CN101574973A - 钢轨参数自动测量装置、系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光学测量技术领域中的一种钢轨参数自动测量装置、系统及其方法。所述钢轨参数自动测量装置包括钢轨纵向位移自动测量单元、数据传送单元、电源模块，或者还包括中央处理单元和钢轨温度自动测量单元；钢轨纵向位移自动测量单元包括标记、标记接收与处理器和轨边固定桩，或者还包括光源补偿器；通过钢轨纵向位移自动测量单元，可以实现钢轨纵向位移自动测量；所述钢轨参数自动测量系统包括两个或者两个以上钢轨参数自动测量装置和一个共用的中央处理单元；通过钢轨参数自动测量系统可以实现钢轨温度应力的自动测量。本发明实现全天候的测量，测量精度高，能够自动寻找到钢轨的最大温度应力地段，避免事故的发生。

Description

钢轨参数自动测量装置、系统及其方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种钢轨参数自动测量装置、系统及其方法。

背景技术

无缝线路也称焊接长钢轨道，可以满足铁路运输实现高速重载的实际需要，是铁路技术发展的大趋势。目前，中国的铁路运输主干线上普遍使用无缝线路。当几十根甚至几百根标准钢轨焊接在一起，变为无缝线路时，由于扣件阻力及道床阻力的作用，使得长钢轨只能在两端100米范围内发生热胀冷缩，中间部分(称为固定区)不能变形，即不允许钢轨热胀冷缩，于是钢轨内存储了相应的纵向温度应力。在天热时，钢轨内部会产生巨大的压应力，在某一较短的长度内释放其能量，即胀轨跑道；而在天冷时，就可能拉断钢轨。实践证明：不论是胀轨跑道还是拉断钢轨，都可能使运行通过的列车脱轨或颠覆，造成重大列车事故。因此，线路养护人员必须随时了解线路实际的纵向温度应力，用以指导线路的维修，判断发生胀轨和断轨的可能性。

近年来，在城市轨道交通(如地铁、轻轨等)中，为了提高旅客的舒适性，也开始广泛采用无缝线路。对于城市轨道交通而言，由于运行车辆处于人口密集地段，若出现列车脱轨事故，势必造成重大的人员伤亡和财产损失。另一方面，出于安全等方面的考虑，轨道交通线路具有相对封闭性，客观条件不允许在轨道交通运行的整个时段内进行人工温度应力的观察与检测，这就需要有一种能够远程监测无缝线路的温度应力的设备来进行二十四小时不间断的检测。

目前，如何实现对无缝钢轨的温度应力进行准确测量，仍然是国内外普遍关注而又未能很好解决的测量技术难题。多年来，国内外采用了很多方法。其中使用最为广泛的方法之一就是采用位移观察桩方法，即在无缝钢轨上按一定规律贴上一些标记或画上标记线，在固定观察桩(该观察桩固定在地基上，且不随时间发生位置改变)上用经纬仪或直接拉线方法测量这些标记相对于固定观察桩沿钢轨纵向方向位置的改变，通过沿钢轨纵向的两个固定观察桩之间标记位置的相对改变，可以得到钢轨的整体爬行数据，从而计算得到无缝钢轨温度应力的变化情况。这种方法是目前在中国铁路上使用最广泛的无缝线路温度应力测量方法(参见于俊红，《无缝道岔爬行观察桩的合理布置》，《铁道建筑》2005年第7期)。但是，此种方法存在明显的缺点，主要是检测效率低(一般一个月检查1～2次)，检测误差大，一般为1mm或以上，不易及时发现问题，因此仍然存在发生列车脱轨事故的可能性。

针对现有位移观察桩方法的缺陷，在专利号为ZL 99214444.2的中国实用新型专利中，提供了一种钢轨位移观测仪，包括一设置在线路一侧的隐蔽桩，隐蔽桩上设有一观测仪支架，一观测用透镜组设置在所述观测支架上，观测用标记线及测量标尺设置在被测线路的轨腰上。但是，该装置的测量精度有限，只能达到±1mm。另外，在专利号为ZL 02262271.3的中国实用新型专利“钢轨位移观测装置”中，提供了借助激光进行测量的技术解决思路。该钢轨位移观测装置由激光发射器组件和激光接收组件构成，通过使用现代激光准直技术，可使测量极限误差小于1mm，测量精度基本满足铁路工务工作要求。但是，该实用新型中，激光只是提供一个对线的基准，还需要人工测量激光光线与刻线之间的位置，因此测量精度有限，且不能实现自动测量。

