CN210833458U - 一种便携式轨道平顺度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式轨道平顺度测量装置，装置包括发射端和测量端，发射端包括激光发射管和内置的电动方向控制机构等；测量端包括激光接收屏、嵌入式CPU、摄像头和人机界面等。测量时激光发射管将激光投射到激光接收屏上形成光斑，摄像头捕获光斑在激光接收屏上形成的光斑图像，CPU对光斑图像进行处理分析计算获得光斑中心的位置。轨道平顺度测量前需先建立激光基准弦线，由测量端通过无线通信遥控发射端的激光方向，由手动遥控配合自动遥控方式，使激光光斑中心对准原点，从而在被测钢轨的两端建立激光基准弦线，建立过程速度快，效率高；该装置结构紧凑、体积小、重量轻、方便携带、操作简便，单人即可完成所有的测量操作。

Description

一种便携式轨道平顺度测量装置

技术领域

本实用新型涉及激光准直测量技术领域，具体涉及一种便携式轨道平顺度测量装置。

背景技术

为实现高速状态下列车运行的安全性和舒适性，必须保证铁路轨道的较高平顺度。轨道平顺度包含的轨向和高低两个基本参数，这两个参数是指钢轨在水平和竖直方向与钢轨理想位置的尺寸偏差。

现有技术中，通过建立平行于轨道的激光基准弦线，再利用该激光基准弦线对一段钢轨进行长波平顺度测量，是本领域轨道平顺度测量的一种方法。本领域内基于建立激光基准弦线的测量装置很多，例一GPJ-A01轨道平顺度激光检测仪（北京拉特激光精密仪器有限公司研制），例二公开号为CN203753171U的《激光轨道平顺度测量仪》,例三公开号为CN107764213A的《一种激光轨道平顺度检测装置及方法》，例四公开号为CN104554342B的《轨道平顺度检测装置》它们的共同特点是：利用电子经纬仪式的激光发射装置发射并调整激光的方向，调整时的旋转中心在激光管的中心位置，在生产和使用时还要确保这个位置和测量靶的中心位置相同。测量时，建立激光基准弦线首先需要调平并固定激光发射装置；第二步在远基准端的调平并固定定位靶（有些装置直接用测量装置代替了）；第三步人工通过激光发射装置上的粗调、细调装置调整激光方向，使激光对准远端的定位靶心，这个过程有些需借助于附带的望远镜，并且远端要有人观察配合，通过手势、手机等交互调整激光，因为即使有望远镜，在100米远处，也很难看清靶心的位置，而在夜晚（高铁维护的天窗点）则需要增加照明设备，这个过程如果不熟练，往往需要较长的时间，效率很低。基准弦线建立完成可以进行测量了，为了保证测量装置的水平，有些装置借助了轨道尺（例一），有些利用了轨道车（例四），这无疑增加了整个装置的重量。

另外，因平时维护或现场测量操作等各种原因，使测量靶心偏离了激光发射装置的旋转中心位置，这时就难以保证测量的准确，表现就是激光对准了远端的定位靶心，贴近测量时却发现有偏差，影响了整个测量的准确性，这时就需要校正，校正的过程往往很繁琐。

现有技术中，测量端对激光光斑中心的识别并进行量测的方法和装置各异，例一采用二维栅格坐标靶、激光束通过相位调制成同心圆环状激光光斑，目视识读，例二、例三采用光电探测器、PSD位置传感器接收光斑，然后用电子或机电方式处理接收的信号，例三用摄像头在半透屏幕后拍摄图像，然后传输给计算机进行处理，并配备轨道小车摆放计算机；人工目视读取数据，读取的结果人为因素影响较大，精度只能达到1mm量级，在长距离测量时，光斑会因空气湍流而抖动，人工更无法客观地进行平均、滤波等处理；采用光电探测器、PSD位置传感器，通过探测光线强度来确定光斑中心位置，但是，因为各种因素的影响，激光光束横截面内光强分布会产生不对称性，影响确定光斑中心的精确度；采用摄像头拍摄图像，利用图像识别算法处理激光的衍射图像，通过拟合圆得到圆心位置，从而确定光斑中心，精确度会比较高，但是例三采用计算机现场处理，并且配备小车摆放计算机，使得整套装置笨重、搬运操作都不便。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种便携式轨道平顺度测量装置，该装置结构紧凑、体积小、重量轻、方便携带、操作简便，可以快速建立平行于轨道的激光基准弦线，一个人就可以快速简便地测量直线轨道的长波平顺度。

