高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置的制作方法

本实用新型涉及高速铁路轨道板监测技术领域，尤其涉及高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置。

背景技术：

随着我国铁路设施建设的迅速发展，新建铁路工程建设项目越来越多，在铁路建设和运营过程中，由于基础不均匀沉降等因素引起的轨道线路中线偏移问题在我国高速铁路轨道运营线路上逐渐显现。为了实现对高速铁路轨道板结构位移纠偏全过程高效率、高精度、高准确性的监测，尽力实现监测过程中少交叉干扰、轨道平面线形实时显示、对干扰和异常自动处理和报警等智能化，就必须对轨道健康安全检测/监测工作。位移纠偏主要是对轨道的的外观和结构性能进行检查评定，纠偏施工中，需要对轨道板结构横向位移进行实时监测，为纠偏方案的实施和调整提供依据。目前对轨道位移偏移监测是通过各种监测设备完成，这些传统检测/监测设备主要存在效率低、检测精度不高、现场安装拆卸慢、容易受外界干扰等问题。而且随着轨道材料结构的复杂化，检测/监测的要求更加高，传统的检测/监测技术手段会暴露越来越多的局限和不足。

综上所述，目前现有的轨道板位移监测技术测量误差大、易受外界干扰、安装拆卸不方便、设备安全性不高的问题。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置，本实用新型中应用到的监测设备安装拆卸快速、便捷、可操作性强。主要是从结构方面进行特别定制，设备结构小型化，可以有效防止施工过程中对设备的无意损坏。此外，由于钢轨上会有运送物料小车经过，因此，不同于传统的设备，本设备安装于钢轨侧面的合适位置，保障了设备安装的牢固性。

根据本实用新型实施例的一种高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置，包括标靶装置、激光能量测距装置和计算机采集处理装置；

所述标靶装置包括接收器、下行轨道、显示器和数字摄像机，所述接收器内设有解算单元和ccd传感器，所述接收器安装在下行轨道侧面，所述接收器与显示器连接；

所述激光能量测距装置包括多组传感器、激光器和上行轨道，所述激光器安装在上行轨道侧面且激光器与接收器对应设置。

优选地，所述接收器包括壳体，所述壳体一侧设有滤光板，所述壳体另一侧安装有后盖，所述后盖上安装有数据输出保护接口，所述壳体内设有解算单元和ccd传感器。

优选地，所述后盖与壳体的连接处环形安装有密封圈及无线传输装置。

优选地，所述标靶装置、激光能量测距装置均与计算机采集处理装置信号连接。

优选地，所述接收器与激光器设置数量相同均为1-200个。

优选地，所述光靶标是由两个平行的线光源和黑色背板组成。

优选地，所述接收器和激光器互相进行无线通信。

优选地，所述接收器和激光器可进行太阳能供电或者电池供电。

优选地，所述接收器和激光器与下行轨道之间均通过磁铁吸合安装。

本实用新型中的有益效果是：本实用新型中应用到的监测设备安装拆卸快速、便捷、可操作性强，主要是从结构方面进行特别定制，设备结构小型化，可以有效防止施工过程中对设备的无意损坏，此外，由于钢轨上会有运送物料小车经过，因此，不同于传统的设备，本设备安装于钢轨侧面的合适位置，保障了设备安装的牢固性，且测量精准度高。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型提出的高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置的设备安装的俯视图；

图2为本实用新型提出的高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置的工作流程图；

图3为本实用新型提出的高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置的安装工作流程图；

图4为本实用新型提出的高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置中接收器的结构图；

图5为本实用新型提出的高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置中的标靶；

图6为本实用新型提出的高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置的设备设备工作原理细化图；

图7为本实用新型提出的高速铁路轨道板结构纠偏系统示意图。

图中：1-数据输出保护接口；2-后盖；3-密封圈；4-壳体；5-解算单元；6-ccd传感器；7-滤光板；8-上行轨道；9-激光器；10-接收器；11-下行轨道、12-光靶标、13-摄像机、14-cpiii测点墩。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

参照图1-7，一种高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置，包括标靶装置、激光能量测距装置和计算机采集处理装置；

标靶装置由用于进行图形取样和量化的接收器10、下行轨道11、显示器和数字摄像机13构成，接收器10内设有解算单元5和ccd传感器6，接收器10安装在下行轨道11侧面，接收器10与显示器连接；

激光能量测距装置由激光器9和上行轨道8组成，激光器9安装在上行轨道8侧面且激光器9与接收器10对应设置；

计算机采集处理装置用来确定像点的精确位置，由物像关系确定标靶的空间位置。

接收器10包括壳体4，壳体4一侧设有滤光板7，壳体4另一侧安装有后盖2，后盖2上安装有数据输出保护接口1，后盖2与壳体4的连接处环形安装有密封圈3，壳体4内设有解算单元5和ccd传感器6，激光器9发射的光为可见光或不可见光，接收器10与激光器9设置数量相同均为1-100个，光靶标12是由两个平行的线光源和黑色背板组成，接收器10和激光器9与下行轨道11之间均通过磁铁吸合安装。

