专利名称：：铁路工务起拨道激光测量仪的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种铁路工务部门对钢轨起拨道作业的测量仪器，具体而言是用于铁路钢轨大平、找偏差和配合工务大机作业的一种仪器设备。
背景技术：
：铁路钢轨经过长时间运行会影响平顺性，直线轨道变成了由许多波浪形"曲线"组成的轨道，曲线轨道不再圆顺，会引起列车的摇晃和蛇行运动，列车通过这些钢轨时，冲击动力增加，使道床变形加快，反过来又扩大了不平顺，从而使列车对轨道的破坏力更大，以致形成恶性循环。而且轨道的平顺差还会使列车轮轨接触表面受到大的冲击动力作用，加速轮轨的磨损和疲劳破坏，缩短轮轨和轨枕的寿命，潜伏着对行车安全的威胁，这就需要对钢轨进行调整即起道和拨道作业。老线路钢轨磨损严重，平顺性较差，需要经常维护，工作量很大，也严重影响了列车的速度进一步提高。目前铁路工务部门对钢轨的平顺性测量还是采用较为传统的——目视测量方法，对铁道线路几何状态进行维修养护存在诸多的不足；这些传统的测量方法受环境和人为因素的影响较大，良好大气状况下人眼仅能目测40m-60m，且不能量化，在光线较暗或者是晚间基本就无法保证正常的工作；面对提速带来的压力，铁路工务部门使用激光全站仪测量长区段的大平，提高轨道的平顺性，也只能在白天作业、操作麻烦且安装不方便，使用上有很大局限性。国内近年来对铁路轨道平顺检测有所研究，但都是测量10m和20m弦的高低和轨向的便携式仪器设备，不能在长轨道区段测量，一般在直线段是10m、曲线段是20m弦；在大于200m的轨道区段，如果利用10米弦(精度为士lmm)来推算到200m的轨道区段，误差远远大于实际要求，不能满足现在长区段(不小于200mm)作业的要求。中国专利文献CN101231157公开了一种《铁路工务起拨道激光测量仪》，包括激光发射器装置、测量装置和两个行走小车，激光发射器装置和测量装置分别安装在一个行走小车上；激光发射装置和测量装置上安装有无线通信装置；激光发射装置包括起道激光器、拨道激光器、激光数据处理器和触摸屏；测量装置包括光学镜头、CCD传感器、测量数据处理器、触摸屏和水平传感器。该测量仪利用激光作为基准线，CCD传感器为瞄准检测器，理论上可以解决了铁路工务部门长距离(200m以上)钢轨起道和拨道量的测量问题，但是在激光准值测量领域，长距离准直面临的问题有激光的发散问题、空气扰动问题、由于空气场的温度不均而产生的光线弯曲问题、背景光的影响等问题，特别是在铁路轨道的现场测量，测量环境十分恶劣，这些问题都很难解决。而上述专利文献公开的内容中并没有给出解决这些问题的技术方案，仅仅给出了采用十字激光准直测量的设想。也就是说该专利文献并不能真正实现铁路工务部门200m以上长距离钢轨起道和拨道量的测量。
发明内容本发明针对现有铁路工务部门起道和拨道量测量技术存在的测量精度差、效率低、劳动强度大等问题，提供一种能够测量轨道长区段的(不低于200m)大平、找平顺偏差、能够配合大机作业的铁路工务起拨道激光测量仪。本发明采用以下技术解决方案该铁路工务起拨道激光测量仪包括激光发射装置、测量装置和监测修正装置，激光发射器装置、测量装置和监测修正装置分别安装在一个行走小车上；每个装置上均安装有无线通信设备，三者间通过无线方式通信；激光发射装置包括起道激光器、拨道激光器、发射处理器和显示器，起道激光器和拨道激光器通过控制元件(场效应功率管)与发射处理器连接，显示器与发射处理器连接，起道激光器和拨道激光器使用线性光源，发射出的激光组成十字丝形状，通过测量装置测得的实际激光位置来指导对激光位置进行调整，使激光处于实际需要的位置；测量装置包括光学成像系统、CCD(电荷耦合器件)传感器、测量处理器、显示器、水平传感器、位移传感器和里程传感器；光学成像系统和CCD传感器均设有两套，一套用于接收起道激光器的激光信号，一套用于接收拨道激光器的激光信号，光学成像系统设置在CCD传感器的前面，用于成像，同时通过系统内的窄带滤光片对干扰光进行滤除；CCD传感器通过驱动和接收电路与测量处理器连接，显示器、水平传感器、位移传感器和里程传感器均与测量处理器连接；光学成像系统、CCD传感器、测量处理器用于测量起道激光器和拨道激光器所发射的激光位置，水平传感器、位移传感器和里程传感器用于获得相对应的铁轨水平、轨距以及里程参数，以完成对激光位置的部分修正；监测修正装置用于对激光位置进行实时监测，记录激光的变化，以对测量装置最终测量结果进行修正；包括与测量装置中相同的光学成像系统、CCD(电荷耦合器件)传感器、测量处理器、水平传感器、位移传感器和里程传感器；当监测修正装置和测量装置前后放置在要测量的轨道区段上时，监测修正装置中的两套光学成像系统与测量装置中的两套光学成像系统之间的设置位置应能够同时接收到激光发射装置中起道激光器和拨道激光器发出的十字丝激光束信号。