CN106592355A - 一种测量轨道倾斜角度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量轨道倾斜角度的装置和方法，属于利用激光测量轨道不平顺度的技术。本发明装置沿列车行驶方向垂直于列车车厢地板放置所述第一支撑组件和第二支撑组件；所述第一支撑组件上表面始终保持水平；所述第二支撑组件上表面随轨道的倾斜而倾斜；所述激光器放置在第一支撑组件上表面发射始终水平的第一光束；第一反射镜放置在第二支撑组件上表面并随轨道倾斜而倾斜；所述第一反射镜用于将第一光束反射形成第二光束；所述偏转检测组件接收所述第二光束并检测所述第二光束的光路变化量，并输出检测信号；所述数据分析模块根据所述检测信号计算轨道倾斜角度。本发明装置和方法进行轨道检测时更加便捷、检测效果更加灵敏。

Description

一种测量轨道倾斜角度的装置和方法

技术领域

本发明属于轨道不平顺度检测技术领域，涉及一种利用激光测量轨道倾斜角度或局部变形的装置和方法。

背景技术

轨道交通运输量大、快速便捷、低能耗、高效率，给人们的工作和生活带来了巨大的便利。由于铁路轨道的不平顺，造成了轮轨冲击载荷，导致轮轨之间形成较大的作用力，轻则引起钢轨、车轮等部件的损伤，重则造成重大事故，威胁人民的生命财产。因此，轨道不平顺度检测技术已成为高速铁路建造技术中的关键问题。

目前用于测量轨道不平顺度的检测的方法有以下几种：两点差分法、三点中弦法、多点弦测法等，或者有：惯性位移法、箱轴加速度积分法、箱轴加速度快速傅立叶变换法、质量弹簧系统加速度积分与位移相加法等。但是这几种方式都在不同程度上面临着一定的问题，例如安装困难、受环境影响大、易受到破坏、难修复以及精度不够高、造价昂贵等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于以上轨道不平顺度的检测技术存在的问题，本发明公开了一种结构简单、检测效果更加灵敏的利用激光测量轨道倾斜角度或局部变形的装置和方法。

(二)技术方案

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种测量轨道倾斜角度的装置，包括第一支撑组件、第二支撑组件、激光器、第一反射镜、偏转检测组件和数据分析模块；所述第一支撑组件和第二支撑组件沿列车在所述轨道上的行驶方向置于列车车厢底板；所述第一支撑组件上表面始终保持水平；所述第二支撑组件上表面随车厢底板的倾斜而倾斜；所述激光器放置在第一支撑组件上表面并始终保持水平，用于发射始终保持水平的第一光束，并入射至第一反射镜；第一反射镜放置在第二支撑组件上表面并随轨道倾斜而倾斜；所述第一反射镜用于反射第一光束而形成第二光束；所述偏转检测组件用于接收所述第二光束并检测所述第二光束的光路变化量，并输出检测信号；所述数据分析模块根据所述检测信号计算所述轨道的倾斜角度。

可选的，所述偏转检测组件放置在第二支撑组件上。所述第一支撑组件包括第一支架、悬垂体和阻尼器；所述第一支架垂直于列车车厢底板放置；所述悬垂体通过转轴悬挂在所述第一支架上；所述转轴穿过所述悬垂体和激光器的整体的重心；所述阻尼器连接在所述悬垂体上，用于防止悬垂体晃动。

可选的，所述偏转检测组件放置在第一支撑组件上。所述第一支撑组件包括支架、悬垂体和阻尼器；所述支架垂直于列车车厢底板放置；所述悬垂体上水平放置所述激光器；所述悬垂体通过转轴悬挂在所述第一支架上；所述转轴穿过所述悬垂体、激光器和偏转检测组件的整体的重心；所述阻尼器连接在所述悬垂体上，用于防止悬垂体晃动。

优选的，所述偏转检测组件包括第二反射镜、电荷耦合器；所述第二反射镜用于对所述第二光束反射至少一次，以放大所述第二光束的光路变化量，并最终将所述第二光束照射到所述电荷耦合器表面；所述电荷耦合器用于检测到达其表面的第二光束的光斑位移变化，输出所述检测信号。

