用于轨枕识别定位及扣件缺陷检测的探测系统的制作方法

本实用新型涉及一种探测系统，尤其涉及一种用于轨枕识别定位及扣件缺陷检测的探测系统，该探测系统基于激光测距实现。

背景技术：

铁路线路通常由钢轨、轨枕、扣件、挡板座等部件组成，其中，轨枕作为直接支承钢轨的部件，既需要要保持钢轨的位置，防止出现轨道出现平顺的情况，又需要把钢轨传递来的巨大压力再传递给道床，防止钢轨出现形变的问题。因此，实现轨枕识别和定位对铁路的安全运行有着重要的意义。

目前，轨枕的识别方式主要包括红外识别技术、超声波识别技术和接近开关识别技术等。其中，红外识别技术和超声波识别技术的成本高，技术相对复杂，而且都采用模拟量输入，进一步提高了系统复杂度，并大大降低了系统的稳定性与可靠性。而，接近开关识别技术检测在检测有砟轨道时，因轨枕和道砟介电常数相差无几，会给测量带来很大的干扰，此外，接近开关与道砟的碰撞也会对测量产生影响。

除轨枕外，扣件作为连接钢轨和轨枕两者之间的重要部件，在固定钢轨的正确位置,阻止钢轨的横向或纵向的位移，防止钢轨的倾翻等方面起着非常重要的作用。在实际运行的铁路线路中，扣件的缺陷，如丢失或断裂，都会极大地影响列车的行车安全。因此，如何及时地发现并更换存在缺陷的扣件在整个铁路线路检测中是一件非常重要的工作。

目前，我国在扣件缺陷检测方面依然是以人工巡道的方式为主，该方法对工人而言劳动强度大、效率低下，检测结果易受自然条件以及工人主观条件的影响。近几年工业界出现了利用图像处理的方式来进行扣件检测，但轨道上环境恶劣，图像处理方式受外界的噪声干扰十分严重，这对扣件缺陷检测方面有了更高的要求。

目前的轨枕识别定位和扣件缺陷检测通常都需要两套系统完成，这提高了检测仪器的制造成本。

因此，有必要设计一种探测系统，能在轨道的复杂环境下同时对轨枕和扣件进行有效检测。

技术实现要素：

针对以上不足，本实用新型提供一种基于激光的用于轨枕识别定位和扣件缺陷检测的探测系统。

本实用新型通过以下方案达到上述目的：

用于轨枕识别定位及扣件缺陷检测的探测系统，包括激光测距系统、编码里程轮、控制器和上位机，所述编码里程轮与控制器连接，所述激光测距系统和控制器连接，所述上位机与控制器连接，其中，所述编码里程轮将里程信号传输给控制器，所述控制器根据编码里程轮传输的里程信号控制激光测距系统的采样，并且激光测距系统将采样数据传输给控制器，所述控制器将采样数据传输给上位机，所述上位机处理数据。

其中，上述探测系统以轨检小车为载体。

所述激光测距系统包括激光位移传感器和与传感器相连的传感器保护装置。

所述激光位移传感器用于测量传感器到正下方物体的距离，并将测量数据传输给控制器。

其中，所述激光位移传感器安装于载体底部。

由于轨枕的材质多为混凝土、国内常用的扣件是铸铁制作等因素，优选的，所述激光位移传感器采用漫反射安装模式的宽光点型传感器，适于进行粗糙物体测量。

为去除多余数据、减小上位机数据处理量，优选的，所述激光位移传感器的测量范围大于传感器安装位置到轨枕顶面的距离，小于传感器安装位置到道床的距离。

在一个优选的实施例中，所述激光位移传感器采用漫反射安装模式的宽光点型传感器，所述激光位移传感器的测量范围大于传感器安装位置到轨枕顶面的距离，小于传感器安装位置到道床的距离，允许的测量温度范围要满足作业现场当地的温度状况，取样频率需根据轨检小车的行进速度进行选择。

