CN108340941A - 无砟轨道板温度高速动态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无砟轨道板温度高速动态测量系统，用于测量无砟轨道板温度，无砟轨道板温度高速动态测量系统安装于列车的底部，包括：光信息采集模块，用于采集无砟轨道板的采样点的光谱信息，并将其传输给所述光电测温模块；光电测温模块，用于将光谱信息转换为电信号，并根据电信号计算所述采样点的温度；所述控温箱，用于调节所述光电测温模块的工作环境的温度。通过本发明的无砟轨道板温度高速动态测量系统，以列车为载体，可以高速实时测量铁道线路无砟轨道板温度，在高温或严寒环境(低温‑40℃到高温60℃温度范围)下列车速度400km/h双向(正向和反向)行车条件下，以250mm等距离空间采样测量无砟轨道板温度。

Description

无砟轨道板温度高速动态测量系统

技术领域

本发明涉及无砟轨道板的温度检测领域，尤其涉及一种无砟轨道板温度高速动态测量系统。

背景技术

高速铁路轨道结构的稳定性、平顺性直接影响到高速铁路的运行安全。无砟轨道板作为高速铁路的主要轨道结构形式，长时间暴露在大气中，受到大气温度、太阳辐射、降水及其它环境因素的综合影响，在气温和太阳辐射等外界因素的作用下轨道板会出现不均匀的温度分布，产生较大的温度应力，进而造成混凝土开裂及结构变形等病害，严重影响轨道的几何平顺性，甚至威胁列车的安全。准确快速掌握无砟轨道板温度变化，使其在可控的安全范围，是保证高速铁路行车安全的重要因素。

图7为现有的无砟轨道板温度测量系统的结构示意图，如图7所示，包括：太阳能供电单元1、主控单元2、室外气象参数采集单元3、电源隔离单元4、电磁隔离芯片8、若干温度采样单元6和远程服务器7，太阳能供电单元1分别与主控单元2、室外气象参数采集单元3及电源隔离单元4相连接；电源隔离单元4与每一个温度采样单元6均相连接，每一个温度采样单元6均通过485总线5与电磁隔离芯片8相连接及每一个温度采样单元6均与设在轨道板下方的温度传感器9相连接；电磁隔离芯片8通过485总线5或CAN总线与主控单元2双向通讯连接，并且，主控单元2和室外气象参数采集单元3均通过无线网络与远程服务器7分别通讯连接。目前现有的无砟轨道板温度静态测量系统工作原理，温度传感器9通常是热电偶或分布式光纤温度传感器，将温度采样单元6分布式固定在选定长度的一段无砟轨道板表面，静态观察一定时间，温度采样单元6测量出此段轨道板表面的温度，然后将温度数据传输给远程服务器7。

目前无砟轨道板温度测量手段单一，通常采用热电偶、分布式光纤温度传感器静态测量某一段无砟轨道板的温度。静态测量轨道板温度受到铁路线上道作业时间、温度传感器布置空间、铁路线路里程距离等因素限制。无砟轨道板温度静态测量系统在铁道线路现场使用的温度传感器数量多、系统结构复杂；温度测量响应时间长、易受到外界因素干扰；使用范围受到铁道线路上道作业时间、温度传感器布置空间、铁路线路里程距离等因素限制。上述因素导致每次现场实施作业都需要前期准备、现场搭建、后期处理，耗费大量人力和时间，同时人员在铁道线路上作业存在很大的安全风险。

我国铁路里程长、跨越地形结构复杂，无砟轨道板温度静态测量不便于及时全面对整条线路的轨道板温度与轨道几何不平顺进行研究。目前还没有无砟轨道板温度高速动态测量相关技术研究。

发明内容

为了解决现有技术中缺乏高速测量无砟轨道板温度的技术问题，本发明提出了一种无砟轨道板温度高速动态测量系统，以高速实时测量铁道线路无砟轨道板温度。

本发明的无砟轨道板温度高速动态测量系统，用于测量无砟轨道板温度，无砟轨道板温度高速动态测量系统安装于列车的底部，包括：所述无砟轨道板温度高速动态测量系统安装于列车的底部，包括：光信息采集模块、光电测温模块、控温箱；所述光信息采集模块，用于采集无砟轨道板的采样点的光谱信息，并将其传输给所述光电测温模块；所述光电测温模块，用于将所述光谱信息转换为电信号，并根据所述电信号计算所述采样点的温度；所述控温箱，用于调节所述光电测温模块的工作环境的温度。

