CN114620090A - 基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，涉及高速铁路病害检测领域。其特征在于，主要由主动激励装置、走行机构、热成像信息采集系统、数据处理成像系统四部分构成。所述主动激励装置提供热源，由于热能在无砟轨道有离缝位置处的热传输路径不同，导致轨道板表面温度存在区别，进而利用所述热成像信息采集系统和所述数据处理成像系统采集轨道板表面温度分布云图，最终通过轨道板表面温度与热传输路径的关系获取离缝的位置和尺寸信息。本发明解决了高速铁路无砟轨道离缝尺寸测量效率低、精度差的问题，可实现连续、高效、精确、无损地测量离缝位置和尺寸大小。

Description

基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置

技术领域

本发明涉及病害检测技术领域，特别涉及高速铁路病害检测领域，具体是一种基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置。

背景技术

无砟轨道具有高平顺性、高稳定性，是我国高速铁路的主流轨道结构。但是无砟轨道结构随着运营时间和运量的不断增长，会出现轨道板与CA砂浆层离缝病害，其主要原因是轨道板与CA砂浆层间进水后，列车通过时的动荷载产生的水压力冲击砂浆，造成砂浆流失而形成离缝。离缝的存在改变了高速铁路路基结构的整体性，在列车荷载下会产生应力集中效应，从而严重影响了轨道结构的承载能力，甚至会引发结构性破坏。因此，对离缝位置的精确定位和离缝尺寸的预估是必要的，是进行高速铁路离缝病害整治的前提和基础。

目前，针对无砟轨道离缝尺寸检测的手段主要有声发射法、雷达法、超声波法、直观估测法等。使用最广的方法是直观估测法，即直接通过刻度尺丈量离缝的长、高、宽，然后对离缝范围进行估算，但明显该方法效率低、测量精度差，无法满足于高速铁路大规模检测的需求；声发射法、雷达法、超声波法等需要在轨道板上布置多个信号发生器、接收器和笨重的采集仪等，并且还受限于设备价格昂贵、操作流程复杂而无法大规模使用，仅在局部精确测量方面有利；而红外热成像技术具有非接触、响应快、精度高、可视化等优点，适合高速铁路无砟轨道板离缝尺寸检测的快速、无损、经济需求，具有极强的实用价值。但目前，红外热成像技术多用在人体医疗领域，少部分用在地暖、水管的检修方面，而少有在高速铁路结构病害的检测领域的应用，主要原因是缺乏可控的热源和信噪干扰强。

基于此，本发明提供了一种基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，可实现高效、准确、无损地测量高速铁路离缝的尺寸大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，解决目前高速铁路无砟轨道离缝尺寸检测手段局限、效率低、精度差的问题，实现高效、精确、无损地检测高速铁路离缝信息。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，主要包括主动激励装置、走行机构、热成像信息采集系统、数据处理成像系统四部分，具体包括以下结构。

所述主动激励装置，包括自发热液体材料、鼓风装置和可控热源装置三部分；所述自发热液体材料可利用注浆管通过离缝开口注入离缝内部，所述自发热液体材料遇到空气会放热；所述鼓风装置可调节风速和温度，并通过离缝开口鼓风进入离缝内部；所述可控热源装置采用2个，对称安装于所述走行架底部，所述可控热源装置间轴心距离为100cm，所述可控热源装置的温度可调控且热辐射范围大于轨道板宽度。

进一步的，所述自发热液体材料隔绝空气保存，使用时通过液体自流动能够布满无砟轨道离缝内部，并通过与空气接触反应放热，达到在无砟轨道离缝内部提供热源主动激励的效果；所述自发热液体材料放热提供的热能高，通过热传输效应传递至轨道板表面形成的区域温度变化明显，因此在精确定量单个离缝分布范围方面有利。

进一步的，所述鼓风装置可根据环境温度调节鼓风温度大小，形成鼓风与环境的温度差，从而通过热传输效应形成区域温度变化，达到主动激励的效果；所述鼓风装置对离缝口鼓风后，形成空气的对流，引起离缝口处与轨道板表面的温度差，从而能通过所述红外热像仪采集离缝开口的精确位置分布与大小，因此所述鼓风装置用于离缝开口的测量。

进一步的，所述可控热源装置通过辐射热能到无砟轨道板表面，由于离缝处空气对热传输的阻碍效应，形成了有离缝处和无离缝处的热传输差异，反映到无砟轨道板表面形成温度差异，再通过所述红外热像仪采集温度分布云图，即可表征无砟轨道内离缝的分布位置；所述可控热源装置可提供对无砟轨道板表面的主动激励，但由于轨道板厚度较厚，温度差异不明显，故所述可控热源装置主要用于对离缝模糊分布的连续定位。

