CN1273327C - 测量机车或电车架空输电线特性参数的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆、机车或电车架空输电线特性参数的装置，其特征在于，该装置装在机车或电车(25)上，并包括：至少一个产生激光束的激光光源(2)；使上述激光光源(2)产生的上述激光束变成扁平光束(4)的光学装置；取向装置，使上述扁平光束(4)取向，使其与架空输电线(6)形成非90度的角度，并且使上述扁平光束的轴线与金属缆的轴线形成一个大体上垂直于上述光束(4)平面的平面；至少一个摄像机(8)，该摄像机的光轴不同于上述扁平光束的轴线，但位于上述垂直平面上，并指向上述激光束(4)与上述金属缆(6)相交的发光光线，该装置还包括处理上述摄像机(8)产生信号的处理装置，用于确定上述发光线在上述摄像机(8)光学视场中的位置，从而再现上述金属缆(6)的真实外部轮廓，并将其与金属缆本身的理论外部轮廓比较。

Description

测量机车或电车架空输电线特性参数的装置
技术领域
本发明涉及测量机车或电车架空输电线特性参数的装置。
背景技术
电气机车或电车架空输电线包括一个或多个通常包括两个并排的常规直径的由许多柱子支承的架空供电金属缆，该柱子沿着铁道线配置，将该金属缆支承在预定高度，以便使装在铁路机车或电车上的架式导电弓可以沿该金属缆滑动，从而输送牵引马达和辅助设备所需的电力。
为了效率原因，必须定期细心监控该架空输电线，测量其各种参数，基本上包括测量金属缆的磨损程度、高度和移动。
为防止其直径下降到低于预定极限值，了解金属缆的磨损程度是很重要的，因为这会导致金属缆因受到导电弓长期应力作用而断裂。
了解金属缆的高度即沿垂直方向距铁轨平面的距离也是很重要的，以便确保该高度变化不超过预定量，通常不超过1.5m。
了解金属缆的移动即沿水平方向距铁道轴线的距离也是很重要的，以便确保该距离变化不超过预定量，通常不超过0.6m。
现时一般采用取样测量仪进行一系列测量来确定机车或电车架空供电线的这些参数。
这种测量系统很明显是极不令人满意的，因为它包含以下问题：
由于需要用手工取样，所以测量速度极慢；
因为在每次测量时需要首先停止测量列车，然后再进行手工测量，所以操作同样极为不方便；
只能测量少许参数；
不可避免同时也不令人满意的是测量点的位置选择，测量点通常彼此相隔很远，而且不一定与实际最大磨损点相吻合，这种最大磨损点实际上是由于导电弓的应力作用而造成金属缆断裂的点。
发明内容
本发明的一个目的是测量能够表现架空输电线实际状态的若干参数。
本发明的另一目的是使这种测量极为快速和方便。
本发明的再一目的是使这种测量实际上可沿整个架空线连续进行。
为此，本发明提供了一种测量机车或电车架空输电线特性参数的装置，其特征在于，包括以下装在机车或电车上的部件：至少一个产生激光束的激光光源；用于将上述激光光源产生的激光束转变成扁平光束的光学装置；一种装置，用于定向上述扁平光束的轴线，使其与该架空金属缆的轴线形成非90°的角度，并使该光束的轴线与金属缆轴线形成一个平面，该平面大体垂直于上述光束的平面；至少一个采集摄像机，该摄像机的光轴不同于上述扁平光束的轴线，但位于上述垂直平面内，该摄像机光轴伸向上述激光束与上述金属缆相交的发光线，该装置还包括处理上述摄像机产生的信号的处理单元，以便确定上述发光线在上述摄像机光学视场中的位置，再现上述金属缆的真实外部轮廓，并将该轮廓与金属缆本身的理论轮廓进行比较。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明的一些优选实施例，这些附图是：
图1示意示出本发明装置所根据的一般原理；
图2示出用于测量输电线较大高度变化的实施例装置；
图3示出一般实施例装置；
图4示出装在机车或电气机车上的装置。
具体实施方式
从图中可以看出，本发明装置装在铁道车辆上，基于激光三角测量的原理进行测量。为此，该装置包括可以发射激光束4的固态激光源，该源光束先是平行的，随后被扩散，形成扁平形状，其厚度最好约为0.2mm。该平行光束最好用柱面透镜扩散，该柱面透镜成形为可以补偿激光束强度的高斯分布，获得均匀强度。
将以此种方式形成的激光束投射到架空线金属缆6的下侧，该光束与架空线轴线形成约45°角。虽然架空线实际上包括一根以上的金属缆，但本说明书总是针对一根单一金属缆6。
该金属缆6与激光束4产生干涉，在金属缆上形成发光线，其图案和位置与金属缆的外形轮廓相关，因此也随这种轮廓的变化而变化，具体是随磨损程度、形变和移动的变化而变化。
在金属缆6下面的位置配置具有高分辨率和高采集频率的固态采集摄像机8；该摄像机光轴大体垂直于金属缆6的轴线，因此可以检测激光束在该金属缆上产生的发光线。然后将这些发光线的信息结合其每个采集点的直角座标输送到一个处理装置，该处理装置可以计算金属缆下部分的外形轮廓，计算方法是在摄像机传感器采集的许多点之间进行内插运算。
该处理单元还能确定在该摄像机8光学视场中出现的发光线的位置，并由此计算金属缆相对于轨道10轴线的水平移动以及相对轨道平面的高度变化。具体是，如果对于固定高度的金属缆6，发光线位于摄像机8的光轴上，而且其像落在其光场的中心，则对于稍微不同高度的金属缆6，该发光线将偏离上述光轴，而且其像将沿纵向偏离上述光学视场的中心，偏离到与该金属缆高度变化相关的程度。