进一步的，所述光信息采集模块包括：激光测距传感器、红外光学透镜组、转动控制器、转动舵机；所述激光测距传感器，用于实时获取所述红外光学透镜组与所述采样点的测量距离；所述转动控制器，用于根据所述红外光学透镜组与采样点的测量距离实时计算所述转动舵机转动的角度、速度，使测量距离等于所述红外光学透镜组的焦距；所述红外光学透镜组，用于采集所述采样点的光谱信息，并将其通过光纤传输至光电测温模块。

进一步的，所述光电测温模块，包括：光电探测器及外围计算电路板，所述光电探测器用于将所述光谱信息转换为电信号，所述外围计算电路板用于将所述电信号进行放大及数据处理，以计算目标点温度。

进一步的，所述光电测温模块设置于所述控温箱内，所述控温箱内部还设置有：温度控制芯片、温度传感器、电加热片、风扇、通风门；所述温度控制芯片，用于根据所述温度传感器采集控温箱内的温度，控制所述电加热片、风扇、通风门的开启与关闭，当所述控温箱内的温度低于设定温度时，开启电加热片，当所述控温箱内的温度高于设定温度时，开启所述风扇与通风门。

进一步的，还包括绝热板，用于热隔离所述温度控制芯片与所述温度传感器、电加热片、风扇。

进一步的，还包括：通风缓冲腔，设置于垂直于列车行进方向，且在所述列车移动中具正风压的控温箱的壁板上；所述通风缓冲腔，设置有多个通风门，每个通风门通过电机控制转动开合，用于将所述列车移动中，所述控温箱外部风压产生的气流缓冲后引入至所述控温箱内。

进一步的，所述控温箱垂直于列车行进方向的壁板分别设置有多个通风门，每个通风门通过电机控制转动开合。

进一步的，所述光电测温模块设置于所述通风门的风路上。

进一步的，还包括：散热器，覆盖于所述光电测温模块的背部。

进一步的，所述散热器的散热齿为鱼鳞状。

本发明的技术效果在于，通过本发明的无砟轨道板温度高速动态测量系统，以列车为载体，可以高速实时测量铁道线路无砟轨道板温度，在高温或严寒环境(低温-40℃到高温60℃温度范围)下列车速度400km/h双向(正向和反向)行车条件下，以250mm等距离空间采样测量无砟轨道板温度。采用自行调焦的光信息采集模块，为更好的获取目标点光谱信息，避免微小距离变动产生的失焦，采用两个激光测距传感器测定被测目标与瞄准器在光轴上的距离，反馈控制瞄准器前后转动以实现动态调焦。另外，本发明的无砟轨道板温度高速动态测量系统，不仅适用于高速铁路无砟轨道板温度测量，也适用于客运专线、城市轨道交通的无砟轨道板温度测量，此外，本系统也适用于铁路轨道钢轨温度高速动态测量，高速公路路面温度高速动态测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的结构示意图。

图2为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的结构示意图。

图3为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的红外光学透镜组调焦原理图。

图4为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的散热器的三视图。

图5为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的第一风路示意图。

图6为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的第一风路及第二风路示意图。

图7为现有的无砟轨道板温度测量系统的结构示意图。

附图标号：

光电测温模块 100

散热器 110

光纤 120

光电探测器 130

外围计算电路板 140

光信息采集模块 200

激光测距传感器 210

红外光学透镜组 220

转动舵机 230

控温箱 300

温度控制芯片 310

温度传感器 311

压强传感器 312

电加热片 313

绝热层 314

风扇 315

通风门 316

通风缓冲腔 317

列车 400

无砟轨道板 500

采样点 510

太阳能供电单元 1

主控单元 2

室外气象参数采集单元 3

电源隔离单元 4

485总线 5

温度采样单元 6

远程服务器 7

电磁隔离芯片 8

温度传感器 9

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域相关技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