为此，我们提出了一种《利用激光自动监测钢轨参数的装置、系统及其方法》(见专利号：ZL 200610113287.4)。该发明使用激光自动测量钢轨的位移，并将测量数值通过无线通信网络传送到中央处理单元，从而实现对观察点位移和温度应力的远程监测，但由于需要在钢轨上安装钢轨位移测量单元，这些测量单元具有一定的重量和大小，容易受钢轨振动而脱离，造成测量失败。

发明内容

本发明的目的是，针对目前已有的无缝线路温度应力测量装置及方法中存在的缺陷，提出一种钢轨参数自动测量装置、系统及其方法。

本发明的技术方案是，一种钢轨参数自动测量装置，包括钢轨纵向位移自动测量单元、数据传送单元4和电源模块5，其特征是，

所述钢轨纵向位移自动测量单元包括标记1、标记接收与处理器2和轨边固定桩8；

所述标记1固定在钢轨轨头或轨腰的任意位置的表面，且标记1方向与水平方向垂直；

所述标记接收与处理器2由成像透镜201、光电位置探测器202、信号处理器203、安装盒204、第一支架205和第二支架206组成；

所述安装盒204开有透明窗口；

所述标记接收与处理器2安装在所述轨边固定桩8上，使得标记1通过所述安装盒204的透明窗口后，经过成像透镜201成像于光电位置探测器202的中间位置；

所述成像透镜201和所述光电位置探测器202分别通过第一支架205和第二支架206固定在安装盒204内，并使成像透镜201的光轴与光电位置探测器202的光敏面垂直；

所述光电位置探测器202与信号处理器203相连；

所述标记接收与处理器2与所述数据传送单元4和所述电源模块5相连接；

所述轨边固定桩8安装在钢轨7外侧或者钢轨7内侧；

所述数据传送单元4固定在轨边固定桩8上；

所述电源模块5固定在轨边固定桩8上，用于将线路边提供的交流或直流电压或者电池电压通过变换处理得到稳压电压，为标记接收与处理器2、数据传送单元4提供工作电压。

所述装置还包括中央处理单元9，中央处理单元9通过有线或者无线方式与数据传送单元4连接。

所述装置还包括钢轨温度自动测量单元3，所述钢轨温度自动测量单元3以粘接或机械连接方式固定在钢轨7上，或者以粘接或机械连接方式固定在轨边固定桩8上；并与所述数据传送单元4和所述电源模块5相连接；

所述钢轨温度自动测量单元3包括顺序连接的温度传感器、信号处理电路、数据转换接口电路。

所述钢轨纵向位移自动测量单元还包括光源补偿器6，光源补偿器6由光源单元601和控制单元602组成，用于为标记1提供照射光；光源单元601与控制单元602连接；

所述光源单元601为高亮发光二极管603，或由高亮发光二极管603与准直光路构成；所述准直光路由第一透镜606或者由第一透镜606、第二透镜607组成的透镜组构成；所述准直光路将高亮发光二极管603发出的光照射到标记1上；

所述控制单元602由光强测量器604和控制电路605组成，光强测量器604和控制电路605连接；

光源单元601通过控制单元602与电源模块5相连。

所述标记1通过油漆直接喷涂在钢轨7上，或者由可粘贴的物质直接贴在钢轨7上。

所述光电位置探测器202采用线阵电荷耦合器件、面阵电荷耦合器件、四象限光电探测器或者位置敏感探测器中的任意一种。

所述信号处理器203由前置放大电路、位置信号处理电路、数据转换接口电路三个模块组成，前置放大电路、位置信号处理电路、数据转换接口电路顺序连接。

一种钢轨纵向位移自动测量方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：安装钢轨参数自动测量装置；

步骤2，选择光源补偿器6的工作模式，控制电路605对光强测量器件604测得的光强值进行判断，当光强低于设定阈值时，连通光源单元601与电源模块5，使光源单元601发光；否则，断开光源单元601与电源模块5，光源单元停止发光。

步骤3：进行初始测量，标记1在光电位置探测器202上成像时，由信号处理器203对光电位置探测器202的输出信号进行处理，得出标记1的像在光电位置探测器202上的初始位置，并将所得数据通过数据传送单元4送入中央处理单元9；

步骤4：当钢轨7存在纵向位移时，标记1的像在光电位置探测器202上的位置会发生改变，由信号处理器203得出标记1的像在光电位置探测器202上的实时位置，并将所得数据通过数据传送单元4送入中央处理单元9；

步骤5：由步骤3和步骤4分别得到的标记1的初始位置和实时位置，在中央处理单元9中，根据透镜成像公式原理，计算出标记1与标记接收与处理器2沿钢轨7纵向方向相对位置的变化量，从而得到钢轨7的位移数据。

