专利名称：一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置、系统及其方法
一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置、系统及其方法技术领域
本发明属于光学和几何位置测量技术领域，涉及一种无缝钢轨纵向、横向位移同 时测量装置与方法。
背景技术：
无缝线路是铁路技术发展的大趋势。由于温度变化，钢轨内会存储相应的纵向温 度应力。在天热时可能胀轨跑道，在天冷时可能拉断钢轨，都可能使运行通过的列车脱轨或 颠覆，造成重大列车事故。因此，钢轨位移与温度应力测量在无缝线路安全检测及监测中 起着重要作用，有必要对监测无缝线路的位移与温度应力进行二十四小时不间断的远程监 测。
目前，国内外最常用的无缝钢轨的温度应力测量方法为位移观察桩方法，该方法 存在检测效率低、检测误差大、不易及时发现问题等缺点。专利号为ZL 99214444. 2的中国 实用新型专利《钢轨位移观测仪》中，测量装置的测量精度只能达到士 1mm。另外，在专利号 为ZL 02262271. 3的中国实用新型专利“钢轨位移观测装置”中，提供了借助激光进行测量 的技术解决思路，可使测量极限误差小于1mm，但仍需人工操作，测量精度有限，且不能实现 自动测量。
为此，我们发明了一种《利用激光自动监测钢轨参数的装置、系统及其方法》(专利 号ZL 200610113287. 4)。该发明使用激光自动测量钢轨的位移，并将测量数值通过无线通 信网络传送到中央处理单元，从而实现对观察点位移和温度应力的远程监测，但由于需要 在钢轨上安装钢轨位移测量单元，这些测量单元具有一定的重量和大�。菀资芨止煺穸� 而脱离，造成测量失败。
为此，我们又发明了一种《钢轨参数自动测量装置、系统及其方法》(申请号 200910087168. X)。该发明不需要在钢轨上安装钢轨位移测量单元，但只能测量钢轨纵向位 移，测量参数不够全面。发明内容
本发明的目的是，针对目前已发明的钢轨参数自动测量装置、系统及其方法中存 在的缺陷，提出一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置、系统及其方法。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案
一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置，包括标记、钢轨位移测量单元、轨边 固定桩和中央处理单元，钢轨位移测量单元和中央处理单元之间以有线或无线方式进行连 接；钢轨位移测量单元除包括成像透镜、光电位置探测器、信号处理电路、电源模块、通信模 块、安装盒、光源补偿器、支架、第二窗口玻璃、第三窗口玻璃；
其特征在于钢轨位移测量单元还包括半导体激光器和第一窗口玻璃；半导体激 光器由支架固定在所述安装盒内部右端，激光出射端紧贴嵌入安装盒前壁右边的第一窗口 玻璃并与之共轴，另一端与所述信号处理电路相连；5
钢轨位移测量单元安装在轨边固定桩上，调节钢轨位移测量单元至最佳位置；所述钢轨位移测量单元的最佳位置满足三个条件(1)使得标记通过所述安装盒 的第二透明窗口后，经过成像透镜成像于光电位置探测器时满足近轴条件；( 使得光源 补偿器出射光照射到标记；C3)使得半导体激光器出射到钢轨上的光点，通过所述安装盒 的第二透明窗口后，经过成像透镜成像于光电位置探测器时满足近轴条件。一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量方法，包括下列步骤步骤1 安装无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置；步骤2 光源补偿器根据外界光强调整发光强度，对标记进行补光；步骤3 初始测量，所述标记与所述半导体激光器出射到钢轨上形成的光点在钢 轨上的初始位置分别为A” B1，所述标记与所述光点依次在光电位置探测器上成像，由信号 处理器依次对光电位置探测器的输出信号进行处理，分别得出所述标记与所述光点的像在 光电位置探测器上的初始位置A/ ,B1'，将所得数据通过通信模块送入中央处理单元；步骤4 纵向位移实时测量，当所述钢轨存在纵向位移H1时，所述标记在钢轨上的 位置由A1变为A2，所述标记的像在光电位置探测器上的位置由A1'变为A2'，由信号处理 器得出标记的像在光电位置探测器上的实时位置A2'，将所得数据通过通信模块送入中央 处理单元；步骤5 横向位移实时测量，当所述钢轨存在横向位移H2时，所述半导体激光器出 射到钢轨上形成的光点在钢轨上的位置由B1变为4，所述光点的像在光电位置探测器上的 位置由B/变为，由信号处理器得出光点的像在光电位置探测器上的实时位置B2'， 并将所得数据通过通信�？樗腿胫醒氪淼ピ徊街�6 由步骤3到步骤5分别得到的标记与所述半导体激光器出射到钢轨上形 成的光点在探测器上的像的初始位置A/ ,B1'和实时位置A2' ,B2'，在中央处理单元中，