方法步骤如下：

s1：激光器9能量进入滤光板7后，ccd传感器6采集激光器9图像，解算单元5进行相关解算；

s2：解算后当高速铁路轨道板结构位移纠偏在载荷因素作用下位移发生变化，标靶亦随高速铁路轨道板结构纠偏产生等量的位移。

本实用新型是进行将照射能量转换为数字图像的传感器配置，通过将输入的电能和对特殊类型检测能源敏感传感器材料相组合，把输入能源转化为电压，输出电压波形是传感器的响应，通过把传感器输出响应数字化，从每一个传感器得到一个数字量。单个传感器带更常使用的几何结构是由内嵌感应器形式组合而成的传感器带，该传感器带在在一个方向上提供成像单位，垂直于传感器带的运动在另一个方向上成像。这整个感知设备带能内嵌4000或者更多传感器。上述是该实用新型使用接收器10与发射器端传感器组合。

当外借能量(激光可见光或者不可见光)直射到接收器10端，接收器10进行图形取样和量化，接收器10接收到发射端的能量后，接收器10进行一幅连续图像读取，该幅图像的x轴和y轴坐标以及幅度连续。再将进行数字形式，数字化过程需要进行相关灰比度、空间滤波、离散型数字整合以及区域和边界方面的融合。

高速铁路轨道板结构位移纠偏监测装置主要由标靶装置、激光能量测距装置和计算机采集处理装置几部分组成，光标靶由水平放置的线状光源构成，通常固定在高速铁路轨道板结构待纠偏点上；数字摄像机13固定在稳定的机械装置上，光标靶通过摄像机13的长焦光学系统成像在数字摄像机13的光敏面上，计算机通过图像采集卡从摄像机13采集光标靶的像，经过图像处理识别以此来确定像点的精确位置，最后由物像关系确定光标靶的空间位置。当高速铁路轨道板结构位移纠偏在载荷因素作用下位移发生变化，光标靶亦随高速铁路轨道板结构纠偏产生等量的位移。

设在t1时刻，光标靶的位置为o(t1),其中心坐标为(x(t1),y(t1)),镜头放大倍率为β，在t2时刻，光标靶的位置为o(t2)，其中心坐标为(x(t2),y(t2))；同时，在采集到的数字图像上，像点相应地从o′(t1)，坐标为(m(t1),n(t1))，移动到o′(t2)，坐标为(m(t2),n(t2))。

假设数字摄像机13的像元大小为pmm×pmm,像元间距为pmm，则由几何光学成像原理可知，高速铁路轨道板结构纠偏的挠度变化量为：

其中：像元间距p是由摄像机13决定的，镜头的放大倍率β可以通过标定获得。如果已知不同时刻光标像点的位置(m(t1),n(t1))、(m(t2),n(t2))，就可根据式2.1-1、式2.1-2计算高速铁路轨道板结构纠偏两维位移变化变化，由于高速铁路轨道板结构纠偏有竖向、横向、纵向位移，本阐述中值就竖向进行阐述即δy，其他原理相似。

实际的高速铁路轨道板结构纠偏成像系统的靶标是由两个平行的线光源和黑色背板组成，如图5。

传统上常用灰度加权重心算法来计算光标靶上的中心位置，则靶标中心两个线光源的重心坐标为：

式中：j为线光源区重像元的纵坐标；f(i,j)为像元的灰度值，光标靶上的中心位置坐标为：

由式2.1-1、2.1-2可知，挠度测量的关键就是确定发光靶标12在摄像机13像面上的成像点o′(t1)、o′(t2)、及由此导致的其在垂直方向的位置变化量δy，为了确定这个变化量δy，发光靶标12成像点o′(t1)和o′(t2)应能够被摄像机13的光敏面识别，因此发光靶标12的成像点在摄像机13像面上的照度必须要大于摄像机13光敏面的灵敏阈，而且由于背景在外界光照下将产生漫反射，当背景的漫反射光进人摄像机13的光学系统成像后，会使发光靶标12和背景物成像的对比度降低，为了合理构建整个系统，必须对天气对测量的影响、系统的发光靶标12在摄像机13像面处的像面照度、成像对比度等影响因素及光度学特性进行分析，以利对系统的设计优化提供依据。

在进行高速铁路轨道板结构纠偏位移测量时，背景一般为铁路钢轨、cpiii测点墩14以及周围地面等，它们可近似认为是反射率ρb可知的漫反射体,因此在外界光照度为ee时，它们产生的环境亮度lb为：

由于背景为漫反射体，即余弦辐射体，因此背景所成像在像面上的照度从可以根据式2.4-2计算：

对于一个位数为8位的a/d转换器，在进行像点的灰度值设定时，是将饱和照度下的像点的灰度值设定为255，灵敏闭照度时像点的灰度值设定为1，而将灵敏阈照度以下的像点的灰度值设定为0，因此，发光靶标12的像点的灰度值g0和背景的像点的灰度值gb分别为：