一种钢轨参数自动测量系统，包括两个或者两个以上的钢轨参数自动测量装置和一个共用的中央处理单元9，其特征是每两个钢轨参数自动测量装置组成钢轨参数自动测量装置组，每组钢轨参数自动测量装置组中包括至少一个钢轨温度自动测量单元3，且所述钢轨温度自动测量单元3与钢轨参数自动测量装置组中的钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连接，所有钢轨参数自动测量装置的数据传送单元共用同一个中央处理单元9，且所有数据传送单元与中央处理单元9通过有线或者无线方式连接。

一种钢轨温度应力自动测量方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：选取钢轨参数自动测量系统中的一组钢轨参数自动测量装置组，将其中的两个钢轨参数自动测量装置分别记为第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置；

步骤2：在任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤3：与步骤2同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤4：与步骤2同一时刻，钢轨温度自动测量单元3测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值；

步骤5：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4，分别将步骤2、步骤3和步骤4测得的数据传送到中央处理单元9；

步骤6：在步骤2选取的时刻之后的任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤7：与步骤6同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤8：与步骤6同一时刻，钢轨温度自动测量单元3测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值；

步骤9：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置数据传送单元4，将步骤6和步骤7和步骤8测得的数据传送到中央处理单元9；

步骤10：中央处理单元9对两个不同时刻的两组钢轨参数自动测量装置传送的数据进行处理，得到两个钢轨参数自动测量装置对应长度的长度变化ΔL，以及两个不同时刻的钢轨温度的变化值ΔT，按照常规计算方法计算得到两组钢轨参数自动测量装置之间钢轨温度应力。

本发明的效果在于，采用标记作为被测目标来自动测量钢轨的位移，避免了人工误差，测量精度大大提高；不需要在钢轨上安装任何的测量单元或者装置，避免由于受钢轨振动脱离造成的测量失败；光源补偿器可以实现全天候的测量；且由两个或者两个以上钢轨参数自动测量装置、一个中央处理单元构成的钢轨参数自动测量系统，能够自动寻找到钢轨的最大温度应力地段，避免事故的发生。

附图说明

图1是本发明的实施例一的钢轨参数自动测量装置的组成示意图。

图2是标记位置示意图。

图3是标记形状示意图。

图4是光源补偿器的组成示意图。

图5是中央处理单元的组成示意图。

图6是本发明的实施例二的钢轨参数自动测量系统原理图。

图7是本发明的实施例二的带钢轨温度自动测量单元的钢轨参数自动测量装置组成示意图。

图8是钢轨温度自动测量单元的结构示意图。

图9是本发明的实施例三的钢轨参数自动测量系统测量钢轨温度应力的原理示意图。

图10是本发明的实施例三的带钢轨温度自动测量单元的钢轨参数自动测量装置组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例一：

图1是本发明的实施例一的钢轨参数自动测量装置的组成示意图。如图1所示，钢轨参数自动测量装置包括钢轨纵向位移自动测量单元、数据传送单元4、电源模块5。

钢轨纵向位移自动测量单元包括标记1和标记接收与处理器2，还可以包括光源补偿器6。

标记接收与处理器2由成像透镜201、光电位置探测器202、信号处理器203、安装盒204、第一支架205和第二支架206组成，它设置在能探测到标记1的光路上，并对应安装在轨边固定桩8上，与数据传送单元4相连接。成像透镜201通过第一支架205固定在安装盒204内。安装盒204开有透明窗口。光电位置探测器202通过第二支架206固定在安装盒204内，它可以采用线阵电荷耦合器件、四象限光电探测器、位置敏感探测器或者面阵电耦合器件中的任意一种。安装盒204密封。标记1通过安装盒204的透明窗口，经过成像透镜201成像于光电位置探测器202上。信号处理器203由前置放大电路、位置信号处理电路、数据转换接口电路三个功能模块组成，这三个功能模块顺序连接。光电位置探测器202与信号处理器203相连。

轨边固定桩8安装在钢轨7外侧，与钢轨7的距离根据现场施工情况确定。

数据传送单元4固定在轨边固定桩8上，与标记位移自动测量单元相连接，接收光信号的变化数据，并将该数据以有线或无线的方式据送入中央处理单元9。

电源模块5固定在轨边固定桩8上，用于将线路边提供的交流或直流电压通过变换等处理得到稳压电压，为光源补偿器6、标记接收与处理器2、数据传送单元4提供工作电压。

钢轨参数自动测量装置还包括中央处理单元9，数据传送单元4以有线或者无线方式与中央处理单元9进行连接。

图2是标记位置示意图。如图2所示，标记1可以位于钢轨7轨头或者轨腰的任意位置。图2(a)中，标记1位于钢轨7轨头；图2(b)中，标记1位于钢轨7的轨腰的上部；图2(c)中，标记1位于钢轨7轨腰的中部；图2(d)中，标记1位于钢轨7轨腰的下部。标记1的方向与水平方向垂直，由油漆直接画在钢轨7上，或者由其他可粘贴的物质直接贴在钢轨7上。

