（光学工程专业论文）便携式接触网导线几何参数检测系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 论文设计了一种新型“便携式接触网导线几何参数检测系统”，它以激光旋 转扫描法测量接触网导线几何参数，利用数字信号处理器完成系统的控制和数 据处理。系统采用了激光测距、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、高精 度模数转换、步进电机和锂离子动力电池等技术。 第一章首先介绍了接触网导线及其三个重要的几何参数：导高、拉出值和 磨耗。通过现场考察成都铁路局供电段对接触网导线的检修方式，广泛调研了 国内外接触网导线几何参数检测方法，同时综合比较和分析了目前国内研制的 几种便携式接触网导线几何参数检测仪器，如j j s 激光接触网速测仪、d j j 多 功能激光接触网检测仪、t j c 超声波接触网测量仪，以及国外的接触网导线磨 耗检测系统，如意大利w i r ec h e c k 、法国s u r c a t 和日本接触导线磨耗检测系 统。 第二章给出系统设计参数要求，描述了检测系统的基本工作原理，相位法 和脉冲法激光测距的理论，详细分析了接触网导线几何参数的计算过程。最后， 通过理论计算，同时考虑实际测量情况，估算了系统的测量误差，并总结了该 检测系统的优点。 第三章通过比较目前流行的数字信号处理器，确定选择t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为系统控制和数据处理中心。论文详细介绍了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片内部结构、硬件特征和主要性能参数，同时简单介绍了该芯片的软件集成 开发环境c c s 。 第四章对各个功能模块进行了具体的设计和选型。确定选用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 应用模板s e e d d e c 2 8 1 2 为系统中心，其它功能模块与s e e d d e c 2 8 1 2 接口。文 中详细给出了s e e d d e c 2 8 1 2 应用模板、b a n n e rl t 3 n i 激光测距传感器、a d 7 8 9 2 模数转换电路板、步进电机及驱动器、倾角传感器、液晶显示和电源系统的参 数设计、接口管理、主要参数及器件选型。 第五章通过实验证明了系统设计的正确性和可行性，实验分五个部分进行： d s p 中心控制系统与微机通信、d s p 控制步进电机实现激光旋转扫描、激光测距 传感器标定及非线性改善、a d 7 8 9 2 采样轮廓信息、计算接触网导线几何参数的 d s p 程序调试。论文对实验过程进行了详细描述，并给出了器件实物图、实验 数据和部分程序。论文最后对实验进行了总结，并提出了系统设计改进意见。 附录部分给出了a b 7 8 9 2 模数转换电路板原理图，接触网导线几何参数测量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 系统的d s p 主程序以及d s p 2 8s c i h 和d s p 2 8 一s c i c 源程序。 关键词：接触网导线；激光测距；数字信号处理器；模数转换 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t a n e w “m e a s u r i n gs y s t e mf o rc o n t a c tw i r eg e o m e t r yp a r a m e t e r s ”i sd e s i g n e d i nt h et h e s i sp a p e r r o t a t i n gl a s e ri su s e dt om e a s u r ec o n t a c tw i r eg e o m e t r y p a r a m e t e r sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri su s e dt oc o n t r o lt h es y s t e ma n dp r o c e s s d a t a h i g ht e c h n o l o g i e sn o w a d a y sa r ea p p l i e d ，f o re x a m p l e ：l a s e rr a n g i n g ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r w i t hh i g hp r e c i s i o n s t e p p e rm o t o r , p o w e rr e c h a r g e