同样，如果对于金属缆6的中心位置，该发光线的像落在摄像机8光学视场的中心轴上，则对于横向偏离先前位置的金属缆位置，该发光线在摄像机中的像则横向偏离上述中心轴线，偏离到与上述位移相关的程度。
摄像机8具有选择性特别高的干涉滤光器，只允许一种激光波长通过，滤去其所有其它波长，从而可使系统免于受到阳光或其它光源光的干扰，因此本装置可以用在任何光照条件下，而不需要进行任何控制。
采用摄像机8允许的取样频率(例1000次/s)，该处理装置实际上可以连续测量机车或电车架空输电线的三个特征参数。
该处理装置可以装在机车或电车上，以便即时测量金属缆的磨损程度，或者可以装在地面上，在这种情况下，由摄像机8得到的信息可以输入到记录单元、以供随后处理。在两种情况下，本发明的装置最好装有用于测量行进距离的系统，从而可使连续摄像机读数的信息与在机车或电车输电线上采集这些信息的测量点相联系。
该系统最好由装在机车或电车车轮转轴上的用弹性结头或有齿皮带驱动器连接于该车轮的增量编码器组成。为了补偿车轮沿铁轨10的滑移，最好采用作用于四个车轮的四个编码器，并采用可以比较上述编码器得到的数据和可以校正这种滑移的算法。
为了在不同的或相同的机车或电车高架输电线上在金属缆6高度发生很大变化的实际情况下使这种测量系统也是可靠的，可以配置更高级的能够自动配合这些较大高度变化的高级装置，这种装置示意示于图2。
如图所示，在此种装置中，因为实际原因，摄像机8配置成其光轴平行于金属缆6的轴线，并对着反射镜12，该反射镜可将激光束4与金属缆6干涉形成的发光线的像反射到摄像机传感器上。
摄像机8装有适当的透镜，该透镜可以是固定焦距，或可以在处理装置的控制下自动快速变焦。
本装置的激光光源2与摄像机8共轴，而反射镜14配置在它们之间，将上述光源2发射的激光束4向上反射到金属缆6。
在操作时，可以采用手动或自动瞄准法，以任何一种方式使发光线的像落在摄像机8的光学视场中，在这种状态下开始，当系统的逻辑电路感到，由于金属缆高度变化使该发光线的像将要离开上述光学视场时，它将使反射镜12沿一个方向移动，从而跟踪该发光线，并使该像返回到摄像机的视场中。
适当选择系统的透镜，可以确保该发光特征线理想的聚焦和均匀性，即使金属缆高度变化在2m的范围内。
为了还能加大机车或电车架空输电线第三特征参数即金属缆6相对于铁轨轴线移动的测量范围(该移动可以高到0.6m)，本发明的装置可以采用许多并排的激光三角测量读数单元来代替一个读数单元。
图3示出这种类型的装置，在这种装置中，装有六个激光光源2，并排固定在单一横杆6上，该横杆对着倾斜安装的反射激光束4的反射镜14。
六个激光光源2构成六个读数单元部分；各个部分包括摄像机8，六个摄像机8并排装在一根横杆20上，该横杆20平行于激光光源2的杆16，并对着杆22、该杆22包括六个配置成45°角的反射镜12，从而可以将六个激光束4中的一个光束与架空输电线金属缆6相干涉形成的相应发光线的像反射到六个摄像机8上。
杆22装在一个小车上，该小车可用马达驱动的螺栓驱动，使其移向和移离上述杆16。
因为各个读数单元可以覆盖0.1m的水平宽度，所以六个单元的组件可以覆盖0.6m的总宽度，该宽度通常对应于金属缆6相对于铁轨轴线移动的最大水平变化范围。
由激光光源2的杆16、活动反射镜14、摄像机8的杆20和固定反射镜12的杆22构成的组件最好密装在固定于机车或电车25上的坚固的金属容器24中。在该容器24上形成密封玻璃窗26，该窗形成摄像机8的视窗和激光束4的出射窗。这些玻璃窗最好与电动刷子相结合，这些刷子连接于若干洗涤液喷射器、以便进行自动清洗。另外，为防止在窗上和装置的光学部件上凝结水、容器24装有空调系统，该空调系统可使其内部温度自动保持恒定。
因为容器24装在机车或电车25上，因而采集的数据将受到机车垂直运动、水平运动以及摆动的影响，所以在车辆的底部也配置三角测量激光装置28，以便测量上述车辆的几何位置，从而自动补偿测量误差。
最后，除激光三角测量单元外，本发明的装置还包括电视监测架空线的监测摄像机30。具体是，该摄像机30是数字式行进扫描的镜头伺服控制快速变焦的摄像机。同样，另一反射镜32装在与六个反射镜12相同的杆22，它可将架空线的像反射在摄像机30上。
由该摄像机30得到的像被实时压缩，然后与有关的行进距离相结合被贮存起来。
从上面的说明可以明显看出。本发明装置是特别优越的，具体是：
它可以测量机车或电车架空输电线的三个特性参数，具体是金属缆的磨损程度、高度变化和相对于铁轨轴线的位移；
实际上它可以连续测量这三个特性参数；
它能使测量的参数与相关的行进距离联系起来；
它能在任何光照条件下进行测量，而不会受到阳光或其它光源的影响；
采集的数据可以直接在铁道车上进行实时处理，或随后处理；
它可以与电视监测架空线的装置形成一体；
它可以自动补偿由安装该装置的机车或电车的垂直运动或水平运动引起的误差。

Claims (18)

1.一种测量机车或电车架空输电线特性参数的装置，其特征在于，包括以下装在机车或电车(25)上的部件：
至少一个产生激光束的激光光源(2)；
用于将上述激光光源(2)产生的激光束转变成扁平光束(4)的光学装置；