本发明还提供了一种使用上述装置测量轨道倾斜角度的方法，包括以下步骤：

S1、所述激光器发射始终保持水平的第一光束，并入射至第一反射镜；

S2、所述第一反射镜用于反射所述第一光束反射而形成第二光束；

S3、所述偏转检测组件接收所述第二光束，检测所述第二光束的光路变化，并输出检测信号；

S4、所述数据分析模块根据所述检测信号计算轨道倾斜角度。

(三)有益效果

1.本发明监测方法简单：通过偏转检测组件中电荷耦合器接收到第二光束的光斑位置的变化既可以间接计算出轨道的倾斜角度。

2.本发明装置成本更低：不需要全站仪等昂贵设备，通过简单的机械设计、激光器以及电荷耦合器等就可以实现测量铁路轨道倾斜角度的功能。

3.测量速度快：通过将本发明装置固定在列车上即可以对全条铁路进行快速测量。

4.使用周期长：本发明装置实用的这些常规器件的使用非常成熟，寿命长。

附图说明

图1是本发明一实施例的测量轨道倾斜角度的装置结构图；

图2是利用本发明一实施例装置测量轨道倾斜角度的方法流程示意图；

图3是利用本发明一实施例的装置测量轨道倾斜角度的过程示意图；

图4是图3的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种测量轨道倾斜角度的装置，包括第一支撑组件、第二支撑组件、激光器、第一反射镜、偏转检测组件和数据分析模块；第一支撑组件和第二支撑组件沿列车在所述轨道上的行驶方向置于列车车厢底板；第一支撑组件上表面始终保持水平；第二支撑组件上表面随轨道的倾斜而倾斜；激光器放置在第一支撑组件上表面并始终保持水平，用于发射始终水平的第一光束，并入射至第一反射镜；第一反射镜放置在第二支撑组件上表面并随轨道倾斜而倾斜，第一反射镜用于将第一光束反射而形成第二光束；偏转检测组件用于接收第二光束并检测第二光束的光路变化量，并输出检测信号；数据分析模块根据该检测信号计算所述轨道的倾斜角度。本发明通过确保第一光束始终水平地入射至第一反射镜，同时使第一反射镜随轨道的倾斜而发生倾斜，由此导致经第一反射镜反射形成的第二光束的光路随轨道的倾斜而变化，然后检测第二光束的光路变化，计算可得出轨道的倾斜角度。通过将本发明装置固定在列车上即可以对全条铁路进行快速测量。

本发明一实施例的测量轨道倾斜角度的装置如图1所示。该装置包括第一支撑组件100、第二支撑组件200、激光器300、第一反射镜M1、偏转检测组件400和数据分析模块500。沿轨道方向垂直于列车车厢底板放置第一支撑组件100和第二支撑组件200。第一支撑组件100上表面放置激光器300和偏转检测组件400。第二支撑组件200上表面放置第一反射镜M1。

一实施例中，第一支撑组件100包括支架110、悬垂体120、阻尼器。其中阻尼器由缓冲轴131和一个密闭的液体箱132组成。激光器300、偏转检测组件400均放置在悬垂体120的上表面上。悬垂体120为一块密度很大的规则物体，上表面为水平平面。悬垂体120通过水平转轴140悬挂在支架110上。转轴140恰好穿过悬垂体120、激光器300、偏转检测组件400的整体的重心。利用重力向下的原理可知，即便由于轨道发生倾斜而引起车厢底部倾斜，悬垂体120上的激光器300、偏转检测组件400也始终处于水平状态。为了防止由于轨道不稳而造成的悬垂体120的剧烈晃动，将悬垂体120连接缓冲轴131，缓冲轴131的另一端则伸入该液体箱132中。这样即使列车所处的环境十分颠簸，通过液体的缓冲作用，悬垂体120的摆动几乎很小，一次可以保证即使遇到轨道很严重的跳动变形，悬垂体120的上表面始终保持水平。

一实施例中，第二支撑组件200是普通的支架，上表面是平行于车厢底板的平面。放置在车厢底板上。车厢底板随轨道的倾斜而倾斜，相应的第二支撑组件200也随车厢底板的倾斜而倾斜。