a b l eb a t t e r yp a c ko fl i t h i u mi o n ， w h a ti st h ec o n t a c tw i r e ，a n di t st h r e ei m p o r t a n tg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，h e i g h t ， s t a g g e ra n dw e a r , a r ee x p l a i n e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h ec a t e n a r ye x a m i n i n ga n d r e p a i r i n gm o d et h a tp o w e rs u p p l ys e g m e n to fc h e n g d ur a i l w a yb u r e a uu s e di s o b s e r v e da n dl e a m e d c o n t a c tw i r eg e o m e t r yp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t so fi n l a n d a n do v e r s e a sa r er e f e r r e db r o a d l y p o r t a b l es y s t e mo fc o n t a c tw i r e g e o m e t r y p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t so fi n l a n dn o wa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，f o re x a m p l e ， j j s1 a s e rc a t e n a r ym e a s u r e m e n t ，d j jm u l t i f u n c t i o nl a s e rc a t e n a r ym e a s u r e m e n t ，t j c u l t r a g o n i cc a t e n a r ym e a s u r e m e n t s e v e r a lc o n t a c tw i r ew e a rm e a s u r i n gs y s t e m so f o v e r s e a sa r ei n t r o d u c e d ，l i k ew i r ec h e c ko fi t a l y , s u r c a to ff r a n c ea n d c o n t a c tw i r ew e a rm e a s u r e m e n to f j a p a n s y s t e mp a r a m e t e r sa n dr e q u e s t sa r eb r o u g h tf o r w a r di nt h es e c o n dc h a p t e r t h e nt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e mi sd e s c r i b e d t h ep r i n c i p l eo fl a s e r r a n g i n g a p p l y i n gp h a s ea n dp u l s ei sg i v e n t h ew a yo fc o m p u t i n gc o n t a c tw i r e g e o m e t r yp a r a m e t e r si sa n a l y z e di nd e t a i l f i n a l l y , m e a s u r i n ge r r o ri sc a l c u l a t e db y t h e o r e t i ca n a l y z i n ga n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a n dt h es u p e r i o r i t yo ft h es y s t e mi s g i v e n i nt h et h i r d c h a p t e r , p o p u l a rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s o ft h e s ed a y sa r e c o m p a r e d ，a n dt m s 3 2 0 f 2 81 2c h i pm a d eb