所述走行机构，包括走行架，和支撑所述走行架的走行轮对，所述走行轮对能够在高速铁路铁轨上运行。

进一步的，所述走行架由走行架主横梁和走行架延伸臂组成，所述走行架主横梁长度为250cm，所述走行架主横梁两端各接有一个可以延伸50cm的所述走行架延伸臂，所述走行架满足所述可控热源装置和所述热成像信息采集系统各部件的安装需求，所述走行架延伸臂可超出无砟轨道板边缘30cm以上，确保安装在所述走行架两端的所述红外热像仪能够采集到轨道板底部离缝开口附近的热像信息。

进一步的，所述走行架主横梁顶部布置水准气泡，所述走行架主横梁通过螺杆螺母与所述走行轮对连接，所述走行架能够通过所述螺杆螺母和所述水准气泡调节所述走行架主横梁水平。

所述热成像信息采集系统，包括红外热像仪、激光定位器、温度传感器和湿度传感器，所述红外热像仪、所述激光定位器、所述温度传感器和所述湿度传感器均安装在所述走行架上。

进一步的，所述红外热像仪具有摄像和红外热像信号采集的双重功能，所述红外热像仪能够同时采集被采集区域的表面图像信息和红外热像信息。

进一步的，所述红外热像仪采用3个，其中一个安装在在所述走行架主横梁底部正中央，另外两个分别安装在两个所述走行架延伸臂端部；中间的所述红外热像仪采集区域为下方垂向的无砟轨道板中部，两端的所述红外热像仪采集区域为向内倾斜、包括无砟轨道板完整侧面和顶面端部区域。

进一步的，所述红外热像仪的测温范围是零下20摄氏度至100摄氏度、热灵敏度小于0.01摄氏度，所述红外热像仪能够精确地分辨出被采集区域的微小温度变化。

进一步的，所述激光定位器采用2个，按间距130cm对称布置在所述走行架底部；所述激光定位器提供测量基准点数据，用于所述红外热像仪各采集区域的数据拼接，形成基准点一致且完整的温度分布云图和轨道板表面形貌集成图像。

进一步的，所述温度传感器安装在所述走行架顶部一端，所述湿度传感器安装在所述走行架顶部另一端，所述温度传感器和所述湿度传感器的安装位置对称。

所述数据处理成像系统，包括红外热成像处理软件和配套计算机；所述红外热成像处理软件能够根据所述红外热像仪采集的数据绘制采集区域随时域和空域的温度分布云图，所述红外热成像处理软件能够处理所述温度传感器和所述湿度传感器采集的环境信息、所述激光定位器采集的位置信息以及所述红外热像仪摄像功能采集的采集区域表面缺陷信息，并反馈给所述温度分布云图，所述温度分布云图经过所述环境信息、所述位置信息、所述采集区域表面缺陷信息修正后，即可获取无砟轨道板采集区域的离缝位置和尺寸分布云图。

进一步的，所述红外热成像处理软件处理后的所述温度分布云图，是精确至0.01摄氏度的高精度温度分布云图。

进一步的，所述采集区域随时域的温度分布云图是指同一个采集区域在所述主动激励装置激励下的不同时刻的温度变化分布云图，所述采集区域随空域的温度分布云图是是指不同采集区域在同一时间段内采集信息拼接形成的轨道板表面整体温度分布云图。

进一步的，所述温度传感器和所述湿度传感器采集的环境信息是实时温度和实时湿度，由于所述红外热像仪采集精度受环境温度和湿度影响大，因此将所述温度传感器采集的实时温度和所述湿度传感器采集的实时湿度反馈给所述红外热成像处理软件，进行实时环境影响校正。

进一步的，所述激光定位器提供实时平面和高程位置信息，反馈给所述红外热成像处理软件，对连续采集情况下所述热成像信息采集系统进行位置校正，从而进行所述红外热像仪各采集区域的数据拼接，形成基准点统一且完整的温度分布云图和轨道板表面形貌集成图像。

进一步的，所述红外热像仪通过摄像功能可以采集无砟轨道板表面图像信息，并通过所述红外热成像处理软件集成无砟轨道板完整的表面图像信息；然后通过无砟轨道板表面图像信息分析裂缝、污染、破碎等构成的无砟轨道板表面缺陷，并将无砟轨道板表面缺陷信息反馈给所述红外热成像处理软件，从而消除无砟轨道板表面缺陷对所述红外热像仪采集数据的影响。

进一步的，所述红外热成像处理软件通过所述环境信息、所述位置信息和所述表面缺陷信息对所述温度分布云图进行校正，可以获得反应无砟轨道板离缝位置和尺寸信息的分布云图，达到无砟轨道板定位和定量测量的目的。

