专利名称：采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法
技术领域：
本发明涉及铁路工务部门对轨道纵向位移的测量，主要采用激光测量技术，实现对 铁路路轨纵向位移测量的方法。
背景技术：
随着国民经济的不断提高，为适应运输市场的需求和提高铁路运输在运输市场上的 竞争能力，铁路运输不断的向高速、重载方向发展。而我国的铁路线路是在客货混载的 状况下发展的，由于无缝线路固有的特点，其日常维护与普通的线路有较大的区别。铁 路工务部门必须精确的处理各项基本技术参数，才能确保线路的行车安全。
我国铁路交通运输线路被分为上行线路与下行线路，国家铁道部规定进京方向或 是从支线到干线被称为上行线，反之离京方向或是从干线到支线被称为下行线。这样客 货车辆必须严格地行使在单方向线路上，即上行线路或下行线路；绝对不允许上行线或
下行线混合行使。如此以来，铁路线路路轨在客货车辆的作用力下，路轨轨道必定产生
纵向位移量；该纵向位移量是铁路工务部门日常线路维护中最重要的基础参数之一，该
参数限定了线路轨道的安全运营和日常维护的必定条件。
在曰常维护作业中，铁路路基面每50米设定以观测点，铺设路基时两边的水平
基准点用混泥土浇注固定。传统的测量方式采用人工准直线测量，测量时铁路路基两边
各站2人，分别将准直线拉在路基平台上的基准点中心，另一人用测量标准尺测量准直 线与路轨中每一轨道的纵向偏移位移量，并把此数据记录在专用笔记本上，以备查用。 此方式测量，费时费力、劳动强度大、数据精度低等。由于铁路列车提速后，铁路路基 平台有所变化，对轨道的纵向位移测量方式和要求也相对严格，采用经绎准直仪进行测 量。测量时，先锁定经纬准直仪与水平基准点的对中垂直度及水平方向的水平定位，同 时在路轨的4根轨道上分别在标记点上贴上刻度标尺，然后用经纬仪仰角看4根轨道的 刻度尺，镜头所指向点与标记中心的位移量就是轨道的纵向位移偏移量，读出数据并记 录。此方式大大改善了人工测量的缺点，测量数据的精确度也得到了提高，但是也存有 不足(1)、经纬准直仪对中点难度大、调整繁琐、风向对铅垂的影响大。(2)、准直难
度大、受阳光强度及雾天等自然因素影响大。(3)、经纬仪观察刻度尺时，受人为因素影响大。基于以上原因，我们采用激光测量技术对此进行了改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有测量方式存在的问题，提供一种具有操作简 单、检测方便、显示直观清晰、测量精度高、数据处理无纸化的采用激光测量技术对铁 路路轨纵向位移测量的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该采用激光测量技术对铁路路轨纵向
位移测量的方法，其特征在于控制系统通过激光探测器检测接收由激光发射器发射出 的光源后，利用相应的控制策略对铁路路轨位移进行测量。
对铁路路轨位移进行测量是指激光探测器接收来自激光发射器的光束，锁定所测的 基准点，通过微处理控制器利用相应的控制策略，计算出路轨位移偏移量。
控制策略是首先打开激光探测器及激光控制器的电源开关，使之系统初始化， 然后对激光发射器所射出的激光束进行光检测，若没有检测到光源，返回系统，待检测 到光源后，调用延时程序，加以确认，随后驱动步进电机正转200步，检测光强度，光 强度等于O时即光强最大，系统采集此信号，计算出此数据即为位移偏移量；若光强不 等于O，系统驱动步进电机反转200步，检测光强度，光强度等于0时即光强最大，系 统采集此信号，计算出此数据即为位移偏移量；若光强不等于O，程序返回。
控制系统包括激光发射器、激光探测器和微处理控制器，激光探测器和微处理控制 器安装固定在壳体内后，放置于所测轨道上，激光发射器通过支架放置于测试平台两基 准点上。