图3是标记形状示意图。如图3所示，标记1的形状可以是“1”字或者其它类似符号。图3(a)中，标记1的形状是一个类似“1”字的细线条；图3(b)中，标记1的形状是一个类似“1”字的粗线条；图3(c)中，标记1的形状是两短一长的细线条。标记1也可以根据具体实施情况采用其它类似符号。

图4是光源补偿器的组成示意图。如图4所示，光源补偿器6由光源单元601和控制单元602连接组成，安装在可以照射到标记1的地方。图4(a)中，光源单元601为高亮发光二极管603；图4(b)中，光源单元601由高亮发光二极管603、第一透镜606、第二透镜607构成；或者光源单元601由其他类型的光源构成。两个透镜606、607组成一个透镜组，作为准直光路将高亮发光二极管603发出的光照射到标记1上。控制单元602由光强测量器件604、控制电路605组成，光源单元601通过控制单元602与电源模块5相连。

图5是中央处理单元的组成示意图。如图5所示，中央处理单元9主要由测量数据接收模块、计算处理单元、软件处理系统、显示与存储四个功能模块组成。这四个功能模块顺序连接。

基于上述钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量方法，包括下列步骤：

步骤1：安装上述钢轨参数自动测量装置；

步骤2：选择光源补偿器6的工作模式，控制电路605对光强测量器件604测得的光强值进行判断，当光强低于设定阈值时，连通光源单元601与电源模块5，使光源单元发光；否则，断开光源单元601与电源模块5，光源单元停止发光。阈值根据现场情况、光电位置探测器202的动态范围共同确定。该步骤在不需要进行阴天、夜间或者特殊环境下(比如日食、雨雾、沙尘等天气)测量时可以省去。

步骤3：进行初始测量，标记1在光电位置探测器202上成像时，由信号处理器203对光电位置探测器202的输出信号进行处理，得出标记1的像在光电位置探测器202上的初始位置，并将所得数据通过数据传送单元4送入中央处理单元9；

步骤4：当钢轨7存在纵向位移时，标记1的像在光电位置探测器202上的位置会发生改变，由信号处理器203得出标记1的像在光电位置探测器202上的实时位置，并将所得数据通过数据传送单元4送入中央处理单元9；

步骤5：由步骤3和步骤4分别得到的标记1的初始位置和实时位置，可以得到标记1的位置改变量，根据透镜成像公式原理，可以计算出标记1与标记接收与处理器2沿钢轨7纵向方向相对位置的变化量，从而得到钢轨7的位移数据。该步骤在中央处理单元9中进行。

实施例二：

图6是本发明的实施例二的钢轨参数自动测量系统原理图。如图6所示，钢轨参数自动测量系统包括两个或者两个以上的钢轨参数自动测量装置和一个共用的中央处理单元9，每两个钢轨参数自动测量装置组成钢轨参数自动测量装置组，每组钢轨参数自动测量装置组中包括至少一个钢轨温度自动测量单元3，且钢轨温度自动测量单元3与钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连，所有钢轨参数自动测量装置的数据传送单元共用同一个中央处理单元9，且所有数据传送单元与中央处理单元9通过有线或者无线方式连接。

在实际应用中，钢轨参数自动测量系统的部署可以有三种方式：

第一种方式为，当两个钢轨参数自动测量装置组成的钢轨参数自动测量装置组相隔距离较近时，在钢轨参数自动测量装置组中安装一个钢轨温度自动测量单元3即可，该钢轨温度自动测量单元3以粘接或机械连接方式固定在钢轨7上，或者以粘接或机械连接方式固定在钢轨参数自动测量装置组中任意一个钢轨参数自动测量装置的轨边固定桩8上，并与该钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连接。

第二种方式为：当两个钢轨参数自动测量装置组成的钢轨参数自动测量装置组相隔距离较远时，钢轨参数自动测量装置组中安装两个钢轨温度自动测量单元3，每个钢轨温度自动测量单元3以粘接或机械连接方式固定在钢轨7上，或者以粘接或机械连接方式分别固定在钢轨参数自动测量装置组中的两个钢轨参数自动测量装置的轨边固定桩8上，并分别与相应的钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连接。实施例二采用的就是这种方式。

