及其方法》(專利 號ZL 200610113287. 4)。該發明使用激光自動測量鋼軌的位移，并將測量數值通過無線通 信網絡傳送到中央處理單元，從而實現對觀察點位移和溫度應力的遠程監測，但由于需要 在鋼軌上安裝鋼軌位移測量單元，這些測量單元具有一定的重量和大小，容易受鋼軌振動 而脫離，造成測量失敗。
為此，我們又發明了一種《鋼軌參數自動測量裝置、系統及其方法》(申請號 200910087168. X)。該發明不需要在鋼軌上安裝鋼軌位移測量單元，但只能測量鋼軌縱向位 移，測量參數不夠全面。發明內容
本發明的目的是，針對目前已發明的鋼軌參數自動測量裝置、系統及其方法中存 在的缺陷，提出一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置、系統及其方法。
為實現上述的發明目的，本發明采用下述的技術方案
一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置，包括標記、鋼軌位移測量單元、軌邊 固定樁和中央處理單元，鋼軌位移測量單元和中央處理單元之間以有線或無線方式進行連 接；鋼軌位移測量單元除包括成像透鏡、光電位置探測器、信號處理電路、電源模塊、通信模 塊、安裝盒、光源補償器、支架、第二窗口玻璃、第三窗口玻璃；
其特征在于鋼軌位移測量單元還包括半導體激光器和第一窗口玻璃；半導體激 光器由支架固定在所述安裝盒內部右端，激光出射端緊貼嵌入安裝盒前壁右邊的第一窗口 玻璃并與之共軸，另一端與所述信號處理電路相連；5
鋼軌位移測量單元安裝在軌邊固定樁上，調節鋼軌位移測量單元至最佳位置；所述鋼軌位移測量單元的最佳位置滿足三個條件(1)使得標記通過所述安裝盒 的第二透明窗口后，經過成像透鏡成像于光電位置探測器時滿足近軸條件；( 使得光源 補償器出射光照射到標記；C3)使得半導體激光器出射到鋼軌上的光點，通過所述安裝盒 的第二透明窗口后，經過成像透鏡成像于光電位置探測器時滿足近軸條件。一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量方法，包括下列步驟步驟1 安裝無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置；步驟2 光源補償器根據外界光強調整發光強度，對標記進行補光；步驟3 初始測量，所述標記與所述半導體激光器出射到鋼軌上形成的光點在鋼 軌上的初始位置分別為A” B1，所述標記與所述光點依次在光電位置探測器上成像，由信號 處理器依次對光電位置探測器的輸出信號進行處理，分別得出所述標記與所述光點的像在 光電位置探測器上的初始位置A/ ,B1'，將所得數據通過通信模塊送入中央處理單元；步驟4 縱向位移實時測量，當所述鋼軌存在縱向位移H1時，所述標記在鋼軌上的 位置由A1變為A2，所述標記的像在光電位置探測器上的位置由A1'變為A2'，由信號處理 器得出標記的像在光電位置探測器上的實時位置A2'，將所得數據通過通信模塊送入中央 處理單元；步驟5 橫向位移實時測量，當所述鋼軌存在橫向位移H2時，所述半導體激光器出 射到鋼軌上形成的光點在鋼軌上的位置由B1變為4，所述光點的像在光電位置探測器上的 位置由B/變為，由信號處理器得出光點的像在光電位置探測器上的實時位置B2'， 并將所得數據通過通信模塊送入中央處理單元；步驟6 由步驟3到步驟5分別得到的標記與所述半導體激光器出射到鋼軌上形 成的光點在探測器上的像的初始位置A/ ,B1'和實時位置A2' ,B2'，在中央處理單元中，
根據透鏡成像公式
權利要求
1.一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置，包括標記(I)、鋼軌位移測量單元 (III)、軌邊固定樁(IV)和中央處理單元(VI)，鋼軌位移測量單元(III)和中央處理單元 (VI)之間以有線或無線方式進行連接；鋼軌位移測量單元(III)包括成像透鏡(1)、光電 位置探測器(3)、信號處理電路0)、電源模塊(5)、通信模塊(6)、安裝盒(7)、光源補償器 (8)、支架(12)、第二窗口玻璃(10)、第三窗口玻璃(11)；其特征在于鋼軌位移測量單元(III)還包括半導體激光器( 和第一窗口玻璃(9)； 半導體激光器O)由支架(1 固定在安裝盒(7)內部右端，激光出射端緊貼嵌入安裝盒 (7)前壁右邊的第一窗口玻璃(9)并與之共軸，另一端與信號處理電路(4)相連；鋼軌位移測量單元(III)安裝在軌邊固定樁(IV)上，調節鋼軌位移測量單元(III)至 最佳位置；鋼軌位移測量單元(III)的最佳位置滿足下述三個條件使得標記(I)通過安 裝盒(7)的第二透明窗口(10)后，經過成像透鏡(1)成像于光電位置探測器C3)時滿足近 軸條件；使得光源補償器(8)出射光照射到標記(I)；使得半導體激光器O)出射到鋼軌 (II)上的光點，通過安裝盒(7)的第二透明窗口(10)后，經過成像透鏡⑴成像于光電位 置探測器( 時滿足近軸條件。