本发明实施例带来了以下有益效果。

本发明可以高效、精确、无损地测量无砟轨道板离缝位置和尺寸。

本发明可以在无光照条件下使用，即可以在夜间高速铁路天窗期进行检测，提高了高速铁路运行维护效率，减小运维成本。

本发明提供了一种连续、无损的离缝检测装置，并且结构简单，各部件互不影响，某一构件损坏时易于更换。

本发明可以在艰险地区，人力操作困难情况下使用，适用于多种场景。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置主要构成示意图。

图2为走行架各部件结构示意图。

图3为自发热液体材料主动激励示意图。

图4为鼓风装置主动激励示意图。

图5为可控热源装置主动激励示意图。

图6为红外热像仪采集区域示意图。

图7为热成像信息采集系统采集信息间关系示意图。

图中：1-自发热液体材料，2-鼓风装置，3-可控热源装置，4-走行架，5-走行轮对，6-红外热像仪，7-激光定位器，8-温度传感器，9-湿度传感器，10-数据处理成像系统，11-水准气泡，12-螺杆，13-螺母，14-走行架主横梁，15-走行架延伸臂，16-热传输方向，17-温度分布云图，18-位置信息，19-表面缺陷信息，20-环境信息，21-离缝信息。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1，基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，主要由所述主动激励装置、所述走行机构、所述热成像信息采集系统和所述数据处理成像系统四部分构成，具体包括：1-自发热液体材料，2-鼓风装置，3-可控热源装置，4-走行架，5-走行轮对，6-红外热像仪，7-激光定位器，8-温度传感器，9-湿度传感器，10-数据处理成像系统，11-水准气泡，12-螺杆，13-螺母，14-走行架主横梁，15-走行架延伸臂。

如图2，所述走行架4包括：所述走行架主横梁14两端各接有一根所述走行架延伸臂15，所述走行架延伸臂15的长度可调节；所述走行架主横梁14上表面设有所述水准气泡11；所述走行架主横梁14通过所述螺杆12、所述螺母13与所述走行轮对5连接。

如图2，所述热成像信息采集系统包括：所述红外热像仪6采用三个，按照间距140cm对称布置在所述走行架主横梁14底部，中间的所述红外热像仪6垂直向下，两端的所述红外热像仪6向内倾斜，倾斜角可调；所述激光定位器7采用两个，按照间距130cm对称布置在所述走行架主横梁14底部；所述温度传感器8安装在所述走行架主横梁14一端，所述湿度传感器9安装在所述走行架主横梁14另一端，所述温度传感器8和所述湿度传感器9的安装位置对称。

如图1和图2，所述主动激励装置主要包括：所述自发热液体材料1密封保存，使用时注入离缝内部并自流动布满离缝；所述鼓风装置2对离缝开口鼓风，形成空气的对流；所述可控热源装置3通过辐射热能至无砟轨道板表面，所述可控热源装置3采用两个，对称安装于所述走行架主横梁14底部，所述可控热源装置3间轴心距离为100cm。

具体的实施过程如下所述。

测试前调试工作：如图1，首先，将所述基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置的各部件安装在相应位置，并经过调试能够正常工作；然后，将该装置置于高速铁路无砟轨道上，保证所述走行轮5能够在铁轨上无障碍走行；接着，调节所述螺杆12和所述螺母13的位置，至所述水准气泡11居中；最后，调节两端的所述红外热像仪6的倾斜角，至所述红外热像仪6的采集区域包含离缝开口、无砟轨道板侧面、无砟轨道板表面在内的全范围，如图6所示。

主动激励模式的选择：如图3、图4、图5，所述主动激励装置具有三种主动激励模式；第一，所述自发热液体材料1主动激励如图3所示，通过将所述自发热液体材料1注入离缝中，依靠液体的自流性布满整个离缝，所述自发热液体材料1遇到空气开始放热，热能从离缝内部传输到轨道板表面，所述自发热液体材料1的主动激励属于一面激励、另一面采集的“双面激励”模式，采集区域信号明显；第二，所述鼓风装置2主动激励如图4所示，所述鼓风装置2可根据环境温度调节鼓风温度大小，所述鼓风装置2对离缝开口鼓风，形成空气的对流，引起离缝开口处与轨道板的温度差，可以准确测试离缝开口尺寸；第三，所述可控热源装置3主动激励如图5所示，所述可控热源装置3通过辐射热能至无砟轨道板表面，由于有离缝处和无离缝处的热传输路径不同，导致无砟轨道板表面形成温度差异，从而达到主动激励的效果，所述主动热源装置3的主动激励属于一面激励、同一面采集的“单面激励”模式，采集区域信号偏弱，适用于连续扫描的模糊定位。