第三种方式为：当两个钢轨参数自动测量装置组成的钢轨参数自动测量装置组相隔距离较远时，钢轨参数自动测量装置组中安装两个或者两个以上钢轨温度自动测量单元3，每个钢轨温度自动测量单元3以粘接或机械连接方式均匀分布地固定在两个钢轨参数自动测量装置的轨边固定桩8之间的钢轨7上，每个钢轨温度自动测量单元3和与其距离最近的钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连接。

图7是本发明的实施例二的带钢轨温度自动测量单元的钢轨参数自动测量装置组成示意图。图7中，钢轨温度自动测量单元3以粘接或机械连接方式固定在钢轨7上，并与所述数据传送单元4和所述电源模块5相连接。其它部分的连接关系与实施例一相同。

图8是钢轨温度自动测量单元的结构示意图。图8所示，钢轨温度自动测量单元3包括顺序连接的温度传感器、信号处理电路、数据转换接口电路。

一种基于上述钢轨参数自动测量系统的钢轨参数自动测量方法，对应上面描述的三种部署方式，可以通过下列三种方式实现：

方式一、对应第一种部署方式。当两个钢轨参数自动测量装置组成的钢轨参数自动测量装置组相隔距离较近时，同一时刻两个钢轨参数自动测量装置对应的钢轨温度差异很小，可以忽略不计，此时测量其中的一个钢轨参数自动测量装置对应的钢轨温度即可。所以，这时只需在钢轨参数自动测量装置组中安装一个钢轨温度自动测量单元3。这种方式下，钢轨参数自动测量包括下列步骤：

步骤101：选取钢轨参数自动测量系统中的一组钢轨参数自动测量装置组，将其中的两个钢轨参数自动测量装置分别记为第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置，其中的第一钢轨参数自动测量装置包括钢轨温度自动测量单元3。

步骤102：在任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₁₁；同时，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨温度自动测量单元3测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值T₁。

步骤103：与步骤102同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₁₂。

步骤104：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4，分别将步骤102、步骤103测得的数据(P₁₁、P₁₂、T₁)传送到中央处理单元9。

步骤105：在步骤102选取的时刻之后的任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₂₁；同时，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨温度自动测量单元3测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值T₂。

步骤106：与步骤105同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₂₂。

步骤107：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置数据传送单元4，将步骤105和步骤106测得的数据(P₂₁、P₂₂、T₂)传送到中央处理单元9。

步骤108：中央处理单元9对两个不同时刻的两组钢轨参数自动测量装置传送的数据进行处理，得到两个钢轨参数自动测量装置对应长度的长度变化ΔL，以及两个不同时刻的钢轨温度的变化值ΔT：

前一测量时刻两个钢轨参数自动测量装置对应长度：L₁＝|P₁₁-P₁₂|；

前一测量时刻钢轨温度：T₁；

后一测量时刻两个钢轨参数自动测量装置对应长度：L₂＝|P₂₁-P₂₂|；

后一测量时刻钢轨温度：T₂；

ΔL＝|L₁-L₂|；

ΔT＝|T₁-T₂|；

按照常规计算方法计算得到两个钢轨参数自动测量装置之间钢轨温度应力。

方式二、对应第二种部署方式。当两个钢轨参数自动测量装置组成的钢轨参数自动测量装置组相隔距离较远时，同一时刻两个钢轨参数自动测量装置对应的钢轨温度有差异，此时，需要测量两个钢轨参数自动测量装置对应的钢轨温度，并将平均值作为钢轨的温度值。此时，需要在钢轨参数自动测量装置组中安装两个钢轨温度自动测量单元3，每个钢轨温度自动测量单元3分别与两个钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连接。这种方式下，钢轨参数自动测量包括下列步骤：

步骤201：选取钢轨参数自动测量系统中的一组钢轨参数自动测量装置组，将其中的两个钢轨参数自动测量装置分别记为第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置，其中与第一钢轨参数自动测量装置的数据传送单元(4)和电源模块(5)相连接的钢轨温度自动测量单元3记为第一钢轨温度自动测量单元，与第二钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连接的钢轨温度自动测量单元3记为第二钢轨温度自动测量单元。

步骤202：在任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₁₁；同时，利用第一钢轨温度自动测量单元测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值T₁₁。

步骤203：与步骤202同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₁₂；同时，利用第二钢轨温度自动测量单元测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值T₁₂。

步骤204：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4，分别将步骤202、步骤203测得的数据P₁₁、T₁₁、P₁₂、T₁₂传送到中央处理单元9。

步骤205：在步骤202选取的时刻之后的任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₂₁；同时，利用第一钢轨温度自动测量单元测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值T₂₁。

