CN101219672B - 基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法。该测量方法使用的测量装置由一个激光位移传感器和一个车轮定位传感器或者两个激光位移传感器组成，两个传感器沿钢轨方向排列。在使用两个激光位移传感器时，使出射激光的光点均能直接射到被测车轮的两个相对表面；由两个激光位移传感器分别连续测量出各传感器到车轮踏面上对应点之间的距离，在两个激光位移传感器的所测距离之和基本不变时记录各激光位移传感器的距离读数，由此计算出列车车轮的直径。本发明最多只需要使用两个传感器，测量原理简单、实用。

Description

基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光测量技术、能够对列车车轮的直径参数进行非接触式动态测量的方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

随着我国铁路事业的发展，列车行驶速度不断提高，车辆运行的安全问题越来越受到人们的重视。列车的高速行驶会加剧列车车轮踏面与钢轨之间的各种磨耗，造成车轮直径的变化，影响车轮与轨道的配合，进而影响了列车的运行安全。因此，当经过一定期限后列车车轮就要进行定期检测，对于参数超限的车轮需要维修或报废，否则会给列车的安全运行带来隐患。

在列车车轮的定期检测工作中，车轮直径参数是一个重要的检测指标，可以用来评估车轮本身的好坏。尤其是在以下三种场合下，需要对列车车轮直径进行精确测量：1.新加工的车轮需要测量直径尺寸以选配轮对和作为轮对的原始数据；2.使用过程中需要不断监控车轮直径以确定是否超限，如果超限则需要送维修车间进行维修；3.轮对送入维修车间进行维修前后，还需要测量车轮直径以确认维修结果。

目前，国内外一般采用机械式卡尺或者卡钳来测量车轮直径。这两种测量方式存在卡尺尺体笨重、测量技术不易掌握、误差较大等缺陷；且必须将车轮推出才能测量，特别是测量大直径车轮时需要两个人进行操作，使用上也不方便。

在公告号为CN 85203160的中国实用新型专利中，提供了一种用于测量铁路机车及车辆车轮直径或者其他机械部件直径的新型车轮径尺，它采用接触式间接测量原理，因此存在测量点不容易定位，读数容易受环境和人为因素的影响的缺陷。此外，在公告号为CN 87207390的中国实用新型专利中，提供了一种采用“弦高法”的车轮轮径测量仪器。但是该仪器仍然采用接触测量的方式，对测量仪器和车轮都造成一定的磨耗，而且测量点容易受轮径上油污杂物的影响。

总结起来，现有利用卡尺或者卡钳的接触式测量技术普遍存在以下的缺点：(1)依靠人工操作，测量效率低，不容易及时发现问题；(2)测量精度容易受外界环境的影响；(3)必须拆卸车轮，测量周期长；(4)因为现场的操作空间太小，此类接触式测量技术普遍不适用在现场对车轮直径进行测量。

有鉴于此，人们开始研究非接触式的轮对几何参数测量技术，以便能对车轮直径进行动态测量。这方面的技术方案包括中国发明专利申请“车辆轮对直径在线检测方法及装置号”(专利申请号：200610155282.8)提出的利用结构光和CCD摄像技术动态得到车轮直径及其它参数的方法以及中国发明专利申请“列车轮对尺寸在线检测方法及装置”(专利申请号：200510035961.7)中提出的在每根钢轨的两侧对称设置两对相隔的激光位移探测器，由此得到轮对的几何尺寸的方法等。另外，在专利号为US 20030103216、US 4932784、US 5247338和US5936737等公开的技术方案中，也提出了利用激光和CCD摄像头非接触地测量车轮外形参数的具体实施方案。俄罗斯联邦铁路于90年代中期研制成功采用超声遥测方法的非接触式轮对参数自动化检测装置。当铁路车辆以不大于5km/h的速度运行时，该装置可测出距车轮各个特征表面的距离，经分析处理后可得出车轮直径等参数。但是，现有的车轮直径非接触式动态测量技术方案仍然存在如下的问题需要解决：1.测量装置过于复杂，安装调试困难；2.测量精度不高；3.测量响应速度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法。利用本发明，可以对列车车轮的直径实施非接触式的精确测量，不仅在车轮检修的静态条件下可以实现测量，而且在列车运行的动态条件下也可以实现自动测量。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，基于车轮直径非接触式动态测量装置实现，所述车轮直径非接触式动态测量装置包括中央处理单元、激光位移传感器和车轮定位传感器，所述激光位移传感器和车轮定位传感器分别与所述中央处理单元相连接，所述激光位移传感器和所述车轮定位传感器沿钢轨方向排列，且位于钢轨的同一侧，其特征在于：