离缝分布区域的模糊连续定位操作：采用所述可控热源装置3主动激励模式，本发明装置通过所述走行轮对5在无砟轨道铁轨上匀速前进，通过所述可控热源装置3对无砟轨道板表面提供主动激励，然后采集无砟轨道板表面温度信息，再利用所述数据处理成像系统10绘制所述温度分布云图与所述离缝位置和尺寸分布云图；由于采用所述可控热源装置3主动激励模式的信噪干扰较强，故仅能实现离缝分布区域的模糊连续定位。

离缝分布区域的精确定位操作：将所述基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置固定在模糊连续定位显示的离缝处，采用所述自发热液体材料1主动激励模式和所述鼓风装置2主动激励模式，获取采集区域信号明显且精确的无砟轨道板表面温度信息，再通过所述数据处理成像系统10处理得到离缝的具体分布位置和尺寸大小信息。

图7为热成像信息采集系统采集信息间关系示意图，由于采集环境的影响，所述温度分布云图17并不能准确反映所述离缝信息21，所述温度分布云图17包括所述位置信息18、所述表面缺陷信息19、所述环境信息20和所述离缝信息21；所述位置信息18与所述表面缺陷信息19存在一定的重合，例如轨道板表面开裂、破碎或者鼓起会同时反映到所述位置信息18与所述表面缺陷信息19；因此，所述数据处理成像系统10通过对上述信息的修正，即可获取无砟轨道采集区域的离缝位置和尺寸分布云图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，主要由主动激励装置、走行机构、热成像信息采集系统、数据处理成像系统四部分构成，所述主动激励装置，包括自发热液体材料、鼓风装置和可控热源装置；所述走行机构，包括走行架，支撑所述走行架的走行轮对，所述走行轮对能够在高速铁路铁轨上行进；所述热成像信息采集系统，包括红外热像仪、激光定位器、温度传感器和湿度传感器，所述红外热像仪具有摄像和红外热像信号采集的双重功能，所述热成像采集系统各部件和所述可控热源装置均安装在所述走行架上；所述数据处理成像系统，包括红外热成像处理软件和配套计算机，所述红外热成像处理软件能够根据所述红外热像仪采集的数据绘制采集区域随时域和空域的温度分布云图，所述红外热成像处理软件能够处理所述温度传感器和所述湿度传感器采集的环境信息、所述激光定位器采集的位置信息以及所述红外热像仪摄像功能采集的表面缺陷信息，并反馈给所述温度分布云图，所述温度分布云图经过所述环境信息、所述位置信息、所述表面缺陷信息修正后，即可获取无砟轨道采集区域的离缝位置和尺寸分布云图。

2.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述自发热液体材料可利用注浆管通过离缝口注入离缝内部，所述自发热液体材料遇到空气会放热；所述鼓风装置可调节风速和温度，并通过离缝口鼓风进入离缝内部。

3.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述可控热源装置采用2个，对称安装于所述走行架底部，所述可控热源装置间轴心距离为100cm，所述可控热源装置温度可调控且热辐射范围大于轨道板宽度。

4.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述走行架由走行架主横梁和走行架延伸臂组成，所述走行架主横梁长度为250cm，所述走行架主横梁两端各接有一个可以延伸50cm的所述走行架延伸臂，所述走行架主横梁顶部布置水准气泡，所述走行架主横梁通过螺杆螺母与所述走行轮对连接，能够通过所述螺杆螺母和所述水准气泡调节所述走行架主横梁水平。

5.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述红外热像仪采用3个，其中一个安装在所述走行架主横梁底部正中央，另外两个分别安装在两个所述走行架延伸臂端部；所述红外热像仪的测温范围是零下20摄氏度至100摄氏度、热灵敏度小于0.01摄氏度。

6.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述激光定位器采用2个，按间距130cm对称布置在所述走行架主横梁底部。

7.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述温度传感器安装在所述走行架主横梁顶部一端，所述湿度传感器安装在所述走行架主横梁顶部另一端，所述温度传感器与所述湿度传感器的安装位置对称。

8.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述温度分布云图包括不同采集区域在同一时间段内采集信息集成的轨道板整体表面温度分布云图，以及同一个采集区域在不同时刻采集信息集成的轨道板表面部分区域温度变化分布云图。

9.根据权利要求1所述的基于热成像的无砟轨道离缝尺寸检测装置，其特征在于，所述环境信息包括所述温度传感器反馈的实时温度和所述湿度传感器反馈的实时湿度；所述位置信息包括所述激光定位器实时反馈的平面和高程位置信息；所述表面缺陷信息包括所述激光定位器实时反馈的平面和高程位置信息，以及所述红外热像仪摄像功能采集的无砟轨道板表面缺陷信息。

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