yt e x a si n s t r u m e n t si sc o n f i r m e dt o c o n t r o ls y s t e ma n dp r o c e s sd a t a t h ei n n e rc o n f i g u r a t i o n ，h a r d w a r ec h a r a c t e r sa n d m a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ec h i pa r ep r e s e n t e d t h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fs o f t w a r e ，c c s ，i sr e c o m m e n d e ds i m p l y i nt h e f o u r t hc h a p t e r , e a c ha c t u a lm o d d eo fd i f f e r e n tf u n c t i o n si ss e l e c t e d a c c o r d i n gt od e s i g nr e q u e s t s e e d d e c 2 8 1 2b o a r db a s e do nt m $ 3 2 0 f 2 8 1 2c h i pi s c h o s e na st h ec e n t e ro fs y s t e ma n do t h e rm o d u l e sa r ec o n n e c t e dt ot h ec e n t e rb o a r d a n dt h e n ，t h ef u n c t i o n ，m a i np a r a m e t e r sa n di n t e r f a c eo fe a c hm o d u l ea r es h o w n ， t h er e f e r r e dm o d u l e si n c l u d es e e d d e c 2 8 1 2b o a r d ，b a n n e rl t 3 n il a s e rr a n g i n g ， a d 7 8 9 2a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e rb o a r d ，s t e p p e rm o t o ra n dd r i v e r , i n c l i n o m e t e r , l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n dp o w e rs u p p l y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 i nt h ef i f t hc h a p t e r , s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ed o n et op r o v et h ec o r r e c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n f i v es u b e x p e r i m e n t s a r ep r e s e n t e d ：c o m m u n i c a t i o n s b e t w e e nc e n t r a ld s pb o a r da n dc o m p u t e r , d s pc o n t r o l l i n gs t e p p e rm o t o ra c h i e v i n g r o t a t i n gl a s e r ，l a s e rr a n g i n gs e n s o rc a l i b r a t i n g ，a d 7 8 9 2s a m p l i n gp r o f i l e ，d s p s o f t w a r e c o m p i l i n g o fc o n t a c tw i r eg e o m e t r yp a r a m e t e r s t h ep r o c e s s o f e x p e r i m e n t si sd e s c r i b e di nd e t a i l m a n yp r a c t i c a l i t yp h o t o g r a p h s ，d a t a ，a n dp a r t i a l p r o g r a ma r eg i v e n f i n a l l y , a l lt h ee x p e r i m e n