所述传感器保护装置是为应对铁路轨道线上的恶劣环境，保证传感器正常工作。

所述编码里程轮与轨检小车的车轮相连，测量车子行驶距离，将测得的车子行驶距离计算为触发脉冲传输给控制器从而向控制器提供激光测距系统的采样频率。

其中，所述的编码里程轮尺寸、线数等参数的选择根据激光位移传感器的采用频率来进行选择。

所述控制器为直接控制本系统的设备和/或获取系统的设备状况的装置，包括单片机。

所述控制器安装在轨检小车上，一方面用于控制激光位移传感器的采样过程包括采样频率，一方面对激光位移传感器的采样数据进行收集处理并发送至上位机。

所述上位机处理数据是指上位机通过对测量数据的整理计算判断测量区间轨枕是否存在、扣件是否存在缺陷等。

优选的，所述上位机处理数据包括计算测量数据的平均值、计算轨枕与里程的关系，计算测量区间的轨枕个数、扣件缺陷的轨枕号及对应的里程。

所述上位机还可对控制器发出控制激光测距系统采样频率的指令。

优选的，所述上位机还包括电子显示屏，可以对计算或判定后的结果进行显示。

例如，在一个优选的实施例中，所述上位机通过调节控制器的参数从而控制激光位移传感器的采样频率。

在一个优选的实施例中，所述上位机为轨检小车所有探测系统共用，而不是一个探测系统使用一个上位机，在上位机中编程写入每个子系统的系统控制和数据处理软件。

其中，轨枕与里程的位置关系、扣件缺陷识别关系通过上位机的软件算法自动实现。

在一个优选的实施例中，基于激光测距的用于轨枕识别定位及扣件缺陷检测的探测系统将安装在轨检小车上，包括激光测距系统、编码里程轮、控制器和上位机，激光测距系统安装于轨检小车的底部，包括激光位移传感器和传感器保护装置，激光位移传感器用于测量传感器到正下方物体的距离，并将测量数据传输给控制器；传感器保护装置是为应对铁路轨道线上的恶劣环境，保证传感器正常工作；激光位移传感器由控制器控制，与系统控制器双向传输，编码里程轮与轨道检测小车的车轮相连，能够测量小车行驶距离，并与系统控制器相连，根据测得的小车行驶距离为控制器提供采样触发脉冲，从而使系统控制器能控制激光位移传感器的采样间隔，控制器安装在轨检小车载体上，由单片机构成，一方面用于控制激光位移传感器的采样过程，一方面对传感器的测量数据进行收集处理并发送至上位机，上位机用于接收经过控制器处理后的测量数据，能计算一段间内测量的平均高度，并通过内置软件生成检测结果，结果包含轨枕与里程的关系，测量区间轨枕个数，扣件缺陷的轨枕号及对应的里程；工作人员还可通过上位机对控制器发出指令，调节控制器参数从而控制激光位移传感器的取样频率。

采用上述方案时，整个系统主要安装在轨检小车底部，钢轨轨面上方。

例如，在一个优选的实施例中，检测之前，工作人员根据现场测量条件(如装置运行速度等)通过上位机设置系统的取样参数，当轨道检测装置开始运动时，与装置车轮相连的编码里程轮随之开始工作，在里程轮转过一圈的距离中，里程轮将产生数量等于其线数的触发脉冲输送给控制器，作为控制器控制激光位移传感器取样的依据，系统控制器接收到来自里程轮的脉冲，根据预先的设置，接受若干数量个里程轮的触发脉冲后，向激光传感器发送一个取样脉冲，激光位移传感器接收到控制器的取样指令后，传感器内部的激光二极管向被检测的物体发射激光脉冲,经被测物体反射之后,激光脉冲就会向各个不同的方向发生散射现象,其中的一部分散射光线会返回至激光传感器的接收；通过以上过程传感器记录并处理从激光脉冲的发出到散射光线返回到激光传感器的接收器所经过的时间,从而可确定出目标位置与传感器之间的距离；得到正下方物体距离激光位移传感器距离的数据后，传输给控制器进行处理，系统控制器接受数据，进行收集处理后发送至上位机，上位机软件对收到的数据进行计算、汇总，输出参考数据和检测结果例如结果图等。

所得数据在上位机中以数字和坐标图的形式展现，测得的数字为0时说明此时的传感器位于道床的上方；测得的数据不为0时说明传感器的下方有轨枕，具体情况可以依据坐标图来判断。坐标图横坐标是轨道检测装置行进的里程数，单位为米；纵坐标是激光位移传感器测得的传感器到正下方物体的距离，单位为毫米；进一步优选的，为使直观展示测量结果，方便工作人员查阅，所有的坐标点经过处理标在第四象限。其中，坐标图能直观的显示出扣件、轨枕和道钉的状态，上位机软件能根据坐标图通过算法判别出轨枕的位置、扣件是否出现断裂、缺失，道钉是否出现缺失等情况。

综上所述，基于现有技术缺陷，本实用新型提供了一种探测系统，本系统安装在轨检小车上，利用激光测距原理测量激光位移传感器至正下方线路装备的距离，根据不同线路装备的测量结果差异进行轨枕识别，通过比对被测扣件成像图与正常扣件成像图来实现扣件缺陷探测，轨枕与里程的位置关系、扣件缺陷识别通过上位机内置的软件算法自动实现，从而实现轨枕识别和扣件缺陷的诊断。

本实用新型的探测系统在保证了设备可靠和测量结果有效性的前体下，将现有技术中需要采用的两套测量系统简化成了一套探测系统，大大简化了设备结构，可便捷安装在轨道检测装置上，实用方便，适用性广。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式的探测系统的连接示意图；