(1)将激光位移传感器和车轮定位传感器沿钢轨方向排列；

(2)调整所述激光位移传感器出射激光的方向，使出射激光的光点直接射到被测车轮的踏面，调整所述车轮定位传感器，使之检测到车轮运动时车轮踏面上对应点到所述车轮定位传感器的距离；

(3)由所述激光位移传感器连续测量出所述激光位移传感器到所述车轮踏面上对应点之间的距离；同时，所述车轮定位传感器检测所述车轮踏面上对应点到所述车轮定位传感器之间的距离，当该距离最小时，记录此时所述激光位移传感器到所述车轮踏面上对应点之间的距离；

(4)按照下式计算被测车轮的直径：

$D=\frac{(L^2+l^2)}{l\sin \mathrm{\α}}-\frac{2L}{\tan \mathrm{\α}}$

其中，D为车轮直径，L为激光位移传感器和车轮定位传感器之间的安装距离，α为激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角；l为当车轮定位传感器检测到所述车轮踏面上对应点与车轮定位传感器之间距离最小时，所述激光位移传感器测量的所述激光位移传感器与所述车轮踏面上对应点之间的距离。

所述激光位移传感器为基于三角法的激光位移传感器，所述车轮定位传感器为涡流位移传感器。

所述激光位移传感器和所述车轮定位传感器通过卡块固定方式或直接粘接方式固定在所述钢轨上。

所述激光位移传感器和所述车轮定位传感器分别固定在钢轨旁的地基桩上。

一种基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，基于车轮直径非接触式动态测量装置实现，所述车轮直径非接触式动态测量装置包括中央处理单元、第一激光位移传感器和第二激光位移传感器，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别与所述中央处理单元相连接，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器沿钢轨方向排列，且位于钢轨的同一侧，其特征在于：

(1)将第一激光位移传感器和第二激光位移传感器沿钢轨方向排列；

(2)调整两个激光位移传感器出射激光的方向，使出射激光的光点均能直接射到被测车轮的两个相对表面；

(3)由所述两个激光位移传感器分别连续测量出各传感器到车轮踏面上对应点之间的距离，在所述两个激光位移传感器的所测距离之和基本不变时记录各激光位移传感器的距离读数；

(4)按照下式计算被测车轮的直径：

$D=\frac{(L^2+{l_1}^2)}{2l_1\sin \mathrm{\α}}-\frac{L}{\tan \mathrm{\α}}+\frac{(L^2+l_2^2)}{2l_2\sin \mathrm{\β}}-\frac{L}{\tan \mathrm{\β}}$

其中，D为车轮直径，L为所述两个激光位移传感器之间安装距离的一半，α、β分别为所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角，l₁、l₂分别为所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器测量的激光位移传感器与车轮踏面上对应点之间的距离。

其中在所述步骤(3)中，优选在所述第一激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角等于所述第二激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角时进行测量。

所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器通过卡块固定方式或直接粘接方式固定在所述钢轨上。

所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别固定在钢轨旁的地基桩上。

与现有技术相比较，本发明所具有的突出特点在于：

1.整个测量装置最多只需要使用两个传感器，测量原理简单、实用；

2.采用非接触间接测量的方法，和运行中的车轮没有直接接触，避免了测量装置和旅客客车车轮的磨损，该装置可以长时间实现入库旅客客车车轮参数的在线动态测量；

3.测量精度与传感器的精度有关，通过提高传感器的精度可以提高测量直径的精度；

4.测量的响应速度与传感器的响应频率有关，数据处理简单，可大大提高动态测量的响应速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