t s a r es u m m a r i z e da n df a r t h e ri m p r o v e d a d v i c e sa r eg i v e n a d 7 8 9 2a d cb o a r ds c h e m a t i cd i a g r a m ，m a i np r o g r a mo fd s p , d s p 2 8 一s c i h a n dd s p 2 8 一s c i cs o u r c ep r o g r a ma r es u p p l i e di na p p e n d i x k e yw o r d s ：c o n t a c tw i r e ；l a s e rr a n g i n g ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；a n a l o g - t o d i g i t a l c o n v e r t e r 西南交通大学舌贞士研究生学位论文第l 页 第1 章相关基础翔误 1 1 电气化铁路供龟系统 豳1 一i 电气化铁路接触刚蹦1 - 2 电力机车受流 接触网“”是电气化铁路由牵引变电所向电力机车输送电能的熏要设备，如 銎l l 繇示。它黎谈在铰遴上方，一般要承受2 7 。5 k v 静毫蘧，承载几吾至冗 安的电流，并承受电力机车受电弓每秒几十米的滑动摩擦。为了保证电力机车 毫姆爨受渡特夔，要求接皴网设备懿有蹇虹豹电气特牲亵枫壤特性。电力搬车 受电弓从接触导线受流情况如图1 2 所示。与电力机车受电弓直接接触的接触 网导线的形状、位嚣积尼秘尺寸对像涯电力梗车良好受漉起着重要作用。其中， 接触导线的商度、拉出值和磨耗是三项重黧参数。由于接触网设备媾天絮陂， 工作环境、自然环境恶劣多变，为保证这三个参数符合铁路技术标准，维修人 羹鬟进行经常测量鞠检修。 随着我围电气化铁路逐年提速，对接触嘲的机械状态要求越来越高接触 嘲豹夸疆状态已成为戮鼹毫气纯铁路据速豹主要因素之一。接黩导线莛荔为，毡 j 机4 ：f j 也的作j j ，它的几何参数霞接影响着机车的受流质量。幽此，u 。e 化 铁爨鼹接魁譬线赢躞、拉出缓和壤糕获态麴捡测戈建重援。蝰越困内一致采圳 接触式和非接触式“两类方法对接触网导线几何参数进行测量。接触式测b 厅 法戗括舄捉：式测量鄹郏分检测车测蹩：a # 接触式测量有光学法测量、超， i 波 测精瞄f ”7 、激光测鬣渊艟和c c i ) 成像测量8 孙等。霜漪，因内电气化铁路对按觚 蚓导线) l f i , l 参数的检测一般靠检测4 ：巡枪，；外就足繇人j ：髓j i 绝缘梯枪测。 | 诲嚣 k j i t j 太殴，实时检测谯差，焉嚣裣蘸袋率 鑫，楚“。静藩嚣靛天l ：检测秀式。 接触式测鞋应川较广，而实现便携式 i ：接触测嫩的备利一接触刚持线j l f , l 参 数徐溯致嚣稻主奎l i 够残熬。为了黧翕铰电袋接翅l 隧拎嫠大爨炔速爨：渡， | + 分； 蜓漩”“便携j 接触m 导线几何参数检测系统”。 西南交通大学石贞士研究生学位论文第2 页 。2 接皴网导线及足何参数 i 乜力碟 j i l l 珀q 接触导线在电气化铁路、城r h 轨道交通f 地铁、轻轨、尢 辕l 魏车) 、：l ：矿i 建气纯运簸秘起重系绞等赣竣舂蓑广泛熬痰建。瑟藩我翻攘囊垒霉 线的q - l j 墩超过5 0 0 0 吨。 接簸鼯线生产的黪轰最：产晶形拔翁肇，毽品秘多，艇篮要求安垒；巧铤f l ： 商。撤掘材质不同，接触导线有纯铜、铜合会、锅钢和锕一钢等f q 类。日丽， 接触导线痢铜会金化和复会金属他发展已成为世界接触线发展的总趋向。 到嚣瓣为止，生产各炎接触导线的方法有：连铸( 上弓l 或永平) 冷筑拉 制法( 简称：连铸法) 、连铸一热t & - 拉制法( 简称：连铸遴轧法) 、冷压复合法 ( 简称：冷复合法) 、煞漫涂包覆一霉l 涮一控锎法( 简称：浚涂法) 葶羹“康铸” ( c o r a lo v i n ) 连续挤压包覆一拉制法( 简称：康仿挤压法) 锋。这些方法都是在 连续大长发、无接受夔方筑下生产熬。毽藏，荛7 僳涯蔟豢，蒡| 雯产工艺秘稳 定性的要求都是很高的。 接触嬲几褥参数毽搀接触网导线高度、控出毽、导线黪耗、定位器坡度、 锚段关节、线龠和承力索与接触线高差等。其中，接触导线的高度、拉出信和 磨耗是接触网导线检修的爨点对象。因此，针对这三个参数的测鬃，也出现了 各种各样的测量仪器。 1 2 1 接触网导线高度 接触嬲导线惑发( 篾称：导衰，c o n t a c tw ir cl i e i g h i ) 接触捌导线n ： 常高度是指在悬挂点处，接触线与两轨顶丽连线的垂直距离，如图l _ ： 所示。 接触网导线高度测麓有两个方面的意义。方面是在静止状态下- ，测量接触导 线谦持酌成有高度，我零铁路技零标准窥定其最高位置不畿超过6 4 5 0 m m ，觳低 位筒应满足能通过阑家规定的货物最高限5 3 7 0 m m 。