实现本实用新型目的的技术方案如下，

一种便携式轨道平顺度测量装置，包括测量时相对放置在被测铁轨两端的发射端和测量端，发射端包括激光发射管；测量端包括激光接收屏、摄像头和人机界面；

所述发射端还包括向心关节轴承、电动方向控制机构、控制电路，以及与控制电路连接的无线通信模块；

向心关节轴承与激光发射管的头部连接；保证激光管运动灵活，小角度调节方向时出口光斑的位置变化在可允许的误差范围内；

所述激光发射管，采用扩束镜头，使光束能在100m远处汇聚，并采用较长的结构，以增加方向控制的控制比；

电动方向控制机构设置在激光发射管的尾部，接受控制电路的指令，控制激光发射管尾部的二维运动,从而控制激光的发射方向；

所述测量端还包括嵌入式CPU、无线通信模块；摄像头、人机界面、无线通信模块分别与嵌入式CPU相连接；

设置在发射端和测量端内部的无线通信模块，相互交换数据信息和指令信息；

测量时发射端的激光发射管将激光投射到测量端的激光接收屏上形成光斑，摄像头捕获光斑在激光接收屏上形成的光斑图像，嵌入式CPU对光斑图像进行处理分析计算获得光斑中心的位置。

所述测量端的激光接收屏由灰色滤光片和紧贴滤光片的半透模组成，灰色滤光片可以减弱环境光的影响；所述摄像头为微型高清彩色CMOS摄像头，在测量端内部，位于激光接收屏后部中心位置，能够拍摄整个激光接收屏和投射在激光接收屏上的激光光斑图像；所述嵌入式CPU，以激光接收屏中心或附近某点位置为原点，建立平面直角坐标系；嵌入式CPU对光斑图像进行色彩、光强、形状滤波，并进行处理分析计算，获得的光斑中心在坐标系中的位置，就是所测量点钢轨平顺度的高低和轨向偏差。

所述发射端内部的激光发射管以头部为轴，通过摆动尾部调节激光方向;所述向心关节轴承与激光发射管的头部连接，并固定于发射端内的前端；所述电动方向控制机构位于发射端内的尾部，包括机架，设置在机架两侧的左调节装置和右调节装置，左调节装置和右调节装置结构相同，均由微型步进电机驱动，其结构还包括滑台、丝杆、带滑槽的滑块，在电机的驱动下，滑块能够带动滑槽沿丝杆来回运动；

所述激光发射管尾部设有与激光管同轴的拨杆，拨杆穿入两个滑块的滑槽中，左调节装置和右调节装置成正交设置，使得拨杆能在小范围的平面内运动，从而调节激光的方向；左调节装置与底座成45°角，使拨杆能在重力的作用下紧贴滑槽的一侧稳定地运动。

发射端和测量端的底部均安装有底板，底板可使装置稳定地、准确地放置于钢轨上；底板为L型，采用无磁性的304不锈钢材料，底板上方设置有强力磁铁，测量操作时，发射端和测量端的底板底面通过磁铁吸附于钢轨顶面；同时要求侧边板内侧面靠贴钢轨的侧面，为了避开可能存在的肥边，侧边设计为C型；

在测量端的侧边板的对面设置有弹性轨道夹，在测量端外壳顶部设置有水平泡，因钢轨顶面略成弧形，利用轨道夹的夹持而产生的摩擦力，略微摆动测量端，就可使其调整到水平位置；如此设计可保证测量操作时，测量端摆放在钢轨上的一致性，并避免人为因素对摆放的影响。