行走小车由侧轮、行走轮、推杆和车架组成，车架呈丁字型，侧轮和行走轮互相垂直且配对安装在车架两端，一端安装有两对，一端安装有一对，推杆安装在车架上。本发明的具体测量过程是测量前，先将安装三个装置的行走小车放置在需测量轨道区段的两端，其中安装监测修正装置和测量装置的行走小车一前一后放置在同一端。将安装激光发射装置和监测修正装置的行走小车固定在铁轨上，安装测量装置的行走小车可沿区段内的轨道自由移动。测量前先通过安装测量装置的小车获取需测量铁轨区段的总里程数。这里先作几点说明。1.中心位置在测量装置上，通过机械结构以及标定，选择CCD上的某一固定位置作为测量装置的中心位置，使得该中心位置与激光发射装置中的激光器标准位置重合。2.激光器的标准位置激光器的标准位置就是指当起道激光器(发出水平光束)的激光与行走小车车体所在平面(由小车与铁轨接触的三个点所组成的平面)平行且拨道激光器(发出垂直光束)的激光与车体所在平面垂直时的位置。3.基准平面在测量前操作人员先要选择好两个基准点，即需测量轨道区段的两个端点。基准点的选择要满足的条件是两个基准点之间不能有变坡点(折点)，如图1所示，小圆圈表示基准点的位置，折线表示铁轨，图la和图lb是满足"两个基准点之间不能有变坡点(折点)"的条件的，是允许选择的；而图lc和图Id中两个基准点之间有变坡点(折点)，是不允许选择的。测量前先要将激光发射装置和测量装置分别固定到这两个端点上，由于基准点实际上是一段铁轨，可以将两个基准点视为可以组成一个平面，将这个平面称为基准平面。测量开始，先打开激光发射装置中的起道激光器和拨道激光器，发射出十字丝激光光源,测量装置和监测修正装置中的光学成像系统开始同时拾取激光信号，将当前激光位置信号成像在两个装置的CCD传感器上。CCD传感器将图像由光信号转换为电信号，测量装置和监测修正装置中的测量处理器对获取的图像进行处理，得出当前激光的位置，并将该激光位置数据以无线传输方式发送到激光发射器装置的发射处理器并显示在触摸屏上。操作者通过显示的数据对激光位置进行调整，直至激光位置与测量装置的中心位置重合，此时对中结束。可以认为激光器发出的水平激光与基准平面平行，垂直激光与基准平面垂直，可以将当前的激光做为测量的基准线使用。对中完成后，以中心位置作为基准线，即可进入测量状态。在激光i射装置和监测修正装置为两个端点的待测区段内移动测量装置，根据需要每隔一定的距离(如lm)进行一次测量，直至完成测量工作。测量装置可采集水平传感器输出的水平数据，对测量当前激光位置的结果进行修正，得到起道量和拨道量。由于测量时间可能较长，在这个时间段内激光可能会存在抖动以及弯曲的现象，这时由于监测修正装置记录了从对中开始以后激光束的实际位置，可以通过实际位置的对比来获取激光的变化量，从而实现对激光抖动以及弯曲的修正。现在以起道测量为例说明该部分的修正过程。在对中完成的那一次测量，可以获得测量装置起道测量结果S,。和监测修正装置的起道测量结果S紅。以及整个测量区段的总里程数L&，在区段内任意一点进行测量时得到测量装置起道测量结果SiBt、监测修正车的起道测量结果S修正，以及当前的里程数L当前。由于监测修正装置在该段时间内没有移动，可以通过公式1得到这段时间内监测修正车处激光的变化量AS修正，该结果为有符号数。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>由于在对中过程中，不可能要求操作人员将激光位置严格调整到仪器设置的对中点上，因此测量车在对中完成时的测量结果s。不等于零，这样在任意点上测量时就需要对这个结果进行第一步修正，通过公式2得到该点处测量结果的初步修正值S测量2。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>因为存在各种干扰因素，因此测量过程中，激光自身会发生抖动甚至偏移，因此还需要通过监测修正装置的监测结果来对测量装置的测量数据进一步修正，通过公式3得到最终在该点上测量装置最终的测量结果S测量。