本发明主要研发无砟轨道板温度高速动态测量系统，以列车(高速动车组)为载体，高速实时测量铁道线路无砟轨道板温度，温度数据及时供综合检测列车内部其他轨道检测系统调用，及时全面对整条线路的轨道板温度与轨道几何不平顺进行研究。无砟轨道板温度高速动态测量系统装备在列车车外底部，列车中高速动车组最高速度400km/h，本发明解决了高温或严寒环境下列车速度400km/h双向(正向和反向)行车条件下，以250mm等距离空间采样测量无砟轨道板温度，本发明的无砟轨道板温度高速动态测量系统，可运行于低温-40℃到高温60℃温度范围，解决了无砟轨道板温度高速动态测量系统内部光电探测器正常工作温度、定焦瞄准系统失焦的问题。

图1为本发明实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的结构示意图。如图1所示，本发明的实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统，无砟轨道板温度高速动态测量系统安装于列车400的底部，包括：光信息采集模块200、光电测温模块100、控温箱300；光信息采集模块200，用于采集无砟轨道板500的采样点的光谱信息，并将其传输给光电测温模块；光电测温模块100，用于将所述光谱信息转换为电信号，并根据电信号计算所述采样点的温度；控温箱300，用于调节光电测温模块的工作环境的温度。

本实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统安装于列车400的底部，在列车400于轨道之上行驶中，对列车400下方的无砟轨道板500进行温度检测。在具体实施过程中，列车400可为高速综合检测列车(高速动车组)、轨道检测车、普通载客列车等行驶于无砟轨道的列车。该无砟轨道板温度高速动态测量系统，通过光信息采集模块200非接触地采集到无砟轨道板500上采样点510的光谱信息，然后将其传输到光电测温模块，光电测温模块根据光谱信息，计算出该光谱信息所对应的温度信息，从而完成对一个采样点的测温。同时，由于外部环境温度不确定，并且在列车400高速运动时带来的温度变化，本实施例中的控温箱300用于调节光电测温模块的所处环境温度，使其于正常的工作温度区间中正常运行。

图2为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的结构示意图，如图2所示，本实施例与图1实施例不同之处在于，光信息采集模块200包括：激光测距传感器210、红外光学透镜组220、转动控制器、转动舵机230；激光测距传感器210，用于实时获取红外光学透镜组220与采样点510的测量距离；用于根据所述红外光学透镜组与采样点的测量距离实时计算并控制转动舵机230转动的角度、速度，使测量距离等于所述红外光学透镜组220的焦距；红外光学透镜组220，用于采集所述采样点的光谱信息，并将其通过光纤120传输至光电测温模块。

光信息采集模块200用于将无砟轨道板500上测试点的光谱信息采集并传递给光电测温模块。由于，一方面，检测车400在行驶过程中存在颠簸，另一方面，光信息采集模块200需要在采集测试点光谱信息时，红外光学透镜组220需要与无砟轨道板500的距离处于相对稳定状态，但红外光学透镜组220为定焦镜头，所以检测车400的颠簸会直接导致光信息采集模块200的丢焦，以致光谱信息采集不准确。本实施例中，光电信息模块可以克服检测车400行驶的颠簸带来的干扰，使红外光学透镜组220与采样点保持一个稳定的距离，方便红外光学透镜组220的对焦。

图3为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的红外光学透镜组220调焦原理图，结合图2、图3所示，光信息采集模块200包括两个激光测距传感器210，分别设置于红外光学透镜组220的两侧，两个激光测距传感器210采集的距离为距离a、距离b，二者的平均即为红外光学透镜组220与采样点510的测量距离D。转动舵机230可以带动或外光学透镜组沿转轴转动。红外光学透镜组220采集无砟轨道板的采样点510的光谱信息，通过光纤120将其传输到光电测温模块。在工作过程中，随着检测车400的颠簸，激光测距传感器210测定瞄准器与轨道板在光轴上的实时距离，并将该距离信息与距离变化信息反馈至转动控制器，转动控制器通过内部闭环控制舵机调整旋转的角度(范围小于30°)与速度，红外光学透镜组在转动舵机的带动下，沿固定轴旋转，使其与无砟轨道板的距离处于相对稳定状态，避免定焦系统失焦。光电测温模块100中的光电探测器130将光谱信息信号转换为电信号，外围计算电路板140进行后续放大、采集及数据处理，以计算目标点温度。在具体实施过程中，该外围计算电路板140包括：两个放大器AD820和OP07。根据红外辐射测温理论，目标点温度可由如下公式计算：其中，T_o为被测点表面温度；ε为被测点发射率，是被测点的物理特性之一，由被测点及表面状态确定；为被测点的辐射温度，由电信号变换而来；为环境温度，由温度传感器测得；n为光电探测器确定，其中HgCdTe(8-13um)光电探测器，n＝4.09；HgCdTe(6-9um)光电探测器，n＝5.33；InSb(2-5um)光电探测器，n＝8.68。光电探测器响应时间为微秒级，可以在检测车400以400km/h速度运行时，完整的采集到连续250mm等距离空间采样目标点的光谱信息。

