激光測(cè)距技術(shù)在車輛直線電機(jī)氣隙丈量中的應(yīng)用
作者:admin   發(fā)布時(shí)間:2015/11/20 15:30:19   瀏覽次數(shù):2785
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和功能的逐步完善,激光測(cè)距技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛,激光測(cè)距技術(shù)在城市軌道交通直線電機(jī)氣隙丈量中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。下面中昊自動(dòng)化就為大家介紹一下激光測(cè)距技術(shù)的原理及技術(shù)應(yīng)用。
目前,新型的城市軌道交通車輛采用了直線電機(jī)(LIM)牽引方式,直線電機(jī)有別于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī),它將電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分開(kāi)布置,即定子位于列車側(cè),轉(zhuǎn)子(又稱感應(yīng)板)敷設(shè)在軌道中心,在電流和磁場(chǎng)的作用下,定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的相互作用力使列車相對(duì)于軌道運(yùn)動(dòng),為保證一定的牽引力、減少能耗和列車限界的要求,直線電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的間隔(以下稱作氣隙)應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi),因此氣隙日常丈量維護(hù)是確保列車正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié),由于氣隙丈量是一個(gè)動(dòng)態(tài)丈量,且受線路長(zhǎng)度、線路條件、直線電機(jī)電磁場(chǎng)干擾強(qiáng)度等因素影響,實(shí)際丈量難度較大,目前國(guó)內(nèi)外同行在該領(lǐng)域的研究仍在不斷探索中,下文簡(jiǎn)單介紹激光測(cè)距技術(shù)在該領(lǐng)域中的應(yīng)用。
1原理介紹
20世紀(jì)90年代初,隨著半導(dǎo)體激光二極管技術(shù)的開(kāi)發(fā),激光的實(shí)際應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化,半導(dǎo)體激光丈量用具有丈量精度高、體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且不易受電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)用于測(cè)距領(lǐng)域。激光測(cè)距原理分為3種:一是脈沖法激光測(cè)距,測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被丈量物體反射后又被測(cè)。距儀接收,測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間,光速和往返時(shí)間的乘積的一半就是測(cè)距儀和被丈量物體之間的間隔,脈沖法丈量間隔的精度一般在±1m,適合于測(cè)定間隔較遠(yuǎn)的物體(如建筑、地質(zhì)等方面);二是三角法激光測(cè)距(又稱結(jié)構(gòu)光掃描儀),以半導(dǎo)體激光器作光源,使其產(chǎn)生的光束照射被測(cè)表面,經(jīng)表面散射(或反射)后,用面陣CCD攝像機(jī)接收,光點(diǎn)在CCD像平面上的位置將反映出表面在法線方向上的變化,即點(diǎn)結(jié)構(gòu)光丈量原理;三是相位法激光測(cè)距,它是用無(wú)線電波段的頻率對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲,再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng),換算該相位延遲所代表的間隔。相位式激光測(cè)距儀一般應(yīng)用于精密測(cè)距。目前廣州地鐵四號(hào)線直線電機(jī)氣隙的丈量主要采用三角法激光測(cè)距原理。
2丈量實(shí)施
車輛直線電機(jī)氣隙是由車輛側(cè)的定子和軌道側(cè)的感應(yīng)板構(gòu)成,實(shí)時(shí)丈量時(shí)若將丈量裝置安裝在直線電機(jī)上則易受磁場(chǎng)干擾和列車運(yùn)行的影響,丈量出來(lái)超標(biāo)點(diǎn)在線路中的精確定位難度較大,因此實(shí)際丈量是采用分開(kāi)丈量的方法,即在線路中的某個(gè)點(diǎn)丈量所經(jīng)過(guò)列車直線電機(jī)定子(相對(duì)于軌面)高度,另外運(yùn)用移動(dòng)丈量設(shè)備丈量線路感應(yīng)板(相對(duì)于軌面)高度,兩者之差即為直線電機(jī)氣隙值,該丈量方法基本上能夠反應(yīng)出全線直線電機(jī)氣隙的水平,在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中效果較為理想。以下就具體的丈量方法作一介紹。
1)定子高度丈量
定子高度丈量是將激光丈量器預(yù)埋在車輛段出進(jìn)線的軌道中心(可以將丈量器布置成與感應(yīng)板等高,見(jiàn)圖1)。采用三角法激光測(cè)距時(shí),來(lái)自探頭的激光光束照射在直線電機(jī)定子底面,并形成光點(diǎn),該光的一部分被反射,通過(guò)光學(xué)鏡頭到達(dá)安裝在傳感器內(nèi)部的CCD電荷耦合器的線性陣列(圖2)。光點(diǎn)在陣列中的位置根據(jù)傳感器與被測(cè)表面的間隔按比例改變,內(nèi)部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能識(shí)別出其位置并直接給出被測(cè)間隔。該丈量方法適用于任何具有漫反射表面的材料的丈量,表面反射率的變化由集成電子儀器加以補(bǔ)償。