图1为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第一实施例；

图2为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的工作原理示意图；

图3为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第二实施例；

图4为采用两个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第三实施例；

图5为采用两个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的工作原理示意图；

图6为采用两个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第四实施例；

图7为采用两个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的系统构成示意图。

具体实施方式

本发明首先提供了一种简单实用的列车车轮直径非接触式动态测量方法。该测量方法基于一个或者两个激光位移传感器实现，安装和使用都十分简单，特别适用于在列车运动时对车轮直径进行在线动态测量。

图1显示了本车轮直径非接触式动态测量装置的第一个实施例。参见图1所示，该实施例为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置，具体包括：激光位移传感器103、车轮定位传感器106和中央处理单元(图中未示)。激光位移传感器103和车轮定位传感器106均通过卡块105或直接以粘接方式固定在钢轨102上，且同时位于钢轨的外侧(或者内侧)。钢轨102的下方依次分布多个枕木104。上述的两个传感器所获得的传感数据传送给该中央处理单元进行处理，以便获得车轮直径等测量数据。上述的激光位移传感器103可以采用基于三角法的激光位移传感器；车轮定位传感器106可以采用涡流位移传感器，中央处理单元为一台具有一定数据处理能力的单片机或者PC机。

激光位移传感器103和车轮定位传感器106沿钢轨102方向排列，但排列前后次序可以颠倒。当按图1所示的顺序排列时，即：按车轮行走方向，激光位移传感器103在前，车轮定位传感器106在后，激光位移传感器103出射光线的方向与钢轨102表面所成的夹角0°＜α＜90°；反之，按车轮行走方向，车轮定位传感器106在前，激光位移传感器103在后，激光位移传感器103出射光线的方向与钢轨102表面所成的夹角90°＜α＜180°。

下面结合图2介绍利用上述的车轮直径非接触式动态测量装置实现动态测量车轮直径的具体工作原理。如图1和图2所示，首先将激光位移传感器103和车轮定位传感器106通过卡块105或直接以粘接方式固定在钢轨102的外侧(或者内侧)上。调整激光位移传感器103出射激光的方向，使出射激光的光点能直接射到被测车轮101的表面上；调整车轮定位传感器106，使之能检测到车轮101运动时车轮踏面上对应点到定位传感器106的距离。

当列车上的被测车轮101从测量装置上通过时，激光位移传感器103可连续测量出传感器103到车轮101踏面上对应点之间的距离，当车轮定位传感器106检测到车轮踏面上对应点与车轮定位传感器之间距离最小时，得到此时激光位移传感器到车轮踏面上对应点之间的距离，就可按图2所示的几何关系计算得到车轮的直径D。

$D=\frac{(L^2+l^2)}{l\sin \mathrm{\α}}-\frac{2L}{\tan \mathrm{\α}}---\left(1\right)$

式中：L为激光位移传感器103和车轮定位传感器106之间的安装距离，为一常数，α为激光位移传感器103与钢轨102表面所成的夹角，为一固定角度；l为当车轮定位传感器106检测到车轮踏面上对应点与车轮定位传感器106之间距离最小时，激光位移传感器103测量得到的激光位移传感器103到车轮101踏面上对应点之间的距离。

图3所示为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第二实施例。该第二实施例与第一实施例的区别就在于激光位移传感器103和车轮定位传感器106的固定方式不同。参见图3所示，激光位移传感器103和车轮定位传感器106均通过在钢轨102旁的地基桩205直接固定在地基上，并且沿着钢轨102的方向排列。地基桩205可以埋设在钢轨102的外侧或者内侧。其余的技术特征与第一实施例完全相同。

以上介绍了采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的基本组成和工作原理。但本发明并不限于上述的具体实施方式。该车轮直径非接触式动态测量装置也可以采用两个激光位移传感器来实现，下面就对此展开详细的说明。

图4所示为采用两个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第三实施例。在该实施例中，车轮直径非接触式动态测量装置主要由第一激光位移传感器103、第二激光位移传感器103’和中央处理单元(图中未示)组成。第一激光位移传感器103和第二激光位移传感器103’均通过卡块105或直接以粘接方式固定在钢轨102的外侧(或者内侧)上，且沿钢轨102的方向相对排列。钢轨102的下方依次分布多个枕木104。第一激光位移传感器和第二激光位移传感器所获得的传感数据传送给中央处理单元进行处理，以便获得车轮直径等测量数据。