本实施例中，光电测温模块设置于控温箱300内，控温箱300包括：温度控制芯片310、温度传感器311、电加热片313、风扇315、通风门316；温度控制芯片310，用于根据温度传感器311采集控温箱300内的温度，控制电加热片313、风扇315、通风门316的开启与关闭，当控温箱300内的温度低于设定温度时，开启电加热片313，当控温箱300内的温度高于设定温度时，开启风扇315与通风门316。

图4为本发明另一实施例的无砟轨道板温度高速动态测量系统的散热器110的三视图，结合图2、图3、图4所示，本实施例相较于图1实施例还包括：散热器110，覆盖于光电测温模块100的背部，散热器110的散热齿为鱼鳞状。散热器110覆盖整个光电测温模块的外围计算电路板140的PCB背部，可以同时起到散热及固定PCB减小其形变的作用，PCB背部无电气焊盘及IC，并且散热器110散热齿采用“鱼鳞”形状，可增大迎风面的面积，提高散热效率，同时降低风对散热器110及其下方PCB的机械应力。

本实施例中，控温箱300的检测车400行进方向的侧壁设置有通风缓冲腔317；该通风缓冲腔317设置于垂直于列车行进方向，且在所述列车移动中具正风压的控温箱的壁板上；所述通风缓冲腔，设置有多个通风门，每个通风门通过电机控制转动开合，用于将所述列车移动中，所述控温箱外部风压产生的气流缓冲后引入至所述控温箱内。通风缓冲腔317沿检测车400行进方向的前后侧壁分别设置有多个通风门316，每个通风门316通过电机控制转动开合。控温箱300沿检测车400行进方向的前后侧壁分别设置有多个通风门316，每个通风门316通过电机控制转动开合。光电测温模块100设置于通风门316的通风路上。

控温箱300可以为光电测温模块100提供其工作所需要的恒温(20～30℃)工作环境，即严寒环境采用电加热、高温环境采用风冷制冷；整个控温箱300内温度由温度控制芯片进行监控，同时以控制加热及制冷系统工作。在具体实施过程中，还可以设置压强传感器312连接至温度控制芯片310，在监测温度变化的同时也监测控温箱300内的气压，并实时调整通风门的开合大小，防止用于高速运动中气压变化，出现压强过大或者过小损坏电子器件。

本实施例中，加热系统中的加热元件为加热片，设置于控温箱300内部，并且其可以通过风扇315将热量扩散至整个温控箱内部，并且采用“H”形状绝热材料将加热片及其控制电路板、温度传感器311、气压传感器分开，保证电路及传感器工作在允许的环境温度下，从而保证其长期可靠性。

本实施例中，温控箱300内部采用风冷制冷，借助检测车400行驶过程中产生的空气流动及电加热模块中的风扇315制冷；为避免空气对流过强，产生的机械应力损坏传感器及其外围IC或降低传感器及其外围IC的长期可靠性，风冷系统具有多个通风门316，本实施例中包含两个大通风门316，四个小通风门316，以控制通风量，减小机械应力；所有通风门316在中心轴处以电机进行控制其转动开合。在工作过程中，检测车400运行时空气对流强，图5中左侧四个小门及右侧大门通风，其风路为风路1，具体如图中虚线所示。四个小门安置于通风缓冲腔317的侧壁上，四个小门上下错位，可有效降低空气对流的冲力，方便调控通风量；左侧四个小门中两个小门的中轴在同一水平线上，完全打开后可拥有极大的通风量，快速制冷；左侧四个小门整体与右侧通风门316(出风口)错位，可降低进入控温箱300内的风对光电探测器及其外围IC的机械应力。检测车400停车静止时，使用图6中所有通风门316通风，其风路包括风路1与风路2，具体如图虚线所示，额外增开一个与右侧大门中轴在同一水平线上的大门，保证检测车400静止时自然通风和风扇315产生的风量可以有效制冷。