图2为本实用新型具体实施方式的探测系统使用时安装的结构示意图；

图3为本实用新型具体实施方式的探测系统在检测正常轨道时的检测结果图；

图4(a)为本实用新型具体实施方式的探测系统在轨道扣件出现断裂时的检测结果图；

图4(b)为本实用新型具体实施方式的探测系统在轨道扣件出现缺失时的检测结果图；

图4(c)为本实用新型具体实施方式的探测系统在轨道道钉出现缺失时的检测结果图；

其中：1-轨检小车；2-编码里程轮；3-控制器；4-激光位移传感器；5-道钉；6-扣件；7-轨枕。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本实用新型进行进一步说明。

如图1所示为一种用于轨枕识别定位及扣件缺陷检测的探测系统，由激光测距系统、编码里程轮、控制器和上位机组成，控制器分别与激光测距系统、编码里程轮和上位机相连，由此组成了本实用新型实施例的探测系统。

在上述探测系统中，控制器作为整个系统的关键，编码里程轮将数据传输给控制器，控制器根据编码里程轮传输的数据控制激光测距系统的采样，激光测距系统将采样数据传输给控制器，然后控制器再将采样数据传输给上位机，由上位机对数据进行处理，利用算法等进行轨枕的识别定位、扣件缺陷检测。

如图2所示，基于激光测距的用于轨枕识别定位及扣件缺陷检测的探测系统安装在轨检小车1上，其中编码里程轮2安装于轨检小车内与车轮和系统控制器3相连；系统控制器3由单片机系统构成，固定在轨道检测装置1上，与编码里程轮2、上位机(图中未示出)和激光位移传感器4(传感器保护装置未图示)相连，接收数据、传输信号；激光位移传感器4置于轨检小车1底部、轨道上方，在工作时测量激光位移传感器4到正下方铁轨器件包括道钉5、扣件6、轨枕7的之间间的距离。

本系统的工作过程包括：

第一步：打开电源，启动上位机，依据轨检小车1的速度、编码里程轮2的参数以及激光位移传感器4的采样频率输入控制指令，确定取样频率，完成系统的初始化工作。

第二步：当轨检小车1沿图2箭头所示方向行进时，编码里程轮2开始编码计数，在轨检小车1行驶过编码里程轮2尺寸大小距离的过程中，编码里程轮2对控制器3发出与其线数相等的脉冲个数，为控制器3提供取样依据；根据工作之前设置的控制指令，控制器3在接受编码里程轮2若干个脉冲信息便对激光位移传感器4发送一个触发脉冲，触发激光位移传感器4进行取样工作。

第三步：激光位移传感器4在接收到触发脉冲后，向正下方发射激光脉冲，发射的激光脉冲遇到被测物体后发生漫反射，部分光线反射后会射到激光位移传感器4的光学传感器处，从而被检测到，光速约为3x10⁸m/s，根据激光脉冲从发出到发射回光学传感器处的时间，即可计算出激光位移传感器4到被测物体间的距离，测得的数据传输到系统控制器3处理后转至上位机存储，完成了系统的测量过程。

第四步:传至上位机的数据经过收集处理后，以数字和坐标图两种形式显示在上位机的电子显示屏上，供检测的工作人员参考。

为使工作人员能更直接的对轨枕和扣件的状态进行诊断，所有的数据进行取负数处理，将数据集中在坐标图的右下方，也就是第四象限进行显示，如图3所示。

在系统完成了上述步骤后，工作人员可通过检测结果进行轨枕识别和扣件缺陷诊断工作。

图3显示的是轨道各部件正常时上位机所呈现的图像。由于道钉7、扣件8和轨枕9等装备在激光位移传感器4的探测范围内而道床不在，因此出现如图3中图形的地方表明这个地方有轨枕，显示为0的区域表明这个地方是轨枕之间的间隙，也就是道床部分。图3的图形中最上端的部分对应装备中的道钉7，中间的曲线部分对应装备中的扣件8，最底端的部分对应装备中的轨枕9。铁路上的扣件7是一种有着特殊形状的装置，其正常情况下在上位机上的成像如图3中曲线所示。

而，图4(a)、图4(b)和图4(c)显现的是扣件异常情况下上位机上呈现的检测结果。通过与图3的对比，可以清楚的看到图4(a)中右半部分曲线缺失，这表明该处的扣件出现了断裂的情况；图4(b)中的整个曲线缺失，这表明该处出现了扣件缺失的情况；图4(c)中曲线正常但图像最上部分出现了缺失，这表明该处轨枕上虽然扣件正常，但出现了道钉缺失的情况，扣件不能正常工作。

综上所述，利用该系统进行检测，通过上位机显示器上检测结果的图像分布能进行轨枕识别；通过分析病态扣件和正常扣件检测图像的差异，能快速、准确的发现扣件缺陷。

以上所述，仅为本实用新型的较佳的具体实施例，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内。