微处理控制器包括微处理器、激光探测器、容栅尺、制冷晶体、风扇、恒温单元、 步进电机、显示单元、存储单元、按键单元，光接收探测器、容栅尺、制冷晶体和风扇 通过恒温单元与微处理器相连，微处理器与步进电机、显示单元、存储单元、按键单元 相连。
激光发射器包括固定托架、外壳、控制及电源单元、操作键盘、激光器、镜头、步 进电机，控制及电源单元、激光器固定于外壳内，操作键盘固定于外壳的顶端，与控制 及电源单元、激光器及步进电机相连接，外壳固定于带步进电机的调整托架
激光探测器及微处理控制器包括壳体及固定在壳体上的轨定位销、IC卡存储口、 电源开关、LCD显示屏、键盘、光探测槽、光定位显示窗口、定位尺标、容栅尺、导轨槽。
路基测试平台包括路轨横梁、轨道、基准点、基准点、测试平台、轨道标记点，基准点、基准点设定在轨道同一侧测试平台上，两基准点与任意轨道上的标记点在一条直 线上。
微处理控制器中的微处理器内嵌有计算方法。测量时，自动采集激光束在容栅尺上 所产生的信号，利用相应控制策略和计算方法，计算出路轨位移偏移量；微处理控制器 将采集所测数据，实时输出到LCD显示屏、IC卡存储口进行数据的实时显示与存储备 份。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是克服现有测量设备的对中难度大、 准直难度大、调整繁琐、受人为因素及环境因素影响大等特点，采用激光准直特性、利 用光探测器及容栅尺定位等测量方式，通过微处理控制器内嵌控制策略及计算方法自动 采集数据信号，计算出轨道的纵向偏移位移量，是目前比较理想的铁路路轨纵向位移激 光测量仪；且具有操作简单、检测方便、显示直观清晰、测量精度高、数据处理无纸化 等优点。
图l:激光发射器结构示意图2:激光探测器及微处理器控制系统结构示意图3:微处理器控制系统组成示意框图4:传统路基测试平台示意图5:本实用新型路基测试平台示意图6:微处理器控制系统流程框图7:脉冲电源电路原理图8:微处理器控制系统电路原理图。
图l-3、 5-8是本实用新型的最佳实施例，其中1支架、2支架水平调整器、3
支架平台、4固定托架、5外壳、6控制及电源单元、7操作键盘、8激光器、9镜头、 IO步进电机、ll壳体、12轨定位销、13 IC卡存储口、 14电源开关、15LCD显示屏、 16操作键盘、17光探测槽、18光定位显示、19定位尺标、20容栅尺、21导轨槽、22 路轨横梁、23轨道24、 27基准点、25测试平台、26轨道标记点。
具体实施例方式
图1中由固定托架4、外壳5、控制及电源单元6、操作键盘7、激光器8、镜头 9、步进电机IO组成激光发射器；激光发射器放置于由支架水平调整器2、支架平台3 组成的支架l上。图2中由壳体11、轨定位销12、 IC卡存储口 13、电源开关14、 LCD显示屏15、 操作键盘16、光探测槽17、光定位显示18、定位尺标19、容栅尺20、导轨槽21组成 激光探测器及微处理器控制系统。
图3中微处理器控制系统包含微处理器、激光探测器、恒温单元、容栅尺、步 进电机、显示单元、存储单元、按键单元。其中恒温单元由制冷晶体和风扇组成。
图4中由路轨横梁22、轨道23、基准点24、测试平台25、轨道标记点26组成 传统路基测试平台。
图5中由路轨横梁22、轨道23、基准点24、基准点27、测试平台25、轨道标 记点26组成本实用新型路基测试平台。
图6为系统程序流程图，其控制策略是打开激光探测器及激光控制器的电源开 关，使之系统初始化，然后对激光发射器所射出的激光束进行光检测，若没有检测到光 源，返回系统，待检测到光源后，调永延时程序，加以确认，随后驱动步进电机正转 200步，检测光强度，光强度等于0时即光强最大，系统采集此信号，计算出此数据即 为位移偏移量；若光强不等于0，系统驱动步进电机反转200步，检测光强度，光强度 等于O时即光强最大，系统采集此信号，计算出此数据即为位移偏移量；若光强不等于 0，程序返回。
图7中由时基芯片U1和外围器件组成脉冲电源电路，为激光发射器提供工作电源。