步骤206：与步骤205同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₂₂，同时，利用第二钢轨温度自动测量单元测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩(8)的温度数值T₂₂。

步骤207：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置数据传送单元4，将步骤205和步骤206测得的数据P₂₁、T₂₁、P₂₂、T₂₂传送到中央处理单元9。

步骤208：中央处理单元9对两个不同时刻的两个钢轨参数自动测量装置传送的数据进行处理，得到两组钢轨参数自动测量装置对应长度的长度变化ΔL，以及两个不同时刻的钢轨温度的变化值ΔT。其中：

前一测量时刻两个钢轨参数自动测量装置对应长度：L₁＝|P₁₁-P₁₂|；

前一测量时刻钢轨温度：T₁＝|T₁₁-T₁₂|；

后一测量时刻两个钢轨参数自动测量装置对应长度：L₂＝|P₂₁-P₂₂|；

后一测量时刻钢轨温度：T₂＝|T₂₁-T₂₂|；

ΔL＝|L₁-L₂|；

ΔT＝|T₁-T₂|；

按照常规计算方法计算得到两组钢轨参数自动测量装置之间钢轨温度应力。

方式二也是实施例二提供的钢轨参数自动测量方法。

方式三、对应第三种部署方式。当两个钢轨参数自动测量装置组成的钢轨参数自动测量装置组相隔距离较远时，同一时刻两个钢轨参数自动测量装置对应的钢轨温度有差异，此时，测量两个钢轨参数自动测量装置对应的钢轨温度值并计算其平均值不能得到准确的钢轨的温度值时，需要在钢轨参数自动测量装置组中安装多个钢轨温度自动测量单元3，并通过每个钢轨温度自动测量单元3测量钢轨的温度且求所有钢轨温度自动测量单元3测量的温度的平均值，这样才能获得较为准确的钢轨温度。此时，每个钢轨温度自动测量单元3和与其距离最近的钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4和电源模块5相连接。这种方式下，钢轨参数自动测量包括下列步骤：

步骤301：选取钢轨参数自动测量系统中的一组钢轨参数自动测量装置组，将其中的两个钢轨参数自动测量装置分别记为第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置；

步骤302：在任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₁₁；

步骤303：与步骤302同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₁₂；

步骤304：与步骤302同一时刻，每个钢轨温度自动测量单元3测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值T₁₁、T₁₂、...、T_1n(n≥2)；

步骤305：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置的数据传送单元4，分别将步骤302、步骤303、步骤304测得的数据P₁₁、P₁₂、T₁₁、T₁₂、...、T_1n(n≥2)传送到中央处理单元9；

步骤306：在步骤302选取的时刻之后的任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₂₁；

步骤307：与步骤306同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩8和钢轨7之间沿钢轨纵向方向的相对位置P₂₂；

步骤308：与步骤306同一时刻，每个钢轨温度自动测量单元测量得到该处钢轨7或者轨边固定桩8的温度数值T₂₁、T₂₂、...、T_2n(n≥2)；

步骤309：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置数据传送单元4，将步骤306、步骤307和步骤308测得的数据P₂₁、P₂₂、T₂₁、T₂₂、...、T_2n(n≥2)传送到中央处理单元9；

步骤310：中央处理单元9对两个不同时刻的两个钢轨参数自动测量装置传送的数据进行处理，得到两组钢轨参数自动测量装置对应长度的长度变化ΔL，以及两个不同时刻的钢轨温度的变化值ΔT。其中，

前一测量时刻两个钢轨参数自动测量装置对应长度：L₁＝|P₁₁-P₁₂|；

前一测量时刻钢轨温度： $T_1=\left|\frac{T_{11}+T_{12}+...+T_{1n}}{n}\right|;$

后一测量时刻两个钢轨参数自动测量装置对应长度：L₂＝|P₂₁-P₂₂|；

后一测量时刻钢轨温度： $T_2=\left|\frac{T_{21}+T_{22}+...+T_{2n}}{n}\right|;$

ΔL＝|L₁-L₂|；

ΔT＝|T₁-T₂|；

按照常规计算方法计算得到两组钢轨参数自动测量装置之间钢轨温度应力。

实施例三：

图9是本发明的实施例三的钢轨参数自动测量系统测量钢轨温度应力的原理示意图。图9中，钢轨温度自动测量单元3，以粘接或机械连接方式固定在轨边固定桩8上。其它部分的连接关系与实施例二相同。

图10是本发明的实施例三的带钢轨温度自动测量单元的钢轨参数自动测量装置组成示意图。如图10所示，在测量时，钢轨温度自动测量单元3得到的是轨边固定桩8的温度值，由于钢轨7与对应的轨边固定桩8的距离不足以产生温度的差异，故以轨边固定桩温度代替钢轨温度。