一实施例中，第一反射镜M1垂直放置于第二支撑组件200的上表面放置。这样，当轨道无倾斜时，水平的第一光束入射第一反射镜M1，经反射后得到的第二光束的光路将与第一光束重合。而当轨道倾斜时，水平的第一光束入射第一反射镜M1，经反射后得到的第二光束的光路将发生偏离。

一实施例中，偏转检测组件400包括第二反射镜M2和电荷耦合器CCD。其中，第二反射镜M2和电荷耦合器CCD放置在第一支撑组件100上始终保持水平，其上设置有第一光束穿过的通路，保证了第一光束能够正常入射至第一反射镜M1。电荷耦合器CCD的输出端连接数据分析模块500。

第二反射镜M2的作用是对第二光束进行至少一次反射，最后将第二光束反射至电荷耦合器CCD的表面。在一实施例中，第二光束仅经过第二反射镜M2的一次反射就到达了电荷耦合器CCD的表面。在实际应用中，也可以存在第二光束镜第二反射镜M2反射后先到达第一反射镜M1，在镜第一反射镜M1反射会第二反射镜M2，即第二光束经过第二反射镜M2和第一反射镜M1多次交替反射，最后到达电荷耦合器CCD的表面。对第二光束的反射的目的是放大因轨道倾斜而引起第二光束的光路的变化程度，提高对轨道的极细微的倾斜的检测灵敏度。

电荷耦合器CCD可以检测到达其表面的光斑位移变化，并输出检测信号给数据分析模块500。电荷耦合器CCD起着探测激光光斑位置的功能，具有高精度、高分辨率的特性。

一实施例中，数据分析模块500将根据接收到的检测信号计算轨道的倾斜角度值。

图2是利用本发明一实施例装置测量轨道倾斜角度的方法流程示意图；

测量具体步骤为：

S1、激光器300发射始终水平的第一光束，并入射到第一反射镜M1。

S2、第一反射镜M1将第一光束反射形成第二光束；如轨道不发生倾斜，则，第一光束入射第一反射镜M1，经反射得到的第二光束将沿第一光束的光路返回。而当轨道发生倾斜时，第一反射镜M1随轨道倾斜而倾斜，导致所述第二光束的光路随轨道的倾斜而发生变化。

S3、所述偏转检测组件400接收所述第二光束，检测所述第二光束的光路变化，并输出检测信号。具体的，当轨道没有倾斜时，第二光束沿水平的第一光束的光路返回，偏转检测组件400接收不到任何光线。而当轨道发生倾斜时，第二光束先到达经过第二反射镜M2反射后到达电荷耦合器CCD表面。随着轨道倾斜程度的不同，第二光束到达电荷耦合器上的光斑位置也会不同。电荷耦合器CCD检测到达其表面的光斑位移，输出检测信号，并传输给数据分析模块500。

S4、数据分析模块500根据所述检测信号计算轨道倾斜角度。具体计算原理如图3和图4所示。图3是利用本发明一实施例的装置测量轨道倾斜角度的过程示意图；包括激光器300、第一反射镜M1、第二反射镜M2、电荷耦合器CCD；图4是图3的局部放大图。

具体的，当列车轨道的平顺度变化角度θ后，第一反射镜M1也相应发生角度θ的倾斜，不再是与水平位置垂直的，由此引起水平的第一光束入射到第一面镜上的入射角并非90°。考虑到轨道的倾斜角度很小，可以看做倾斜前和倾斜后两次的第一光束同时打在第一反射镜M1的相同位置，只不过与反射镜M1所成的角度有所改变，由此导致第二光束与第一光束的夹角为2θ，如图4所示。已知第一反射镜M1与第二反射镜M2的距离为d₁，第二面镜M2与电荷耦合器CCD之间的距离为d₂，可以得到轨道发生倾斜后电荷耦合器CCD测到的光斑位置高度d与轨道倾斜角度改变θ的关系为：