系統(tǒng)丈量時(shí)采用2套激光測(cè)距傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)底面沿電機(jī)長(zhǎng)度方向的2條輪廓曲線的數(shù)據(jù)采集,從而測(cè)出在動(dòng)態(tài)環(huán)境下電機(jī)定子的高度,該丈量方法亦稱在線丈量,它能夠真實(shí)地反映定子的高度。
三角法激光測(cè)距
采用預(yù)埋設(shè)備的方法,系統(tǒng)相對(duì)固定,因此系統(tǒng)規(guī)模相對(duì)較大,功能也較為齊全,系統(tǒng)主要包括以下部分:中心控制治理系統(tǒng)、探測(cè)站(數(shù)據(jù)采集及前置處理設(shè)備)、車號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置、標(biāo)定裝置及其他輔助設(shè)備(圖3)??紤]到方便操縱、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等原則,探測(cè)站系統(tǒng)進(jìn)行集成配置,包括多套激光測(cè)距傳感器、車輪傳感器、主機(jī)系統(tǒng)、微波天線、分線箱、電纜及整體鋼枕系統(tǒng)等。
整個(gè)數(shù)據(jù)處理方法基于一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP),它自動(dòng)控制激光能量和CCD陣列的曝光時(shí)間。同時(shí)應(yīng)用同周期補(bǔ)光RSTC技術(shù)可以丈量多種不同的表面,如光亮的金屬,玄色的橡膠和粗糙的油漆面等。
該丈量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠在車輛運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)在線丈量電機(jī)定子的高度,同時(shí)具有自動(dòng)判別列車運(yùn)行方向、自動(dòng)測(cè)速、自動(dòng)計(jì)軸、計(jì)算列車數(shù)目,并根據(jù)設(shè)定的直線電機(jī)氣隙最小值,實(shí)現(xiàn)故障或超限的預(yù)警、報(bào)警。缺點(diǎn)是系統(tǒng)投資規(guī)模和占地空間較大。
2)感應(yīng)板高度丈量
感應(yīng)板高度丈量采用高度集成化的移動(dòng)丈量設(shè)備(以下稱丈量小車),丈量小車由激光丈量編碼器定距、計(jì)算機(jī)圖形處理等多種技術(shù)結(jié)合而成,丈量小車走行部能夠通過(guò)5#道岔和65m小半徑曲線以及既有的城市軌道交通任何坡度線路,且滿足鐵路限界的要求,它具有體積小,重量輕等特點(diǎn)。操縱者通過(guò)推動(dòng)小車,便可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前里程對(duì)應(yīng)的感應(yīng)板的高度,大大進(jìn)步了工作效率并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。
與定子高度丈量一樣,該系統(tǒng)也是采用三角法激光測(cè)距,監(jiān)測(cè)儀由2個(gè)激光傳感器組成,分別丈量感應(yīng)板的兩邊,通過(guò)位移傳感器等間距采樣并計(jì)算當(dāng)前的里程,然后經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析后在顯示屏上顯示實(shí)時(shí)丈量結(jié)果,丈量小車采樣頻率高,可達(dá)到16kHz,丈量精度≥0.04min,可進(jìn)行事件觸發(fā)(即發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)才開(kāi)始記錄,以節(jié)約內(nèi)存空間),傳感器的采樣間隔可調(diào),數(shù)據(jù)處理可靠,不失真。系統(tǒng)構(gòu)成圖和主體示意圖分別如圖4和圖5所示。
為了適應(yīng)全天候的天氣條件,尤其是避免白天強(qiáng)烈日照對(duì)激光頭采樣的影響,激光驅(qū)動(dòng)電路采用特殊設(shè)計(jì)使得激光頭的激光點(diǎn)強(qiáng)度能夠自適應(yīng)閉環(huán),保證丈量數(shù)據(jù)不隨環(huán)境溫度、顏色、光亮度(太陽(yáng)照射或夜晚較暗環(huán)境)等變化而變化,但該系統(tǒng)缺點(diǎn)是丈量易受惡劣天氣影響,且感應(yīng)板上有雜物時(shí)也會(huì)影響丈量精度。
傳統(tǒng)丈量法是采用人工方法對(duì)感應(yīng)板高度進(jìn)行抽樣丈量,操縱者將高度丈量尺靠在軌道上,通過(guò)調(diào)節(jié)尺的游標(biāo)進(jìn)行丈量,由于現(xiàn)代城市軌道交通線路建設(shè)里程越來(lái)越長(zhǎng)(如廣州地鐵四號(hào)線雙向全長(zhǎng)達(dá)93.12km),傳統(tǒng)的手工丈量方法效率低,一天僅能丈量約0.7km,工作強(qiáng)度高,而且是非連續(xù)丈量,易造成漏檢的情況。激光丈量小車的使用可以很好地替換手工丈量,不但進(jìn)步了工作效率,丈量速度可達(dá)到3km/h,同時(shí)可以減輕操縱者的工作強(qiáng)度和連續(xù)進(jìn)行丈量,為感應(yīng)板治理職員提供了精確的技術(shù)參數(shù),并便于丈量數(shù)據(jù)的治理。最后將測(cè)得定子高度減往轉(zhuǎn)子(感應(yīng)板)高度即為直線電機(jī)氣隙值,從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明廣州地鐵四號(hào)線直線電機(jī)氣隙值基本為11-12mm,滿足正常使用范圍要求。
激光測(cè)距技術(shù)在廣州地鐵四號(hào)線直線電機(jī)車輛氣隙丈量領(lǐng)域的運(yùn)用固然剛剛起步,但是已經(jīng)取得了明顯的效果,它不但改善了丈量效率、丈量精度,降低了檢驗(yàn)作業(yè)職員的勞動(dòng)強(qiáng)度,更避免了以往使用丈量尺而造成的漏檢情況,為直線電機(jī)車輛的安全、可靠運(yùn)行提供了保障。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和功能的不斷完善,激光測(cè)距技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛。
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