如图4所示，第一激光位移传感器103出射光线的方向与钢轨102表面所成的夹角0°＜α＜90°，第二激光位移传感器103’出射光线的方向与钢轨102表面所成的夹角0°＜β＜90°。理论上，第一激光位移传感器103出射光线的方向与钢轨102表面所成的夹角α与第二激光位移传感器103’出射光线的方向与钢轨102表面所成的夹角β相等时为最佳的实施方案，此种情况下可以减少测量的误差。

下面结合图5介绍利用上述的车轮直径非接触式动态测量装置实现动态测量车轮直径的具体工作原理。如图4和图5所示，第一激光位移传感器103和第二激光位移传感器103’通过卡块105或直接以粘接方式固定在钢轨102的外侧或者内侧。调整第一激光位移传感器103和第二激光位移传感器103’出射激光的方向，使两束出射激光的光点均能直接射到被测车轮101相对的两个表面。

当列车上的被测车轮101从测量装置上通过时，两个激光位移传感器103和103’可连续测量出传感器103(103’)到车轮101踏面上对应点之间的距离，其中一个激光位移传感器的读数增大，另外一个激光位移传感器的读数减少，结果使得两个激光位移传感器的输出之和基本不变。在此情况下，可以按照图5所示的几何关系计算得到车轮的直径D。

$D=\frac{(L^2+{l_1}^2)}{2l_1\sin \mathrm{\α}}-\frac{L}{\tan \mathrm{\α}}+\frac{(L^2+l_2^2)}{2l_2\sin \mathrm{\β}}-\frac{L}{\tan \mathrm{\β}}---\left(2\right)$

式(2)中：L为两个激光位移传感器之间的安装距离的一半，为一常数，α，β分别为第一激光位移传感器103和第二激光位移传感器103’与钢轨表面所成的夹角，为一固定角度；l₁、l₂分别为第一激光位移传感器103和第二激光位移传感器103’测量得到的激光位移传感器到车轮踏面上对应点之间的距离。

需要强调的是，在两个激光位移传感器103与钢轨102表面所成的夹角相等时，测量的误差最小，因此效果最佳。此时，式(2)可以变成：

$D=\frac{(l_1+l_2)}{2\sin \mathrm{\α}}[1+\frac{L^2}{l_1{l}_2}]-\frac{2L}{\tan \mathrm{\α}}---\left(3\right)$

从式(3)可以看出：当列车上的被测车轮101从测量装置上通过时，第一激光位移激光位移传感器103的读数在增大，而第二激光位移传感器103’的读数在减少，由于对称布局，结果使得两个激光位移传感器的输出之和(l1+l2)不变，按式(3)计算得到的直径可基本不变。这样，只要车轮通过两个激光位移传感器103和103’所在的区间，直径测量的结果就与车轮在钢轨上的具体位置基本无关，这就是双激光位移传感器采用对称布局相对于采用不对称(α≠β)布局的优点，也是双激光位移传感器布局相对于单激光位移传感器布局的优点所在。

图6显示了采用两个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第四实施例。该第四实施例与第三实施例的区别就在于第一激光位移传感器103和第二激光位移传感器103’的固定方式不同。如图6所示，两个激光位移传感器103和103’都是通过地基桩205直接固定在地基上，并且沿着钢轨102的方向排列。地基桩205可以埋在钢轨102的外侧或者内侧。其余的技术特征与第三实施例完全相同。

图7所示为采用双激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的使用状态示意图。如该图所示，两个激光位移传感器103和103’采集的数据由电缆线传送到中央处理单元706，由中央处理单元706对数据进行处理分析，得出待测车轮的直径值。并可以由此判断待测车轮轮径是否超限，如果超限则给技术人员发出警报并同时打出报表。

从以上对本车轮直径非接触式动态测量装置的结构和工作原理的说明可以看出，本发明只需要在车轮行进方向的前后分别放置激光位移传感器(车轮定位传感器)，就可以方便地实现对车轮直径的精确测量。在测量过程中，激光位移传感器(车轮定位传感器)不需要与车轮发生直接接触，因此对车轮本身的状态没有要求。利用本发明，不仅在列车车轮放置在车间进行检修的静态情况下可以直接测量车轮的直径参数，在列车行驶的动态情况下也可以实现车轮直径的精确测量。