当以图9和图10所示的钢轨参数自动测量系统测量钢轨温度应力时，钢轨温度自动测量单元3不再测量钢轨7的温度，而是用测量轨边固定桩8的温度代替钢轨7的温度。

实施例一中的一种钢轨纵向位移自动测量装置适合于强光或者弱光条件下对钢轨纵向位移进行自动测量。实施例二、实施例三中的钢轨参数自动测量系统特别适合地铁无缝线路或者野外线路的远程自动监测。实施例三中的钢轨参数自动测量系统未在钢轨上安装任何测量装置，相较于实施例二，可以工作更长时间。

在进行远程自动测量时，各测量点上的钢轨参数自动测量装置将标记接收与处理器2处理得到的数值和温度自动测量单元3处理得到的温度数值，通过数据传送单元4送到中央处理单元9，从而实现中央处理单元9对各个测量点的远程监测。中央处理单元9可以长期对各钢轨参数自动测量装置的测量数据进行采样，得到钢轨温度应力，实现对钢轨温度应力的长期不间断监测。进一步还能够自动寻找到钢轨的最大温度应力地段，有效避免事故的发生

在进行远程自动测量时，各钢轨参数自动测量装置中的数据传送单元4优选使用无线通信方式与中央处理单元9相连接。使用无线通信方式能够显著降低本钢轨参数自动监测系统的实现成本。

本发明的效果在于，采用标记作为被测目标来自动测量钢轨的位移，避免了人工误差，测量精度大大提高；另外，本发明不需要在钢轨上安装任何的测量单元或者装置，避免由于受钢轨振动脱离造成的测量失败；同时，本发明的光源补偿器可以在阴天、夜间和视线不理想的条件下，提供光源，实现全天候的测量；最后，由两个或者两个以上钢轨参数自动测量装置、一个中央处理单元构成的钢轨参数自动测量系统，能够自动寻找到钢轨的最大温度应力地段，避免事故的发生。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钢轨参数自动测量装置，包括钢轨纵向位移自动测量单元、数据传送单元(4)和电源模块(5)，其特征是，

所述钢轨纵向位移自动测量单元包括标记(1)、标记接收与处理器(2)和轨边固定桩(8)；

所述标记(1)固定在钢轨轨头或轨腰的任意位置的表面，且标记(1)方向与水平方向垂直；

所述标记接收与处理器(2)由成像透镜(201)、光电位置探测器(202)、信号处理器(203)、安装盒(204)、第一支架(205)和第二支架(206)组成；

所述安装盒(204)开有透明窗口；

所述标记接收与处理器(2)安装在所述轨边固定桩(8)上，使得标记(1)通过安装盒(204)的透明窗口后，经过成像透镜(201)成像于光电位置探测器(202)的中间位置；

所述成像透镜(201)和所述光电位置探测器(202)分别通过第一支架(205)和第二支架(206)固定在安装盒(204)内，并使成像透镜(201)的光轴与光电位置探测器(202)的光敏面垂直；

所述光电位置探测器(202)与信号处理器(203)相连；

所述标记接收与处理器(2)与所述数据传送单元(4)和所述电源模块(5)相连接；

所述轨边固定桩(8)安装在钢轨(7)外侧或者钢轨(7)内侧；

所述数据传送单元(4)固定在轨边固定桩(8)上；

所述电源模块(5)固定在轨边固定桩(8)上，用于将线路边提供的交流或直流电压或者电池电压通过变换处理得到稳压电压，为标记接收与处理器(2)、数据传送单元(4)提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨参数自动测量装置，其特征是所述装置还包括中央处理单元(9)，中央处理单元(9)通过有线或者无线方式与数据传送单元(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨参数自动测量装置，其特征是所述装置还包括钢轨温度自动测量单元(3)，所述钢轨温度自动测量单元(3)以粘接或机械连接方式固定在钢轨(7)上，或者以粘接或机械连接方式固定在轨边固定桩(8)上；并与所述数据传送单元(4)和所述电源模块(5)相连接；

所述钢轨温度自动测量单元(3)包括顺序连接的温度传感器、信号处理电路、数据转换接口电路。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨参数自动测量装置，其特征是所述钢轨纵向位移自动测量单元还包括光源补偿器(6)，光源补偿器(6)由光源单元(601)和控制单元(602)组成，用于为标记(1)提供照射光；光源单元(601)与控制单元(602)连接；