静态测爨为接触网 ：程施1 ： 萃 l 维修撵攥参考数撵。另一方葱，在运 亍获态下，帮奁列车运露r 分测量受 强3 沿接触导线的运行轨迹，可以为研究接触导线悬挂的质量和受电弓的性能以及 受渡凌态据供分援资料。 2 ，2 接触网导线拉赛值 接触嘲导线拉出值( 简称：拉出值，m j lo t i lv a ilj u ) 柏! 乜。c 化铁蹄 1 - ，为了惩妖受电；戆捷攫毒会，经澎叛壤耗均匀。接触蛩线在线撩豹焱线| x - 段被布置成之字形，如图卜： 所示。在曲线区段被夼靛成折线形，l 阿ll 此 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 折线一般与受电弓中心的行迹相割或相切。这种折线在定位点处接触导线距受 电弓中心线行迹的距离称为拉出值。在直线区段上，接触导线在定位点处相对 于线路中心的偏移距离，称为拉出值。为简便起见，统称为接触导线拉出值( 或 称为偏拉) 。显然，接触导线拉出值如果设置得太小，则达不到均匀磨耗滑板和 接触 图卜3 接触网导线之字布线 划 哩 娟 曲 延长受电弓使用寿命的目的。如果拉出值设置得太大，则在某些情况下，如遇 到较大风时，接触导线在某些部位就会超出受电弓的有效工作长度，造成刮弓 事故。另外，在接触网架设以后，有时也会因为金属零件松动、气温变化以及 支柱倾斜等，使得接触导线拉出值超出设计值( 标准值) ，在某些偶然条件下， 就会出现弓网事故。 1 2 3 接触网导线磨耗 新导线磨损导线 图卜4 不同磨损程度的接触导线图卜5 导线反射光强度曲线 接触网导线磨耗( 简称：磨耗，c a t e n a r yw i r ew e a r ) 电力机车受 电弓与接触导线间相互摩擦以及离线火花烧损，使接触导线的额定截面损耗的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 擞 现象。图卜4 中为不同磨损程度的接触导线。接触导线的磨糕是不可避免的。 各区段接驻静线的磨耗状态，糟每通过一万絮弓次受电弓时，接融导线磨去的 面积( m m 。) 来袭示，称为磨耗比。接触导线磨损不仅影响正常供电，导致无线电 于撬，两显蠡| 予瘗摈时毫舔数亳会霞猿簸导线帮受奄弓接辍溪撰缮大。接魅浮 线磨耗的增加将导致接触导线机械强度下降，不能满足电流通过的要求，甚歪 出理凝线事敬。接触譬线磨糕捡测装嚣是在接触导线尼霹参数溅量中投入力激 最多、研究时问最长、收效最小的个检测项目。 接触导线磨耗是蛙 于受电弓沿板和接触导线之闻的均匀机械磨损以及不勰 剐的拉弧烧蚀导线( 汔如受嘏弓滑板离线产生的电弧) 产生的。接触导线磨耗 引起导线下部断面变化，使导线和受电弓之间接触的平均面积增加。因为导线 麓接融露没被氯化，新戳该甏静毙反射率琵冀它帮分豹高。溜光源黧明导线犊 触面，通过分析接触丽反射光所形成的光强梯度变化便可以确定导线的磨损。 接簸譬线懿接魅嚣零l 葵会聱分戆毙爱_ 龛手率懿瓣 一5 瑟示。可以看塞：接魅导线 接触面与其它部分的光反射率存在明媪的差异，这就为检测导线磨耗提供了一 嵇可行的检测方法。 测量接触导线磨耗面宽度w 后，还需经过换算才能得到导线截面积。 假设采用常用的圆截面形状的接触网导线，其半径为r ，残高h 可以这样袭 不： h = r + r c o s a = r ( 1 + c o s 群) ( 卜1 ) f 1 掰：a j c s i n f ! 与( 卜2 ) r 据公式( 1 - 1 ) 帮( i 一2 ) ，哥戮宙跨耧蟊宽发w 计算掇残高h ： h = ，t 1 + c o s 【a r c s i n ( ) 】 ( 卜3 ) o r 由于磨损掉的区域宽度w 与圆中心所成的夹角为2 盯，故磨损区的面积可以 表示为： 1 。- 。_ _ _ _ 4 ：，2 a r c s i n 旦一生，2 一( 型) 2 ( 1 4 ) 2 r2v2 1 2 4 轨距和外轨超高 魄力撬车运行在辕遘上，辕遂惹慧承受车体重量裙控翻梳车运行方淘静伟 用。电气化铁路轨道的轨距和外轨超商是两个蘑要的参数，如图卜6 所示。我 国铁爨辕距为1 4 3 5 m m 。辕距如果变枣了，枫车运行容易受阻，如象交大了，将 西南交通大学硕士研究生学位论文第s 页 会吁敛列1 i 山轨。外轨超高，即内外钢轨的水i 卜商度茬，尤j 4 ：铁路转弯处 为了使列争在通过弯道时有足够的向心力，设计时一般将外轨升高。图ih 的f 口长度即为轨距， 即为外轨超高。 l i i i i 幽卜6 轨距和外轨超高示意| 芏i b 讣轨r i , 1 3 接触网导线几何参数检测方法 目前国内对电气化铁路接触网导线高度、拉出值和磨耗的检测主要靠人工 直接测量和检测车巡检两种方式。近年也出现了一些便携式接触网导线非接触 测量仪器，但是功能都还不全，精度也不高。