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>通过这样修正过程，可以得到整个区段内任一点的测量值，并将测量结果记录下来，直至整个测量过程结束。测量结束后可以把数据上传至计算机，对数据进行分析；也可以把测量装置置于起拨道机的前面，根据测量出来的数据，实时指导起拨道机工作。本发明利用激光发射器装置发出的激光作为基准线，以测量装置的CD传感器作为瞄准检测器，并且通过监测修正装置对数据进行修正，克服了激光的发散、空气扰动、空气场的温度不均、背景光等干扰因素产生的影响，彻底解决了铁路工务部门长距离(200m以上)钢轨起道和拨道量的测量问题，实现了大平、找偏差和配合大机作业，方便了铁路施工检査和日常线路维护使用。可对铁道线路平顺性进行高精度检测，为铁路养护提供可靠的测量依据，测量精度高，提高了作业效率，降低了工人的劳动强度。图1是本发明在测量时基准点选取条件的示意图。图2是本发明铁路工务起拨道激光测量仪的结构示意图。图3是本发明铁路工务起拨道激光测量仪的车体结构示意图。图4是图2的俯视图。图5是本发明中的激光发射装置的结构示意图。图6是本发明中激光发射装置的控制原理框图。图7是本发明中的测量装置的结构示意图。图8是本发明中的监测修正装置的结构示意图。图9是本发明中测量装置的控制原理框图。图10是本发明中测量以及监测修正装置中CCD传感器的驱动和接收电路原理框图。其中1、激光发射装置，2、测量装置，3、监测修正装置，4、行走小车，5、行走轮，6、把手，7、侧轮，8、推把，9、加高座，10、车体，11、锁紧手柄，12、起道激光微调旋钮，13、拨道激光微调旋钮，14、触摸屏，15、起道激光器，16、拨道激光器，17、起道测量窗口，18、拨道测量窗口，19、触摸屏，20、起道测量窗口、21、拨道测量窗口。具体实施例方式如图2所示，本发明的铁路工务起拨道激光测量仪包括激光发射装置l、测量装置2、监测修正装置3和行走小车4，三个装置分别安装在一个行走小车上，三者之间通过无线方式进行通讯。三个行走小车放置在需测量轨道区段的两端，其中安装监测修正装置3和测量装置2的行走小车一前一后放置在同一端。将安装激光发射装置1和监测修正装置3的行走小车固定在铁轨上，安装测量装置2的行走小车可沿区段内的轨道自由移动。行走小车的结构如图3和图4所示，由行走轮5、侧轮7、加高座9和车体10等组成，整个车体呈丁字型，行走小车的行走轮5和钢轨上表面接触，侧轮7和钢轨侧面接触，推把8安装在车体10上面，不使用时可以拆卸下来。车体10上面安装有把手6，方便操作者搬运车体。车体10上设有加高座9，各装置安装在加高座9上。如图5所示，激光发射装置1通过锁紧手柄11固定在行走小车的加高座9上，从外部结构上看，激光发射装置1包括起道激光器15、拨道激光器16和触摸屏14等。起道激光器15上设有起道激光微调旋钮12，拨道激光器16上设有拨道激光微调旋钮13。起道激光器15和拨道激光器16使用线光源，发射出的激光组成了十字丝形状。激光发射装置1的控制原理如图6所示，发射处理器采用微控制器MCU1，起道激光器15和拨道激光器16均通过控制元件(采用场效应功率管)与微控制器MCU1连接，微控制器MCU1负责通过控制元件打开或关闭起道激光器15和拨道激光器16。与发射处理器连接的还有触摸屏14和电源，发射处理器对电源电量进行监控，在电量不足的时候能够自动报警提示。微控制器MCU1通过串口以无线传输方式与测量装置2通信，并将测量装置2传送过来的激光位置数据在触摸屏14上显示出来，6操作者根据显示的位置数据通过起道激光微调旋钮12和拨道激光微调旋钮13对激光实际位置进行调整，直至达到满足测量需要的对中位置。测量时，安装有激光发射装置的行走小车放置在作业轨道区段的一端，启动起道激光器和拨道激光器，发射出十字基准激光源，通过微调装置调整激光的位置，直至对中完成。如图7所示，测量装置2通过锁紧手柄固定在另一台行走小车的加高座9上，从外部看，测量装置包括触摸屏19、起道测量窗口17和拨道测量窗口18，光学成像系统设在测量窗口内。测量装置2的控制原理如图9所示，测量处理器采用微控制器MCU2，CCD传感器通过CCD驱动和接收电路与测量处理器连接，水平传感器、位移传感器和里程传感器也与测量处理器连接。