所述发射端无需轨道夹和水平泡设计，只要测量时摆放基本到位，并在整个测量过程中不移动，即可保证测量的准确性。

所述发射端和测量端，相对摆放在钢轨上时，底板的侧边在钢轨的同一侧；当发射端和测量端贴近时，发射端发射的激光投射到测量端激光接收屏的中心位置或附近。

所述无线通信模块，可以在发射端和测量端之间可以相互交换数据信息和指令信息；

所述测量端的人机界面由液晶显示屏及若干按键组成；操作人员可以通过测量端的人机界面发送指令，控制发射端的激光发射方向；测量端也可以根据光斑在激光接收屏上的位置，自动发送控制激光方向的指令，从而使激光光斑移动并对准激光接收屏上的原点位置。

所述摄像头采用微型高清彩色CMOS摄像头，所述测量端的激光接收屏由灰色滤光片和紧贴滤光片的半透模组成，嵌入式CPU对光斑图像进行色彩、光强、形状滤波，并进行处理分析计算，可以适应全天候的室外作业。

所述嵌入式CPU为多媒体DSP处理芯片，能快速地处理各种数据信息和图像数据；光斑图像处理，光斑中心点计算、平顺度偏差计算、无线通信、数据保存、显示测量数据、接受人工指令等都由嵌入式CPU完成。

所述发射端和测量端的外部均有与其结构相适配的密闭壳体，壳体上分别设有凹纹，方便单手抓握；发射端内部采用机电控制，外部没有任何的手动调节、紧固装置；测量端的轨道夹设计成下压放置方式，操作简便，除此再无任何的调节、紧固装置；发射端和测量端结构紧凑、体积小、外壳密闭、可单手抓握操作，能适应户外各种工作环境，便于携带和维护保养。

基于上述轨道平顺度测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1.在测量起点的钢轨上固定发射端，移动测量端使激光接收屏紧靠发射端的激光发射口；

S2.调平测量端后，发射激光，测量端分析并存储投射在激光接收屏上光斑中心的位置，按校0键后，将以此位置作为原点位置在激光接收屏内建立平面直角坐标系；

S3.测量端摆放于远测量基准端的钢轨上，使激光接收屏朝向发射端，如果激光投射在激光接收屏外，先通过人机界面遥控激光发射管角度，确保激光进入激光接收屏内，再调平测量端；

S4.测量端根据接收的激光光斑中心位置与S2所述的原点位置的偏移量对发射端发出调整激光发射管角度的指令，直到激光光斑中心对准原点位置，测量端发出锁定激光发射管角度的指令，发射端根据指令锁定激光发射方向，激光基准弦线建成；

S5.将测量端移动放置到所需测量位置的钢轨上，调平测量端后，测量端根据S2建立的坐标系，对投射到激光接收屏上的光斑中心位置进行分析计算，获得该测量位置钢轨平顺度偏差，并在液晶屏上显示出来。

本实用新型的轨道平顺度测量装置建立激光基准弦线的原理如下，激光发射管的头部通过向心关节轴承连接在发射端底座上, 激光发射管尾端摆动，激光实际是以发射管头部的发射口中心为轴心摆动，在测量起点处，使激光接收屏紧靠激光发射口，可以保证激光接收屏上获得的激光光斑中心位置等同于激光发射管头部发射口中心位置，调平测量端后，将此时的光斑中心在激光接收屏上的位置定义为平面直角坐标的原点，就在发射端和测量端两者间建立起了等高、等偏的坐标系统，当测量端摆放在远测量基准端并进行调平后，遥控激光投射到原点位置，此时，在测量起点和远测量基准端之间的激光构成测量基准弦线。测量起点和远测量基准端之间的各个测量点的钢轨平顺度偏差即为该处光斑中心在激光接收屏平面内的坐标系上的读数。

本实用新型装置与现有技术相比的有益效果：

1、维护、使用简单，结构简单，制造成本低

由于发射端和测量端的原点在现场自动确定，且原点确定后，调整激光方向时原点基本不变，所以两端无需精确对准中心位置，且发射端无需附加调平装置；因为发射端无任何数据测量需求，只需根据测量端的指令调节激光管方向，所以调节只需要有相对精度即可，因此对制造精度要求低、成本低。