2.一種如權利要求1所述的無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量方法，其特征在于所述 方法包括以下步驟步驟1 安裝無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置；步驟2 光源補償器(8)根據外界光強調整發光強度，對標記(I)進行補光，該步驟在 不需要進行陰天、夜間或者特殊環境下(比如日食、雨霧、沙塵等天氣)測量時可以省去；步驟3 進行初始測量，標記(I)與半導體激光器O)出射到鋼軌(II)上形成的光點 在鋼軌上的初始位置分別為Ap B1，標記(I)與光點依次在光電位置探測器C3)上成像，由 信號處理器(4)依次對光電位置探測器(3)的輸出信號進行處理，分別得出標記(I)與半 導體激光器(1)出射到鋼軌(II)上形成的光點的像在光電位置探測器C3)上的初始位置 A1' ,B1'，將所得數據通過通信模塊(6)送入中央處理單元(VI)；步驟4:縱向位移實時測量，當鋼軌(II)存在縱向位移H1時，標記⑴在鋼軌(II)上 的位置由A1變為A2，標記⑴的像在光電位置探測器(3)上的位置由A1'變為A2'，由信 號處理器(4)得出標記(I)的像在光電位置探測器C3)上的實時位置A2'，并將所得數據 通過通信模塊(6)送入中央處理單元(VI)；步驟5 橫向位移實時測量，當鋼軌(II)存在橫向位移H2時，半導體激光器⑵出射到 鋼軌(II)上形成的光點在鋼軌上的位置由B1變為化，光點的像在光電位置探測器(3)上 的位置由B/變為化‘，由信號處理器(4)得出標記(I)的像在光電位置探測器(3)上的 實時位置化‘，并將所得數據通過通信模塊(6)送入中央處理單元(VI)；步驟6:由步驟3到步驟5分別得到的標記⑴與半導體激光器(2)出射到鋼軌(II) 上形成的光點在探測器上的像的初始位置A1' ,B1'和實時位置A2' ,B2'，在中央處理單元(VI)中，根據透鏡成像公式原理| + + = |、三角公式、三角形各邊之間的關系以及H/ =A1' -A2' ,H2' =B1' -B2'，計算出標記(I)與鋼軌位移測量單元(III)沿(V \ ,鋼軌(II)縱向方向相對位置的變化量代=-H1以及半導體激光器(2)出射到鋼軌(II)上形成的光點與鋼軌位移測量單元( 沿鋼軌(II)橫向方向相對位置的變化量H2=^&_，從而得到鋼軌(11)的縱向與橫向位移數據。i-SinB1 + H2 -CosB1 -sin92
3.根據權利要求2所述的一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量方法，其特征在于 Ap BJi置可以重合。
4.一種無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量系統，包括兩個或者兩個以上的無縫鋼軌縱 向、橫向位移同時測量裝置，同樣數量的鋼軌溫度自動測量單元和一個共用的中央處理單 元(VI)，其特征在于每兩個無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置組成無縫鋼軌縱向、橫 向位移同時測量裝置組，每組無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置組中包括兩個鋼軌溫 度自動測量單元(V、V’)，且鋼軌溫度自動測量單元(V、V’ )與對應的無縫鋼軌縱向、橫向 位移同時測量裝置的通信模塊(6)和電源模塊( 相連，所有無縫鋼軌縱向、橫向位移同時 測量裝置的通信模塊(6)共用同一個中央處理單元(VI)，且所有通信模塊(6)與中央處理 單元(VI)通過有線或者無線方式連接；鋼軌溫度自動測量單元(V、V’)以粘接或機械連接 方式固定在鋼軌(II)上；本系統在測量鋼軌的縱向、橫向位移的同時，還能夠自動尋找到 鋼軌的最大溫度應力地段，避免事故的發生。