如图10所示，CCD传感器的驱动和接收电路采用目前通用电路，包括时钟发生器、脉冲分配器、运算放大器和高速A/D转换器，由时钟发生器产生高频时钟信号，送往脉冲分配器，转换为CCD传感器所需要的垂直驱动脉冲、水平转换脉冲、复位脉冲及桢和像元脉冲，CCD传感器输出的图像信号送往运算放大器，经高速A/D转换器把模拟信号转换为数字信号，送往测量处理器进行数据处理。微控制器MCU2主要负责接收CCD信号、数据采集处理和系统控制，完成了数据计算、显示和存储；通过触摸屏19完成了操作者对整个系统的控制。CCD传感器部分使用的是面阵CCD。与测量处理器连接的还有电源，处理器对电源电量进行监控，在电量不足的时候能够自动报警提示。所带传感器中，水平传感器用于测量车体所在轨道的水平倾角，位移传感器用来测量所在轨道的轨距，里程传感器用于测量测量小车移动的里程。监测修正装置3固定在另一台行走小车的加高座9上，用于对激光位置进行实时监测，记录激光的变化，以达到对测量装置最终测量结果的修正；在对激光测量方面的工作原理和测量装置基本相同。监测修正装置3的结构如图8所示，与测量装置2的结构基本一样，区别是监测修正装置工作时不需要进行人为控制，所有的工作都由测量装置部分通过无线方式进行控制，因此监测修正装置3可以不设触摸屏。另外，监测修正装置3上的起道测量窗口20和拨道测量窗口21与测量装置2上的起道测量窗口17和拨道测量窗口18的位置有所不同，其起道测量窗口20和测量装置2的起道测量窗口17在同一高度上，但水平方向上的位置不同，起道测量窗口20更靠近铁轨外侧(行走小车单轮一侧的方向定义为铁轨外侧)，其拨道测量窗口21和测量装置2的拨道测量窗口18的高度不同，拨道测量窗口21的位置更向上。这样的设计能保证测量装置2和监测修正装置3上的各个测量窗口内的光学成像系统同时接收到激光发射装置l发出的十字丝激光束信号，进行测量。测量时，激光发射装置1的起道激光器15和拨道激光器16发射出十字激光光源，测量装置2和监测修正装置3通过各自测量窗口里面的光学系统拾取激光信号，将当前激光位置信号成像在CCD传感器上，CCD传感器再将图像由光信号转换为电信号，最后由测量处理器发出驱动信号接收CCD传感器转换后的信号，对图像进行处理，得出当前激光的位置，并采集各类传感器的测量数据，对测量当前激光位置的结果进行修正，得到起道量和拨道量。下表为一存车线上实际起道/拨道测量数据，测量方法为，在200米路段内进行对中，对中结束后将测量车推动到100米处进行长时间测量。测量结果的单位均为mm。由附表数据可以看出，在290次测量中，起道测量结果在22.6-23.7mm之间，拨道测量结果在5.28-6.06咖之间，这也充分验证了监测修正测量的有效性。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>序号起道拨道序号起道拨道序号起道拨道序号起道拨道序号起道拨道17622.75.4120023.15.5622423.05.5224823.76.0627223.45.6717722.65.4520123.05.5822523.05.7424923.45.8227323.25.5117822.95.5320223.15.4122623.15.7325023.35.6527423.35.517922.85.4420322.95.5222723.25.6825123.65.2827523.35.4218022.95.4220423.15.5622823.45.5725223.75.7227623.45.6718122.75.5120523.15.5522923.45.6825323.65.5927723.35.5618222.75.5820623.25.6123023.15.5425423.45.7927823.35.5618322.65.6720723.25.4723123.65.6125523.35.6527923.15.5918422.95.5420823.05.4823223.65.6125623.35.5728023.45.518522.85.5720922.95.6823323.45.6525723.35.5728123.45.6518622.95.621023.25.3423