根据透镜成像公式
权利要求
1.一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置，包括标记(I)、钢轨位移测量单元 (III)、轨边固定桩(IV)和中央处理单元(VI)，钢轨位移测量单元(III)和中央处理单元 (VI)之间以有线或无线方式进行连接；钢轨位移测量单元(III)包括成像透镜(1)、光电 位置探测器(3)、信号处理电路0)、电源模块(5)、通信�？�(6)、安装盒(7)、光源补偿器 (8)、支架(12)、第二窗口玻璃(10)、第三窗口玻璃(11)；其特征在于钢轨位移测量单元(III)还包括半导体激光器( 和第一窗口玻璃(9)； 半导体激光器O)由支架(1 固定在安装盒(7)内部右端，激光出射端紧贴嵌入安装盒 (7)前壁右边的第一窗口玻璃(9)并与之共轴，另一端与信号处理电路(4)相连；钢轨位移测量单元(III)安装在轨边固定桩(IV)上，调节钢轨位移测量单元(III)至 最佳位置；钢轨位移测量单元(III)的最佳位置满足下述三个条件使得标记(I)通过安 装盒(7)的第二透明窗口(10)后，经过成像透镜(1)成像于光电位置探测器C3)时满足近 轴条件；使得光源补偿器(8)出射光照射到标记(I)；使得半导体激光器O)出射到钢轨 (II)上的光点，通过安装盒(7)的第二透明窗口(10)后，经过成像透镜⑴成像于光电位 置探测器( 时满足近轴条件。
2.一种如权利要求1所述的无缝钢轨纵向、横向位移同时测量方法，其特征在于所述 方法包括以下步骤步骤1 安装无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置；步骤2 光源补偿器(8)根据外界光强调整发光强度，对标记(I)进行补光，该步骤在 不需要进行阴天、夜间或者特殊环境下(比如日食、雨雾、沙尘等天气)测量时可以省去；步骤3 进行初始测量，标记(I)与半导体激光器O)出射到钢轨(II)上形成的光点 在钢轨上的初始位置分别为Ap B1，标记(I)与光点依次在光电位置探测器C3)上成像，由 信号处理器(4)依次对光电位置探测器(3)的输出信号进行处理，分别得出标记(I)与半 导体激光器(1)出射到钢轨(II)上形成的光点的像在光电位置探测器C3)上的初始位置 A1' ,B1'，将所得数据通过通信�？�(6)送入中央处理单元(VI)；步骤4:纵向位移实时测量，当钢轨(II)存在纵向位移H1时，标记⑴在钢轨(II)上 的位置由A1变为A2，标记⑴的像在光电位置探测器(3)上的位置由A1'变为A2'，由信 号处理器(4)得出标记(I)的像在光电位置探测器C3)上的实时位置A2'，并将所得数据 通过通信�？�(6)送入中央处理单元(VI)；步骤5 横向位移实时测量，当钢轨(II)存在横向位移H2时，半导体激光器⑵出射到 钢轨(II)上形成的光点在钢轨上的位置由B1变为化，光点的像在光电位置探测器(3)上 的位置由B/变为化‘，由信号处理器(4)得出标记(I)的像在光电位置探测器(3)上的 实时位置化‘，并将所得数据通过通信�？�(6)送入中央处理单元(VI)；步骤6:由步骤3到步骤5分别得到的标记⑴与半导体激光器(2)出射到钢轨(II) 上形成的光点在探测器上的像的初始位置A1' ,B1'和实时位置A2' ,B2'，在中央处理单元(VI)中，根据透镜成像公式原理| + + = |、三角公式、三角形各边之间的关系以及H/ =A1' -A2' ,H2' =B1' -B2'，计算出标记(I)与钢轨位移测量单元(III)沿(V \ ,钢轨(II)纵向方向相对位置的变化量代=-H1以及半导体激光器(2)出射到钢轨(II)上形成的光点与钢轨位移测量单元( 沿钢轨(II)横向方向相对位置的变化量H2=^&_，从而得到钢轨(11)的纵向与横向位移数据。i-SinB1 + H2 -CosB1 -sin92
3.根据权利要求2所述的一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量方法，其特征在于 Ap BJi置可以重合。
4.一种无缝钢轨纵向、横向位移同时测量系统，包括两个或者两个以上的无缝钢轨纵 向、横向位移同时测量装置，同样数量的钢轨温度自动测量单元和一个共用的中央处理单 元(VI)，其特征在于每两个无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置组成无缝钢轨纵向、横 向位移同时测量装置组，每组无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置组中包括两个钢轨温 度自动测量单元(V、V’)，且钢轨温度自动测量单元(V、V’ )与对应的无缝钢轨纵向、横向 位移同时测量装置的通信�？�(6)和电源�？�( 相连，所有无缝钢轨纵向、横向位移同时 测量装置的通信�？�(6)共用同一个中央处理单元(VI)，且所有通信模块(6)与中央处理 单元(VI)通过有线或者无线方式连接；钢轨温度自动测量单元(V、V’)以粘接或机械连接 方式固定在钢轨(II)上；本系统在测量钢轨的纵向、横向位移的同时，还能够自动寻找到 钢轨的最大温度应力地段，避免事故的发生。