测量端采用微型高清彩色CMOS摄像头拍摄图像，光斑图像处理、平顺度偏差计算、无线通信、数据保存、数据读取等都由嵌入式CPU完成，测量数据实时显示，人机界面简单，无需外接数据处理设备，外部无任何复杂的机械调节装置，达到制造成本低、结构紧凑的要求。

2、操作方便简单

本装置特别适合于夜间天窗点维护作业，由于在测量端手动遥控激光方向时，可近距离观察激光的对准效果，激光光斑进入接收屏幕后,测量端根据激光光斑中心位置与原点的偏差，通过无线通信模块，对发射端的激光发射方向发出调节的指令，遥控激光发射方向直到光斑中心对准原点，这个过程无需人为干涉，全部由机器自动调节完成，建立激光基准弦线速度快，效率高，整个测量操作全过程只要一个人就可以完成。

3、实现IP54防护

由于没有复杂的手动调节机构，所以发射端和测量端的外观都可设计成密闭形式，轻松实现IP54或更高的防护标准，能适应户外环境，维护保养也较简单。

4、集成、便携式设计

采用嵌入式CPU，方向调节、拍摄、处理、显示、通信、存储都集成在密闭机壳中，小巧轻便，携带、操作简单轻便。全套设备总重可以控制在2Kg以内，整套装置可放入290x290x110mm的工具箱中，单手就可提走。

附图说明

图1为实施例轨道平顺度测量装置的发射端和测量端的外观结构示意图；

图2为图1中发射端的内部结构示意图；

图3为图1中测量端的内部结构示意图；

图4为实施例发射端和测量端的工作原理图；

图5为实施例轨道平顺度测量装置在测量起点建立测量坐标原点的工作状态示意图；

图6为实施例轨道平顺度测量装置在远测量基准端遥控激光发射方向的工作状态示意图。

图中，1.发射端 101.发射端壳体 102.发射端底板 103.发射端侧边板 104.激光发射窗口 105.发射端外壳凹纹

11.激光发射管 111.拨杆 12.向心关节轴承 121.轴承座

13.电动方向控制机构 131.机架 132.右调节装置 133. 左调节装置 134.步进电机 135.丝杆 136.丝杆滑台 137.滑块 138.拨杆滑槽

14.控制电路 15.无线通信模块 16.强力磁铁

2.测量端 201.测量端壳体 202.测量端底板 203.测量端侧边板 204. 轨道夹 205. 测量端外壳凹纹

21.激光接收屏 22.水平泡 23.暗盒 24.摄像头 25.液晶显示屏 26.按键27.嵌入式CPU 28.人机界面 29.无线通信模块。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型内容作进一步的说明，但不是对本实用新型的限定。

实施例

参照图1-4，一种快速建立激光基准弦线的轨道平顺度测量装置，包括测量时相对放置在被测铁轨两端的发射端1和测量端2，发射端1包括激光发射管11、向心关节轴承12、电动方向控制机构13、控制电路14，以及与控制电路14连接的无线通信模块15；

向心关节轴承12与激光发射管11的头部连接；保证激光管11运动灵活，小角度调节激光方向时，出口光斑的位置基本不变；

电动方向控制机构13设置在激光发射管11的尾部，用来控制激光发射管11尾部的二维运动；

电动方向控制机构13包含机架131，左调节装置133和右调节装置132，左调节装置133和右调节装置132的结构相同且二者正交设置，右调节装置132包括步进电机134、步进电机134带有丝杆135、带滑槽138的滑块137及其滑台136；滑台136固定在机架131上，丝杆135、步进电机134、滑块137均装配在滑台136中；在电机134的驱动下，滑块137能够带动滑槽138沿丝杆135来回运动；激光发射管11的尾端设有与激光发射管轴线重合的拨杆111，拨杆111穿入左、右两个滑块的滑槽中，左调节装置133和右调节装置132成正交设置，使得拨杆111能在小范围的平面内运动，从而调节激光的方向；左调节装置132与底座成45°角，使拨杆111能在重力的作用下紧贴滑槽138的一侧稳定地运动。

电动方向控制机构13、无线通信模块15与控制电路14相连接；无线通信模块15接收由测量端2发出的激光方向控制指令，控制电路14经过处理后通过电动方向控制机构13控制激光的发射方向。