5.一種如權利要求4所述的無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量系統的測量方法，所述 方法包括下列步驟步驟1 選取無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量系統中的一組無縫鋼軌縱向、橫向位移 同時測量裝置組，將其中的兩個無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置分別記為第一無縫 鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置和第二無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置；步驟2 在任意時刻，利用第一無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置的鋼軌位移測量 單元(III)測量得到該處軌邊固定樁(IV)和鋼軌(II)之間沿鋼軌縱向方向、橫向方向的 相對位置；步驟3 與步驟2同一時刻，利用第二無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置的鋼軌位 移測量單元(III)測量得到該處軌邊固定樁(IV)和鋼軌(II)之間沿鋼軌縱向方向、橫向 方向的相對位置；步驟4 與步驟2同一時刻，鋼軌溫度自動測量單元(V)測量得到該處鋼軌(II)的溫 度數值；步驟5 通過第一無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置和第二無縫鋼軌縱向、橫向位 移同時測量裝置的通信模塊(6)，分別將步驟2、步驟3和步驟4測得的數據傳送到中央處 理單元(VI)；步驟6 在步驟2選取的時刻之后的任意時刻，利用第一無縫鋼軌縱向、橫向位移同時 測量裝置的鋼軌位移測量單元(III)測量得到該處軌邊固定樁(IV)和鋼軌(II)之間沿鋼 軌縱向方向、橫向方向的相對位置；步驟7 與步驟6同一時刻，利用第二無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置的鋼軌位 移測量單元(III)測量得到該處軌邊固定樁(IV)和鋼軌(II)之間沿鋼軌縱向方向、橫向 方向的相對位置；步驟8 與步驟6同一時刻，鋼軌溫度自動測量單元(V、V’)測量得到所在處鋼軌(II) 的溫度數值；步驟9 通過第一無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置和第二無縫鋼軌縱向、橫向位 移同時測量裝置通信模塊(6)，將步驟6和步驟7和步驟8測得的數據傳送到中央處理單元 (VI)；步驟10 中央處理單元(VI)對兩個不同時刻的兩組無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量 裝置傳送的數據進行處理，得到兩個無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置對應長度的長 度變化AL，以及兩個不同時刻的鋼軌溫度的變化值ΔΤ，按照公式Qt= (a XAT-AL/ L) XE計算得到兩組無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置之間鋼軌溫度應力。其中α為 鋼軌的線膨脹系數，約為11.8X10_6/°C ；E為鋼軌的彈性模量，約為2. 1 XlO5MPa5L為兩個 鋼軌參數自動測量裝置對應初始長度。
全文摘要
本發明涉及一種鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置、系統及其方法，屬于光學和幾何位置測量技術領域。本裝置包括標記、鋼軌位移測量單元、軌邊固定樁和中央處理單元，通過測量標記和半導體激光器出射到鋼軌上形成的光點不同時刻在鋼軌上位置的變化，可分別測得待測點鋼軌的縱向和橫向位移數據，并將測量數值通過無線通信網絡傳送到中央處理單元，從而實現對觀察點位移的遠程監測。采用兩個或者兩個以上的無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量裝置，同樣數量的鋼軌溫度自動測量單元和一個共用的中央處理單元組成的無縫鋼軌縱向、橫向位移同時測量系統，在測量鋼軌的縱向、橫向位移的同時，還能夠自動尋找到鋼軌的最大溫度應力地段，避免事故的發生。
文檔編號G01L1/00GK102042808SQ201010534488
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者馮其波, 楊婧 申請人:北京交通大學