轨道的较小偏转角度θ会引起电荷耦合器CCD上的光斑的位移d发生很大变化，这样就增加了检测的精度和分辨率。

本实施例中，仅展示了第一光束经过M1反射一次、第二光束经M2反射一次就到达电荷耦合器CCD表面的情况。本发明实施例也可以包括，第二光束经第二反射镜M2反射后，再经第一反射镜M1反射回至第二反射镜M2，即第二光束经第二反射镜M2和第一反射镜M1多次交替反射后，最后再照射到电荷耦合器CCD表面的情况，在此中情况下，轨道倾斜角度θ的计算公式也随交替反射次数而有相应变化。

本实施例可以测量每千米内小于毫米的变化，对于轨道局部的畸变引起的车厢的跳动，也可以以同样的精度测量。

本发明一实施例的另一种实现情况还包括将偏转检测组件400放置在第二支撑组件200上。此种情况下，转轴140的位置需要进行一定的调整，使转轴140恰好穿过悬垂体120和激光器300的整体的重心，从而保证悬垂体120的上表面和激光器300始终是水平的。当偏转检测组件400放置在第二支撑组件200上，偏转检测组件400本身将会随轨道的倾斜而倾斜，此时，到达偏转检测组件400中的电荷耦合器CCD表面上的第二光束的光斑位移不仅包括因第一镜面M1倾斜引起的反射光线变化，还包括第二镜面M2、电荷耦合器CCD的倾斜引起的相应变化。因此，轨道发生倾斜后电荷耦合器CCD测到的光斑位置高度d与轨道倾斜角度改变θ的关系也要进行相应的调整。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量轨道倾斜角度的装置，其特征在于，包括第一支撑组件、第二支撑组件、激光器、第一反射镜、偏转检测组件和数据分析模块；所述第一支撑组件和第二支撑组件沿列车在所述轨道上的行驶方向置于列车车厢底板；所述第一支撑组件上表面始终保持水平；所述第二支撑组件上表面随车厢底板的倾斜而倾斜；

所述激光器放置在第一支撑组件上表面并始终保持水平，用于发射始终保持水平的第一光束，并入射至第一反射镜；

第一反射镜放置在第二支撑组件上表面并随轨道倾斜而倾斜；所述第一反射镜用于反射第一光束而形成第二光束；

所述偏转检测组件用于接收所述第二光束并检测所述第二光束的光路变化量，并输出检测信号；

所述数据分析模块根据所述检测信号计算所述轨道的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的测量轨道倾斜角度的装置，其特征在于，

所述偏转检测组件放置在第二支撑组件上。

3.根据权利要求1所述的测量轨道倾斜角度的装置，其特征在于，

所述偏转检测组件放置在第一支撑组件上。

4.根据权利要求2所述的测量轨道倾斜角度的装置，其特征在于，

所述第一支撑组件包括第一支架、悬垂体和阻尼器；

所述第一支架垂直于列车车厢底板放置；

所述悬垂体通过转轴悬挂在所述第一支架上；所述转轴穿过所述悬垂体和激光器的整体的重心；

所述阻尼器连接在所述悬垂体上，用于防止悬垂体晃动。

5.根据权利要求3所述的测量轨道倾斜角度的装置，其特征在于，所述第一支撑组件包括支架、悬垂体和阻尼器；

所述支架垂直于列车车厢底板放置；

所述悬垂体上水平放置所述激光器；

所述悬垂体通过转轴悬挂在所述第一支架上；所述转轴穿过所述悬垂体、激光器和偏转检测组件的整体的重心；

所述阻尼器连接在所述悬垂体上，用于防止悬垂体晃动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的测量轨道倾斜角度的装置，其特征在于，所述偏转检测组件包括第二反射镜、电荷耦合器；

所述第二反射镜用于对所述第二光束反射至少一次，以放大所述第二光束的光路变化量，并最终将所述第二光束照射到所述电荷耦合器表面；

所述电荷耦合器用于检测到达其表面的第二光束的光斑位移变化，输出所述检测信号。

7.一种使用权利要求1所述的装置测量轨道倾斜角度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、所述激光器发射始终保持水平的第一光束，并入射至第一反射镜；

S2、所述第一反射镜用于反射所述第一光束反射而形成第二光束；

S3、所述偏转检测组件接收所述第二光束，检测所述第二光束的光路变化，并输出检测信号；

S4、所述数据分析模块根据所述检测信号计算轨道倾斜角度。