带侧边板103的底板102安装于发射端1底部，底板102采用无磁性的304不锈钢材料制造，底板102上方设置有强力磁铁16，磁力线透过底板102吸附钢轨，使发射端1稳定地放置于钢轨上；侧边板103内侧面靠贴钢轨的侧面，为了避开可能存在的肥边，侧边板103设计为C型；

测量端2包括激光接收屏21、水平泡22、暗盒23、摄像头24、液晶显示屏25、按键26、人机界面28、嵌入式CPU27、无线通信模块29；人机界面28由按键26、液晶显示屏25、薄膜面板及PCB电路板组成；摄像头24、人机界面28、无线通信模块29分别与嵌入式CPU27相连接；

带侧边板203的底板202安装于测量端2底部，采用无磁性的304不锈钢材料制造，底板202上方也设置有强力磁铁（图中未标识），磁力线透过底板202吸附钢轨，使测量端2稳定地放置于钢轨上；侧边板203内侧面靠贴钢轨的侧面，为了避开可能存在的肥边，侧边板203设计为C型；在侧边板203的对面设置有弹性轨道夹204，轨道夹204前端为弧形，并用限位机构使轨道夹204与侧边板203保持一定的距离，因钢轨顶面略成弧形，可用按压的方式将测量端2放置于轨道上；在测量端2外壳顶部设置有水平泡22，利用轨道夹204的夹持而产生的摩擦力，略微摆动测量端2，就可使其调整到水平位置；如此设计即可保证测量操作时，测量端2摆放在钢轨上的一致性，避免人为因素对摆放的影响，又可使操作简便易行。

激光接收屏21位于测量端1前脸，当发射端1和测量端2正确地摆放在铁轨上并靠近时，激光发射管11头部与激光接收屏21贴近，发射端1发射的激光投射到测量端激光接收屏21的中心位置或附近。

测量操作时激光发射管11将激光投射到激光接收屏21上形成光斑，摄像头24捕获光斑在激光接收屏21上形成的光斑图像，嵌入式CPU27对光斑图像进行处理分析计算获得光斑中心的位置。

设在发射端1内部的无线通信模块15和测量端2内部的无线通信模块29，相互交换数据信息；

发射端1外部设有与其结构相适配的密闭壳体101，壳体101上设有光学平面玻璃的激光发射窗口104。

测量端2的外部也设有与其结构相适配的密闭壳体201，液晶显示屏25和轻触按键26设在壳体201上，采用薄膜面板密封。

发射端壳体101上设有凹纹105，测量端壳体201上设有凹纹205，方便单手抓握。

参照图5-6，上述轨道平顺度测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1.参照图5，在测量起点的钢轨上固定发射端1，发射端1的侧边板103紧贴钢轨侧面，底板102吸附于钢轨顶面上，使发射端1稳定摆放在钢轨上，直到测量结束，发射端1不能有任何移动；

在发射端1前方的钢轨顶面上放置测量端2，使激光接收屏21朝向发射端1，移动测量端2直到测量端2的激光接收屏21紧靠发射端1的激光发射口104；

S2. 依据水平泡22调平测量端2后，按校0键，测量端2分析并存储此时投射在激光接收屏21上光斑中心的位置，并以其位置作为原点在激光接收屏21内建立平面直角坐标系；

S3. 参照图6，测量端2摆放于远测量基准端的钢轨上，使激光接收屏21朝向发射端1，如果激光投射在激光接收屏21外，应先通过按键26遥控激光发射管11的 角度，确保激光进入激光接收屏21内，摆放好并调平测量端2；

S4. 测量端2一旦感知到激光光斑投射到激光接收屏21，进入自动遥控发射端1模式，测量端2根据接收的激光光斑中心位置与S2所述的原点位置的偏移量对发射端1发出调整激光发射管11偏角的指令，改变激光发射角直到激光光斑中心对准原点位置，然后测量端2发出锁定激光发射管的指令，发射端11根据指令锁定激光发射方向，激光基准弦线建成；