时基芯片U1的7脚通过电阻R1接高电平VCC，通过电阻R2 、电容C1接地；时 基芯片U1的2、 6脚相连，并通过电阻R3与时基芯片U1的3脚相连，时基芯片U1的 3脚输出一脉冲电源；时基芯片U1的4、 8脚接高电平VCC， 1脚接地。
图8中是本实用新型的一个具体原理电路图；微处理器控制器是由U1为精密运 放器芯片、U2为带复位的存储器EPR0M芯片、U3位微处理器芯片、U4为电位调整器芯 片、Ql-Q4为晶体管芯片、BUZZER为蜂鸣器、LCD为液晶显示器、R12-R23组成和差运 算器及外围电路组成。
其中由精密运放器U1及其外围器件组成信号放大电路。
信号通过电容C1、电阻R2输入到精密运放器U1的2脚，并通过电阻R1接地；精 密运放器U1的3脚通过电阻R3接地，4脚接地；精密运放器Ul的2脚通过并联连接 的电容C2、电阻R4与6脚相连；6脚输出信号，输入到微处理器U3的P44脚。
由带复位的存储器EPROM U2及其外围器件组成复位及存储电路。带复位的存储器EPR0M U2的7脚与微处理器U3的REST脚相连，并通过电阻R24 接髙电平VCC; 3、 8脚接高电平VCC, 4脚接地；1、 2、 5、 6脚分别与微处理器U3的 P01、 P02、 P03、 P04脚相连。
由Ql-Q4为晶体管及其外围器件组成信号展宽电路。 信号通过电容C3与晶体管Ql的1脚相连，并通过电阻R5、 二极管Dl接地，电阻R5 与二极管Dl连接处通过电阻R6接高电平VCC;晶体管Ql的2脚接高电平VCC， 3脚通 过电阻R7接地，并通过二极管D2与与晶体管Q2的1脚相连；晶体管Q2的1脚通过电 阻R8接地，并通过电容C4分别与晶体管Q3、 Q4的3、 1脚相连；晶体管Q2的2脚接 高电平VCC， 3脚通过二极管D4、 D3、电阻R9接地；二极管D3与电阻R9连接处与晶 体管Q3的1脚相连；晶体管Q3的2脚通过二极管D5接高电平VCC， 3脚通过电阻R10 接地；晶体管Q4的2脚接高电平VCC, 3脚通过可调电阻RT1、电阻Rll接地；可调 电阻的l脚输出信号，通过A/D、 D/A转换器输入到微处理器U3的P43脚。
由电阻R12-R23组成和差运算器，通过低通滤波器输入到微处理器U3的P24、P25、 P26、 P27脚。
微处理器U3采用微处理单片机，微处理器U3的X1、 X2脚连接晶振Y1并通过电 容C7、 C8接地；微处理器U3的P70-P77脚接操作键盘，P13、 P14脚接IC卡存储器；
由电压调整器U4和液晶显示器LCD及其外围器件组成系统显示单元。
电压调整器U4的2脚通过电容C9接地，3、 4脚接地；8脚接高电平VCC;电压调 整器U4的5脚通过反接的二极管D6输出一电压信号，并通过滤波电容C10接地，为液 晶显示器LCD提供电压，连接液晶显示器LCD的Vo脚。
液晶显示器LCD的DO-D7脚与微处理器U3的P50-P57相连，且通过电阻排RF接 高电平VCC;液晶显示器LCD的Rs、 Rw、 E脚分别与微处理器U3的POl、 P144、 P142 相连；液晶显示器LCD的Vdd脚接高电平VCC， Vss脚接地。
权利要求
1、采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其特征在于控制系统通过激光探测器检测接收由激光发射器发射出的光源后，利用相应的控制策略对铁路路轨位移进行测量。
2、 根据权利要求l所述的采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其特 征在于对铁路路轨位移进行测量是指激光探测器接收来自激光发射器的光束，锁定所 测的基准点，通过微处理控制器利用相应的控制策略，计算出路轨位移偏移量。