所述光源单元(601)为高亮发光二极管(603)，或由高亮发光二极管(603)与准直光路构成；所述准直光路由第一透镜(606)或者由第一透镜(606)、第二透镜(607)组成的透镜组构成；所述准直光路将高亮发光二极管(603)发出的光照射到标记(1)上；

所述控制单元(602)由光强测量器(604)和控制电路(605)组成，光强测量器(604)和控制电路(605)连接；

光源单元(601)通过控制单元(602)与电源模块(5)相连。

5.根据权利要求1所述的一种钢轨参数自动测量装置，其特征是所述标记(1)通过油漆直接喷涂在钢轨(7)上，或者由可粘贴的物质直接贴在钢轨(7)上。

6.根据权利要求1所述的一种钢轨参数自动测量装置，其特征是所述光电位置探测器(202)采用线阵电荷耦合器件、面阵电荷耦合器件、四象限光电探测器或者位置敏感探测器中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种钢轨参数自动测量装置，其特征是所述信号处理器(203)由前置放大电路、位置信号处理电路、数据转换接口电路三个模块组成，前置放大电路、位置信号处理电路、数据转换接口电路顺序连接。

8.一种如权利要求1所述的钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：安装钢轨参数自动测量装置；

步骤2，选择光源补偿器(6)的工作模式，控制电路(605)对光强测量器件(604)测得的光强值进行判断，当光强低于设定阈值时，连通光源单元(601)与电源模块(5)，使光源单元(601)发光；否则，断开光源单元(601)与电源模块(5)，光源单元停止发光；

步骤3：进行初始测量，标记(1)在光电位置探测器(202)上成像时，由信号处理器(203)对光电位置探测器(202)的输出信号进行处理，得出标记(1)的像在光电位置探测器(202)上的初始位置，并将所得数据通过数据传送单元(4)送入中央处理单元(9)；

步骤4：当钢轨(7)存在纵向位移时，标记(1)的像在光电位置探测器(202)上的位置会发生改变，由信号处理器(203)得出标记(1)的像在光电位置探测器(202)上的实时位置，并将所得数据通过数据传送单元(4)送入中央处理单元(9)；

步骤5：由步骤3和步骤4分别得到的标记(1)的初始位置和实时位置，在中央处理单元(9)中，根据透镜成像公式原理，计算出标记(1)和标记接收与处理器(2)沿钢轨(7)纵向方向相对位置的变化量，从而得到钢轨(7)的位移数据。

9.一种钢轨参数自动测量系统，包括两个或者两个以上的钢轨参数自动测量装置和一个共用的中央处理单元(9)，其特征是每两个钢轨参数自动测量装置组成钢轨参数自动测量装置组，每组钢轨参数自动测量装置组中包括至少一个钢轨温度自动测量单元(3)，且所述钢轨温度自动测量单元(3)与钢轨参数自动测量装置组中的钢轨参数自动测量装置的数据传送单元(4)和电源模块(5)相连接，所有钢轨参数自动测量装置的数据传送单元共用同一个中央处理单元(9)，且所有数据传送单元与中央处理单元(9)通过有线或者无线方式连接。

10.一种如权利要求9所述的钢轨参数自动测量系统的钢轨温度应力自动测量方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：选取钢轨参数自动测量系统中的一组钢轨参数自动测量装置组，将其中的两个钢轨参数自动测量装置分别记为第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置；

步骤2：在任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩(8)和钢轨(7)之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤3：与步骤2同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩(8)和钢轨(7)之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤4：与步骤2同一时刻，钢轨温度自动测量单元(3)测量得到该处钢轨(7)或者轨边固定桩(8)的温度数值；

步骤5：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置的数据传送单元(4)，分别将步骤2、步骤3和步骤4测得的数据传送到中央处理单元(9)；

步骤6：在步骤2选取的时刻之后的任意时刻，利用第一钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩(8)和钢轨(7)之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤7：与步骤6同一时刻，利用第二钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量单元测量得到该处轨边固定桩(8)和钢轨(7)之间沿钢轨纵向方向的相对位置；

步骤7：与步骤6同一时刻，钢轨温度自动测量单元(3)测量得到该处钢轨(7)或者轨边固定桩(8)的温度数值；

步骤9：通过第一钢轨参数自动测量装置和第二钢轨参数自动测量装置数据传送单元(4)，将步骤6、步骤7和步骤8测得的数据传送到中央处理单元(9)；

步骤10：中央处理单元(9)对两个不同时刻的两个钢轨参数自动测量装置传送的数据进行处理，得到两组钢轨参数自动测量装置对应长度的长度变化ΔL，以及两个不同时刻的钢轨温度的变化值ΔT，按照常规计算方法计算得到两组钢轨参数自动测量装置之间钢轨温度应力。

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