5.一种如权利要求4所述的无缝钢轨纵向、横向位移同时测量系统的测量方法，所述 方法包括下列步骤步骤1 选取无缝钢轨纵向、横向位移同时测量系统中的一组无缝钢轨纵向、横向位移 同时测量装置组，将其中的两个无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置分别记为第一无缝 钢轨纵向、横向位移同时测量装置和第二无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置；步骤2 在任意时刻，利用第一无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置的钢轨位移测量 单元(III)测量得到该处轨边固定桩(IV)和钢轨(II)之间沿钢轨纵向方向、横向方向的 相对位置；步骤3 与步骤2同一时刻，利用第二无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置的钢轨位 移测量单元(III)测量得到该处轨边固定桩(IV)和钢轨(II)之间沿钢轨纵向方向、横向 方向的相对位置；步骤4 与步骤2同一时刻，钢轨温度自动测量单元(V)测量得到该处钢轨(II)的温 度数值；步骤5 通过第一无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置和第二无缝钢轨纵向、横向位 移同时测量装置的通信�？�(6)，分别将步骤2、步骤3和步骤4测得的数据传送到中央处 理单元(VI)；步骤6 在步骤2选取的时刻之后的任意时刻，利用第一无缝钢轨纵向、横向位移同时 测量装置的钢轨位移测量单元(III)测量得到该处轨边固定桩(IV)和钢轨(II)之间沿钢 轨纵向方向、横向方向的相对位置；步骤7 与步骤6同一时刻，利用第二无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置的钢轨位 移测量单元(III)测量得到该处轨边固定桩(IV)和钢轨(II)之间沿钢轨纵向方向、横向 方向的相对位置；步骤8 与步骤6同一时刻，钢轨温度自动测量单元(V、V’)测量得到所在处钢轨(II) 的温度数值；步骤9 通过第一无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置和第二无缝钢轨纵向、横向位 移同时测量装置通信�？�(6)，将步骤6和步骤7和步骤8测得的数据传送到中央处理单元 (VI)；步骤10 中央处理单元(VI)对两个不同时刻的两组无缝钢轨纵向、横向位移同时测量 装置传送的数据进行处理，得到两个无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置对应长度的长 度变化AL，以及两个不同时刻的钢轨温度的变化值ΔΤ，按照公式Qt= (a XAT-AL/ L) XE计算得到两组无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置之间钢轨温度应力。其中α为 钢轨的线膨胀系数，约为11.8X10_6/°C ；E为钢轨的弹性模量，约为2. 1 XlO5MPa5L为两个 钢轨参数自动测量装置对应初始长度。
全文摘要
本发明涉及一种钢轨纵向、横向位移同时测量装置、系统及其方法，属于光学和几何位置测量技术领域。本装置包括标记、钢轨位移测量单元、轨边固定桩和中央处理单元，通过测量标记和半导体激光器出射到钢轨上形成的光点不同时刻在钢轨上位置的变化，可分别测得待测点钢轨的纵向和横向位移数据，并将测量数值通过无线通信网络传送到中央处理单元，从而实现对观察点位移的远程监测。采用两个或者两个以上的无缝钢轨纵向、横向位移同时测量装置，同样数量的钢轨温度自动测量单元和一个共用的中央处理单元组成的无缝钢轨纵向、横向位移同时测量系统，在测量钢轨的纵向、横向位移的同时，还能够自动寻找到钢轨的最大温度应力地段，避免事故的发生。
文档编号G01L1/00GK102042808SQ201010534488
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者冯其波, 杨婧 申请人:北京交通大学
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