由于数字摄像机13光敏面的灵敏阈一般为勒克斯的数量级，则式(劝可简化为：

图像中发光靶标12的像点与背景的灰度反差，称为对比度，对于数字摄像机13而言，其光敏面上发光靶标12的像点与背景的对比度可表示为：

将式2.4-2和式2.4-2代入2.4-7可得：

由对比度的定义，若发光靶标12和背景成像的对比度越大，则发光靶标12和背景的反差越大，发光靶标12和背景越容易区分,因此，发光靶标12和背景成像的对比度应大于某一个阈值cg,否则将不能把发光靶标12和背景区分开。

由式2.4-8得到，由于背景的反射率ρb和外界光照度ee是无法人为选择与改变的，因此，在外界光照强烈(即ee大)的情况下，要提高系统的成像对比度c，只能通过提高发光靶标12的亮度l来实现，若后续图像处理系统能正确获取发光靶标12图像所需的对比度阈值为cg,强烈的背景亮度为lb，则由式2.4-8可得发光靶标12的亮度l必须满足下列条件：

由式2.4-9可以看到，对于同一个发光靶标12，当外界光照度增大时，成像的对比度将急剧降低。因此，要在此条件下获得足够的对比度，就必须要求发光靶标12具有很高的亮度。例如，当强烈的日光直射时，外界照度可高达1.24×10⁵1x，若假设背景的反射率为0.2，则可计算出背景的亮度为7894cd/m²,若假设对比度阈值cg取为0.2，则可计算出发光靶标12的亮度必须大于11841cd/m²，而这样高亮度的光源在实际中往往无法得到，因此在强烈的日光直射下，简单采取提高发光靶标12亮度l的方法是行不通的，必须寻求另外的途径来解决。

由于日光照射使得背景物的亮度lb增加，但发光靶标12的亮度l保持不变，就导致了发光靶标12的成像对比度c下降，但如果发光靶标12的亮度l能够像背景的亮度lb一样随着日光照度ee的增加而增加，则就能保持发光靶标12的成像对比度c不变。为此，可考虑采用一种反射率远高于背景反射率ρb的材料形成的反光靶标12来代替发光靶标12，这样，当外界光照使背景亮度lb提高的同时，也将使反光靶标12的亮度l提高，从而可避免由于强烈光照使成像对比度减小的问题.对反光靶标12来讲，反射率是其关键指标。假设反光靶标12为一个反射率为ρr的漫反射体，则当外界在反光靶标12处的照度为ee时，其产生的亮度lr和它在摄像机13像面处的成像照度er分别为：

由式2.5-7可知，此时反光靶标12和背景在摄像机13像面处的成像对比度c为：

只有当成像对比度c大于某一阈值cg时，才能进行后续图像处理、求出反光靶标12的位置，根据式2.5-12，确定反光靶标12反射率ρr必须满足的条件是：

假设背景物的反射率为0.2，则根据式2.5-13，当选择反光靶标12的反射率ρr＝0.6时，对比度可达到0.5，这样可完全满足对反光靶标12和背景的成像对比度要求。

在阴天外界光照条件ee不太强时、甚至夜间光照条件ee极弱的条件下，反光靶标12在摄像机13像面所成像点的照度e′r都必须高于数字摄像机13光敏面的灵敏阈eg,因此根据式2.5-2和式2.5-1可知，反光靶标12的反射率ρr还必须满足式：

为了能够在阴天无强光、晴天强日光直射的不同极限条件下，既满足成像的对比度要求、又满足成像的灵敏度要求，反光靶标12的反射率ρr必须由式2.5-13和式2.5-14同时确定。

考察式2.5-13和式2.5-14可知，式2.5-13完全可以确定一个值，满足白天强光照条件下的光度要求。但式2.5-14中，外界光照在反射靶标处的照度ee是一个很小的数值，这可能使得分母可能接近甚至小于分子，显然这两个反射率要求中，只有强光照射条件下的前一个能够保证，而弱光条件下的后一个则难以保证。因此反射靶标只适合在晴天强烈的日光照射下使用，而不适合在夜间外界光照很弱的阴天、夜间条件下使用。但与之相反，发光靶标12则只适合在夜间外界光照很弱的阴天、夜间条件下使用，不适合在晴天强烈的日光照射下使用。因此要满足高速铁路轨道结构位移纠偏全天候的监测要求，就必须采用两者的组合，即白天采用反光靶标12、夜间采用发光靶标12，且反光靶标12的反射率、发光靶标12的发光亮度分别满足式2.5-13及2.5-9。由于传统的光电成像挠度监测方法只考虑了发光靶标12，而没有采用反射靶标，因此传统的方法中在选择发光靶标12的发光亮度时，不仅要考虑到摄像机13光敏面的灵敏阂，更主要的是要考虑到应满足强烈光照条件下的对比度，而此时的发光亮度往往比只考虑满足摄像机13光敏面的灵敏阈时的发光亮度高很多。

本实用新型中应用到的监测设备安装拆卸快速、便捷、可操作性强。主要是从结构方面进行特别定制，设备结构小型化，可以有效防止施工过程中对设备的无意损坏。此外，由于钢轨上会有运送物料小车经过，因此，不同于传统的设备，本设备安装于钢轨侧面的合适位置，保障了设备安装的牢固性。

以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。