S5.将测量端2放置到所需测量位置的钢轨上，调平测量端2后，根据S2建立的坐标系，对投射到激光接收屏21上的光斑中心位置进行分析计算，横坐标即为该处钢轨轨向偏差，纵坐标即为该处钢轨高低偏差，从而获得该测量位置钢轨平顺度偏差，将该数据显示在液晶显示屏25，并存储在测量端2内，或者传输给操作人员的手持终端。

Claims (5)

1.一种便携式轨道平顺度测量装置，包括测量时相对放置在被测铁轨两端的发射端和测量端，其特征在于：发射端包括激光发射管、向心关节轴承、电动方向控制机构；测量端包括激光接收屏、摄像头和人机界面；

所述发射端还包括控制电路，以及与控制电路连接的无线通信模块；

向心关节轴承与激光发射管的头部连接，使得调节方向时出口光斑的位置变化在可允许的误差范围内；

电动方向控制机构设置在激光发射管的尾部，接受控制电路的指令，控制激光发射管尾部的二维运动,从而控制激光的发射方向；

所述测量端还包括嵌入式CPU、无线通信模块；摄像头、无线通信模块、人机界面分别与嵌入式CPU相连接；

设在发射端和测量端内部的无线通信模块，相互交换数据信息；

测量时发射端的激光发射管将激光投射到测量端的激光接收屏上形成光斑，摄像头捕获光斑在激光接收屏上形成的光斑图像，嵌入式CPU对光斑图像进行处理分析计算获得光斑中心的位置。

2.根据权利要求1所述的轨道平顺度测量装置，其特征在于：所述测量端的激光接收屏由灰色滤光片和紧贴滤光片的半透模组成；所述摄像头在测量端内部，置于激光接收屏后部中心位置，能够拍摄整个激光接收屏和投射在激光接收屏上的激光光斑图像；所述嵌入式CPU，以激光接收屏中心或附近某点位置为原点，建立平面直角坐标系；嵌入式CPU计算获得的光斑中心在坐标系中的位置，就是所测量点钢轨平顺度的高低和轨向偏差。

3.根据权利要求1所述的轨道平顺度测量装置，其特征在于：所述发射端内部的激光发射管以头部为轴，通过摆动尾部调节激光方向；所述向心关节轴承与激光发射管的头部连接，并固定于发射端内的前端；所述激光发射管，采用扩束镜头，使光束能在100m远处汇聚，并采用较长的结构，以增加方向控制的控制比；所述电动方向控制机构位于发射端内的尾部，包括机架，设置在机架两侧的左调节装置和右调节装置，左调节装置和右调节装置结构相同，均由微型减速步进电机驱动，其结构还包括滑台、丝杆、带滑槽的滑块，在电机的驱动下，滑块能够带动滑槽沿丝杆来回运动；所述激光发射管尾部设有与激光管同轴的拨杆，拨杆穿入两个滑块的滑槽中，左调节装置和右调节装置成正交设置，使得拨杆能在小范围的平面内运动，从而调节激光的方向；左调节装置与底座成45°角，使拨杆能在重力的作用下紧贴滑槽的一侧稳定地运动。

4.根据权利要求1所述的轨道平顺度测量装置，其特征在于：所述发射端和测量端的内部均有无线通信模块，发射端和测量端之间可以相互交换数据信息和指令信息；

所述测量端的人机界面由液晶显示屏及若干按键组成；操作人员可以通过测量端的人机界面发送指令，控制发射端的激光发射方向；操作人员也可以按键使测量端进入自动对准方式，测量端根据光斑在激光接收屏上的位置，自动发送控制激光方向的指令，从而使激光光斑移动并对准激光接收屏上的原点位置。

5.根据权利要求1所述的轨道平顺度测量装置，其特征在于：

所述发射端和测量端的外部均有与其结构相适配的密闭壳体，壳体上分别设有凹纹，方便单手抓握；发射端的壳体前端上设有采用光学平面玻璃的激光发射窗口；所述测量端的激光接收屏由灰色滤光片和紧贴滤光片的半透模组成构成测量端的前脸，测量端的人机界面设在其壳体上方，采用薄膜面板密封。

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