一种装置，用于定向上述扁平光束(4)的轴线，使其与该架空金属缆(6)的轴线形成非90°的角度，并使该光束的轴线与金属缆轴线形成一个平面，该平面大体垂直于上述光束(4)的平面；
至少一个采集摄像机(8)，该摄像机的光轴不同于上述扁平光束的轴线，但位于上述垂直平面内，该摄像机光轴伸向上述激光束(4)与上述金属缆(6)相交的发光线，该装置还包括处理上述摄像机(8)产生的信号的处理单元，以便确定上述发光线在上述摄像机(8)光学视场中的位置，再现上述金属缆(6)的真实外部轮廓，并将该轮廓与金属缆本身的理论轮廓进行比较。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，采用固态激光光源(2)。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述光学装置包括用于准直上述激光束(4)的透镜组件。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，上述光学装置包括使上述准直光束扁平化的柱面透镜。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，扁平光束(4)的轴线与上述金属缆(6)的轴线形成50°～60°之间的角度。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，扁平光束(4)的轴线与上述金属缆(6)的轴线形成55°角。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述摄像机的取样频率约为1000次取样每秒。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述摄像机(8)具有干涉滤光器，该滤光器的带通对应于上述激光光源(2)的频率。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
上述摄像机(8)可以自动快速变焦；
上述摄像机(8)对着反射镜(12)，该反射镜可根据上述金属缆(6)的高度活动，使得可以确保上述发光线的像总是落在上述摄像机(8)的视场内；
上述激光光源(2)的取向是使得离开激光光源的扁平激光束(4)大体平行于上述金属缆(6)的轴线，
上述激光光源(2)对着反射镜(14)，该反射镜将该激光束投射在金属缆(6)上；
上述摄像机的自动快速变焦和上述反射镜(14)的运动由上述处理装置控制。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，上述摄像机(8)配置成其轴线平行于上述金属缆(6)的轴线，位于面向反射镜(12)的位置，该反射镜将上述发光线的像反射到该摄像机上。
11.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括：
许多激光光源(2)，该光源横向于上述金属缆(6)的轴线并排配置，该激光光源配置成可以发射许多基本上共平面的扁平激光束(4)；
许多摄像机(8)，该摄像机(8)配置成平行上述激光光源(2)，采用上述处理装置可以控制上述摄像机(8)的联动操作，从而测量上述金属缆(6)相对于铁轨(10)纵轴线的位移。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括面向上述许多并排激光光源(2)的一个反射镜(14)。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括至少一个用于电视监测架空输电线的监测摄像机(30)。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，用于电视监测架空输电线的上述监测摄像机(30)配置在用于测量上述发光线的上述采集摄像机(8)的一侧。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，上述采集摄像机(8)和/或上述监测摄像机(30)配置成其光轴平行于金属缆(6)，上述每一摄像机面向反射镜(12、32)，该反射镜配置成可将上述金属缆(6)的像反射到上述相应的摄像机(8、30)上。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述激光光源(2)和上述采集摄像机(8)装在一个容器(24)中，该容器装在机车或电车(25)上，并具有可以通过上述激光束(4)和上述发光线的像的窗口(26)。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，至少一个清洁刷子和至少一个洗涤液喷洒器与各个窗口(26)相结合。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，除上述容器(24)外，还配置瞄准铁轨(10)的三角测量装置(28)，以便测量上述车辆相对于铁轨的运动，并根据上述运动校正上述采集的数据。
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