本发明的无砟轨道板温度高速动态测量系统，以高速综合检测列车(高速动车组)为载体，高速实时测量铁道线路无砟轨道板温度，温度数据及时供综合检测列车内部其他轨道检测系统调用，及时全面对整条线路的轨道板温度与轨道几何不平顺，方便相关技术人员快速进行研究。无砟轨道板温度高速动态测量系统装备在高速综合检测列车车外底部，高速综合检测列车最高速度400km/h，在高温或严寒环境下列车速度400km/h双向(正向和反向)行车条件下250mm等距离空间采样测量无砟轨道板温度，低温-40℃到高温60℃温度范围。并且，在控制系统内部温度方面，借用列车运行时的空气对流散热，为探测器提供适当的温度环境，散热过程充分考虑了如何降低空气对流所产生的机械应力，以保证方案方便实施。为增加散热效果，采用覆盖整个PCB背部的散热器，在高效散热的同时可以起到固定PCB减小其形变的作用。散热齿设计为“鱼鳞”形状，可增大迎风面的面积，提高散热效率，同时降低风对散热器及其下方PCB的机械应力。列车车外底部与轨道板之间距离基本不变，采用自动调焦的光信息采集模块，为更好的获取目标点光谱信息，避免微小距离变动产生的失焦，采用两个激光测距传感器测定被测目标与瞄准器在光轴上的距离，反馈控制瞄准器前后转动以实现动态调焦。

以上的具体实施方式，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，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (10)

1.一种无砟轨道板温度高速动态测量系统，用于测量无砟轨道板温度，其特征在于，所述无砟轨道板温度高速动态测量系统安装于列车的底部，包括：光信息采集模块、光电测温模块、控温箱；

所述光信息采集模块，用于采集无砟轨道板的采样点的光谱信息，并将其传输给所述光电测温模块；

所述光电测温模块，用于将所述光谱信息转换为电信号，并根据所述电信号计算所述采样点的温度；

所述控温箱，用于调节所述光电测温模块的工作环境的温度。

2.根据权利要求1所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，所述光信息采集模块包括：激光测距传感器、红外光学透镜组、转动控制器、转动舵机；

所述激光测距传感器，用于实时获取所述红外光学透镜组与所述采样点的测量距离；

所述转动控制器，用于根据所述红外光学透镜组与采样点的测量距离实时计算并控制所述转动舵机转动的角度、速度，使测量距离等于所述红外光学透镜组的焦距；

所述红外光学透镜组，用于采集所述采样点的光谱信息，并将其通过光纤传输至光电测温模块。

3.根据权利要求1所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，所述光电测温模块，包括：光电探测器及外围计算电路板，所述光电探测器用于将所述光谱信息转换为电信号，所述外围计算电路板用于将所述电信号进行放大及数据处理，以计算目标点温度。

4.根据权利要求1所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，所述光电测温模块设置于所述控温箱内，所述控温箱内部还设置有：温度控制芯片、温度传感器、电加热片、风扇、通风门；

所述温度控制芯片，用于根据所述温度传感器采集控温箱内的温度，控制所述电加热片、风扇、通风门的开启与关闭，当所述控温箱内的温度低于设定温度时，开启电加热片，当所述控温箱内的温度高于设定温度时，开启所述风扇与通风门。

5.根据权利要求4所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，还包括绝热板，用于热隔离所述温度控制芯片与所述温度传感器、电加热片、风扇。

6.根据权利要求4所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，还包括：通风缓冲腔，设置于垂直于列车行进方向，且在所述列车移动中具正风压的控温箱的壁板上；

所述通风缓冲腔，设置有多个通风门，每个通风门通过电机控制转动开合，用于将所述列车移动中，所述控温箱外部风压产生的气流缓冲后引入至所述控温箱内。

7.根据权利要求4所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，所述控温箱垂直于列车行进方向的壁板分别设置有多个通风门，每个通风门通过电机控制转动开合。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，所述光电测温模块设置于所述通风门的风路上。

9.根据权利要求1所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，还包括：散热器，覆盖于所述光电测温模块的背部。

10.根据权利要求9所述的无砟轨道板温度高速动态测量系统，其特征在于，所述散热器的散热齿为鱼鳞状。