3、 根据权利要求2所述的采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其 特征在于控制策略是首先打开激光探测器及激光控制器的电源开关，使之系统初始 化，然后对激光发射器所射出的激光束进行光检测，若没有检测到光源，返回系统，待 检测到光源后，调用延时程序，加以确认，随后驱动步进电机正转200步，检测光强度， 光强度等于0时即光强最大，系统采集此信号，计算出此数据即为位移偏移量；若光强不等于O，系统驱动步进电机反转200步，检测光强度，光强度等于O时即光强最大， 系统采集此信号，计算出此数据即为位移偏移量；若光强不等于O，程序返回。
4、 根据权利要求1所述的采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其 特征在于控制系统包括激光发射器、激光探测器和微处理控制器，激光探测器和微处 理控制器安装固定在壳体(11)内后，放置于所测轨道(23)上，激光发射器通过支架(1)放置于测试平台(25)两基准点(24)、 (27)上。
5、根据权利要求4所述的采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其特 征在于微处理控制器包括微处理器、激光探测器、容栅尺、制冷晶体、风扇、恒温单 元、步进电机、显示单元、存储单元、按键单元，光接收探测器、容栅尺、制冷晶体和 风扇通过恒温单元与微处理器相连，微处理器与步进电机、显示单元、存储单元、按键 单元相连。
6、根据权利要求4所述的采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其 特征在于激光发射器包括固定托架(4)、外壳(5)、控制及电源单元(6)、操作键盘 (7)、激光器(8)、镜头(9)、步进电机(10)，控制及电源单元(6)、激光器(8)固 定于外壳(5)内，操作键盘(7)固定于外壳(5)的顶端，与控制及电源单元(6)、 激光器(8)及步进电机(10)相连接，外壳(5)固定于带步进电机(10)的调整托架(4)上。
7、根据权利要求4所述的采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其 特征在于激光探测器及微处理控制器包括壳体(11)及固定在壳体(11)上的轨定位 销(12)、 IC卡存储口 (13)、电源开关(14)、 LCD显示屏(15)、键盘(16)、光探测 槽(17)、光定位显示窗口 (18)、定位尺标(19)、容栅尺(20)、导轨槽(21)。
8、根据权利要求4所述的采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，其 特征在于路基测试平台包括路轨横梁(22)、轨道(23)、基准点(24)、基准点(27)、 测试平台(25)、轨道标记点(26)，基准点(24)、基准点(27)设定在轨道(23)同 一侧测试平台(25)上，基准点(24)、基准点(27)两基准点与任意轨道上的标记点 在一条直线上。
全文摘要
采用激光测量技术对铁路路轨纵向位移测量的方法，主要涉及铁路工务部门对轨道纵向位移的测量。其特征在于控制系统通过激光探测器检测接收由激光发射器发射出的光源后，利用相应的控制策略对铁路路轨位移进行测量。克服现有测量设备的对中难度大、准直难度大、调整繁琐、受人为因素及环境因素影响大等特点，采用激光准直特性、利用激光探测器及容栅尺定位等测量方式，通过微处理控制器内嵌控制策略及计算方法自动采集数据信号，计算出轨道的纵向偏移位移量，是目前比较理想的铁路路轨纵向位移激光测量仪；且具有操作简单、检测方便、显示直观清晰、测量精度高等优点。
文档编号G01B11/02GK101419057SQ200710113189
公开日2009年4月29日 申请日期2007年10月22日 优先权日2007年10月22日
发明者宫春勇, 华 赵, 高小群 申请人:山东申普汽车控制技术有限公司