需要说明的是，本发明不仅适用于对列车车轮直径的精确动态测量，也可以对其他可以在路面上滚动的柱体尺寸实施非接触式测量。其具体的工作原理与上述的四个实施例是完全一致的，只是传感器的安装方式根据实际情况有所不同。具体的安装方式调整是测量领域一般技术人员都能够轻易实现的，在此就不一一赘述了。

上面对本发明所述的基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，基于车轮直径非接触式动态测量装置实现，所述车轮直径非接触式动态测量装置包括中央处理单元、激光位移传感器和车轮定位传感器，所述激光位移传感器和车轮定位传感器分别与所述中央处理单元相连接，所述激光位移传感器和所述车轮定位传感器沿钢轨方向排列，且位于钢轨的同一侧，其特征在于：

(1)将激光位移传感器和车轮定位传感器沿钢轨方向排列；

(2)调整所述激光位移传感器出射激光的方向，使出射激光的光点直接射到被测车轮的踏面，调整所述车轮定位传感器，使之检测到车轮运动时车轮踏面上对应点到所述车轮定位传感器的距离；

(3)由所述激光位移传感器连续测量出所述激光位移传感器到所述车轮踏面上对应点之间的距离；同时，所述车轮定位传感器检测所述车轮踏面上对应点到所述车轮定位传感器之间的距离，当该距离最小时，记录此时所述激光位移传感器到所述车轮踏面上对应点之间的距离；

(4)按照下式计算被测车轮的直径：

$D=\frac{(L^2+l^2)}{l\sin \mathrm{\α}}-\frac{2L}{\tan \mathrm{\α}}$

其中，D为车轮直径，L为激光位移传感器和车轮定位传感器之间的安装距离，α为激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角；l为当车轮定位传感器检测到所述车轮踏面上对应点与车轮定位传感器之间距离最小时，所述激光位移传感器测量的所述激光位移传感器与所述车轮踏面上对应点之间的距离。

2.如权利要求1所述的基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，其特征在于：

所述激光位移传感器为基于三角法的激光位移传感器，所述车轮定位传感器为涡流位移传感器。

3.如权利要求1所述的基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，其特征在于：

所述激光位移传感器和所述车轮定位传感器通过卡块固定方式或直接粘接方式固定在所述钢轨上。

4.如权利要求1所述的基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，其特征在于：

所述激光位移传感器和所述车轮定位传感器分别固定在钢轨旁的地基桩上。

5.一种基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，基于车轮直径非接触式动态测量装置实现，所述车轮直径非接触式动态测量装置包括中央处理单元、第一激光位移传感器和第二激光位移传感器，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别与所述中央处理单元相连接，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器沿钢轨方向排列，且位于钢轨的同一侧，其特征在于：

(1)将第一激光位移传感器和第二激光位移传感器沿钢轨方向排列；

(2)调整两个激光位移传感器出射激光的方向，使出射激光的光点均能直接射到被测车轮的两个相对表面；

(3)由所述两个激光位移传感器分别连续测量出各传感器到车轮踏面上对应点之间的距离，在所述两个激光位移传感器的所测距离之和基本不变时记录各激光位移传感器的距离读数；

(4)按照下式计算被测车轮的直径：

$D=\frac{(L^2+{l_1}^2)}{2l_1\sin \mathrm{\α}}-\frac{L}{\tan \mathrm{\α}}+\frac{(L^2+l_2^2)}{2l_2\sin \mathrm{\β}}-\frac{L}{\tan \mathrm{\β}}$

其中，D为车轮直径，L为所述两个激光位移传感器之间安装距离的一半，α、β分别为所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角，l₁、l₂分别为所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器测量的激光位移传感器与车轮踏面上对应点之间的距离。

6.如权利要求5所述的基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，优选在所述第一激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角等于所述第二激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角时进行测量。

7.如权利要求5所述的基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，其特征在于：

所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器通过卡块固定方式或直接粘接方式固定在所述钢轨上。

8.如权利要求5所述的基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，其特征在于：

所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别固定在钢轨旁的地基桩上。

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