423.55.525823.25.5828223.35.5418723.05.3721122.95.4423523.45.6225923.25.5428323.35.5518823.25.4421222.95.6723623.35.6626023.35.6628423.35.5718923.35.3321322.95.523723.15.6426123.35.528523.25.6719023.45.6921423.15.623823.15.5126223.35.5628623.35.619123.25.3821523.05.5323923.35.7326323.25.5428723.25.6919223.35.621623.05.6624023.45.5226423.35.6428823.45.619323.05.5521722.85.5124123.45.6726523.45.6528923.35.5119423.05.5521823.15.6924223.55.5226623.35.6529023.35.5519522.95.5621923.25.5724323.35.5826723.45.5419623.05.4222023.15.4224423.05.6726823.35.5819723.15.6622123.05.524523.15.6826923.25.5319823.45.5622223.05.5224623.05.9627023.55.5419923.15.5122323.05.5624723.25.7827123.35.59权利要求1.一种铁路工务起拨道激光测量仪，其特征是包括激光发射装置、测量装置和监测修正装置，激光发射器装置、测量装置和监测修正装置分别安装在一个行走小车上；每个装置上均安装有无线通信设备，三者间通过无线方式通信；激光发射装置包括起道激光器、拨道激光器、发射处理器和显示器，起道激光器和拨道激光器通过控制元件与发射处理器连接，显示器与发射处理器连接，起道激光器和拨道激光器使用线性光源，发射出的激光组成十字丝形状，通过测量装置测得的实际激光位置来指导对激光位置进行调整，使激光处于实际需要的位置；测量装置包括光学成像系统、CCD传感器、测量处理器、显示器、水平传感器、位移传感器和里程传感器；光学成像系统和CCD传感器均设有两套，一套用于接收起道激光器的激光信号，一套用于接收拨道激光器的激光信号，光学成像系统设置在CCD传感器的前面，用于成像，同时通过系统内的窄带滤光片对干扰光进行滤除；CCD传感器通过驱动和接收电路与测量处理器连接，显示器、水平传感器、位移传感器和里程传感器均与测量处理器连接；光学成像系统、CCD传感器、测量处理器用于测量起道激光器和拨道激光器所发射的激光位置，水平传感器、位移传感器和里程传感器用于获得相对应的铁轨水平、轨距以及里程参数，以完成对激光位置的部分修正；监测修正装置用于对激光位置进行实时监测，记录激光的变化，以对测量装置最终测量结果进行修正；包括与测量装置中相同的光学成像系统、CCD传感器、测量处理器、水平传感器、位移传感器和里程传感器；当监测修正装置和测量装置前后放置在要测量的轨道区段上时，监测修正装置中的两套光学成像系统与测量装置中的两套光学成像系统之间的设置位置应能够同时接收到激光发射装置中起道激光器和拨道激光器发出的十字丝激光束信号。全文摘要本发明公开了一种铁路工务起拨道激光测量仪，包括激光发射器装置、测量装置、监测修正装置和三个行走小车，激光发射器装置、测量装置和监测修正装置分别安装在一个行走小车上；激光发射装置、测量装置和监测修正装置上均安装有无线通信装置，三者通过无线方式通信；激光发射装置包括起道激光器、拨道激光器、激光处理器和触摸屏；测量装置和监测修正装置包括光学成像系统、CCD传感器、测量处理器、触摸屏和水平传感器等。本发明利用激光作为基准线，通过光学系统和CCD传感器测量激光位置，解决了铁路工务部门长距离(200m以上)钢轨起道和拨道量的测量问题，可对铁道线路平顺性进行高精度检测，为铁路养护提供可靠的测量依据，测量精度高。文档编号G08C17/00GK101592473SQ20091001589公开日2009年12月2日申请日期2009年6月19日优先权日2009年6月19日发明者李朝正,宇杨,林宪旗,王道睿,强陈申请人:济南蓝动激光技术有限公司