有采用超声波和激光扫描测接触 导线高度和拉出值的仪器，也有利用c c d ( 电荷耦合器件，c h a r g ec o u p ic d i ) e v i c e ) 成像测接触导线磨耗的。但国内还没有能将导高、拉出值和磨耗测量集 于一体的“便携式接触网导线几何参数测量仪”。 1 3 1 人工测量接触导线几何参数 目前我国对接触网导线高度和拉出值的测量方法一直采用绝缘杆线坠浊 ：，其计算公式为： 导高= 绝缘杆长度+ 绝缘杆高于轨面距离一导线截面高度 ( i j ) 拉出值= 华一导线垂线至外轨内缘距离- f 塑学 ( 16 ) 采用这种人工绝缘杆线坠法有以下不足： i 、测量步骤繁琐，测量结果需多步计算，测量效率低f 。 2 、人工多步测量、多步计算，增加了积累误差和偶然误差，准确度低。 ： 、吊卡i ：、线鼹易受风吹摆动，影响乖确测量。 1 、接触测量方式，要求测量工具具有很高的绝缘性能，安全性低。 对接触f i 6 9 导线磨耗的测量更为复杂，需要特殊设计的绝缘梯，山检修人贝 蹈i ：绝缘梯后用游标卡尺直接测量，如图l _ 7 所示。此法测量的精度可达 【) 0 2 i ，但足操作起来难度很大，尤其是绝缘保护，操作i j 必须严格遵守。绝 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 缘梯体毛；! 庞人，在铁路上人工搬动难度较人，导致测避效率极低。 圈i 一7 游标f 尺测量导线磨耗 1 3 2 接触导线残高测量方法 车载式的接触网导线残高测量装置在法国的s u r c a l l 系统。j 中应用，这种检 测方法将在1 1 2 节中介绍。y d m c 便携式导线磨耗带电测量仪1 2 。采用测量接触 网导线残高的方法。测量时，检测装置与绝缘杆连接，由人工举到6 m 多高的导 线处。光学照明系统产生一束平行光从接触导线侧面平行入射，接触导线残高 经光学成像系统成像在线阵c c d 靶面上，并在线阵c c d 相应的像元中获得一定 宽度的脉冲信号，该脉冲信号的宽度即与导线残高相关，经过进一步的计算处 理便可以得到导线残高值，该方法测量精度可达0 0 5 m m ，存在偏磨情况下也呵 以精确测量。 1 3 3 其它接触导线几何参数测量方法 ( 1 ) j f s 激光接触网速测仪”i i s 激光接触网速测仪由支架安装于轨道 旁的d 点，首先发射激光扫描内外钢轨和导线，利用激光测距法测量f ，点到导 线和内外钢轨的距离，激光测距精度3 r a m ，测量原理如图1 _ 8 所示。其次j | 】增 量式光栅测角技术进行角度测量。为提高测角精度，采用了莫尔条纹放大技术。 根据激光测距信息以及角度测量信息，经过复杂的公式便可以计算出接触持线 离度和拉出值，以及钢轨轨距和外轨超高。此方法目前还处于研究阶段。 ( 2 ) | ) f i 多功能激光接触网检测仪| ) 川多功能激光接触网检测仪- t 监 川j ：l 乜t 化铁蹄接触嘲几何参数的测量，如图i _ g 所示。该仪器采川l j j 。见红光 、卜导体激光器作为光源，利用激光测距技术对接触网导高、拉出值、定位器坡 度、锚段关 ，、线岔、轨距和外轨超高等卜余项参数进 j ：非接触快速测 l ，” 儿订体积小、重量轻、安全可靠、显示直观等优点，是电气化铁路先进的测h 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 仪器。目前已应用在北京、郑州、长沙、成都、广东、福建、沈阳、大连等电 气化铁路局、段。 图卜8 激光接触网检测仪原理图卜9d j j 多功能激光接触网检测仪 ( 3 ) t j c 超声波接触网测量仪。1t j c 超声波接触网测量仪架设在轨道上， 通过发射超声波和接收由导线反射回来的超声波回波信号，测量导线的高度、 拉出值和外轨超高，精度2 0 r a m 。该方法改变了以往传统人工直接测量方法的 低效率问题，使得测量高效、简单、方便。但是检测精度偏低，不能满足高速 铁路接触网的检测要求。 1 4 国外车载式接触导线磨耗检测系统 过去的几十年中，各国投入大量的人力、物力和财力研究接触网导线磨耗 检测方法，各种利用磁场分析、微波反射分析、电和光的非接触检测系统o ”先 后被提出来，其中光学检测是较成功的方法。本节将介绍目前国外接触网导线 磨耗检测的几种系统，它们都是采用光学法。m e d e s 系统”“”1 、a t o n 系统。7 “”1 、 w w s 系统。”和w i r ec h e c k 系统。”是利用光源照明导线磨耗面，由高速摄像机拍 摄磨耗面的图像，通过对采集到的图像进行处理得到导线磨耗。s u r c a t 。”导线 残高测量系统是在受电弓上安装平行激光束发射和接收装置来测量导线的残余 高度。日本的系统。”则是利用激光扫描磨耗面，计算反射激光持续的时间来计 算导线磨耗面宽度。 1 4 1w l r ec h e c k 、m e d e s 、a t o n 和w i n s 系统 m e d e s 系统( 西班牙) 、a t o n 系统( 荷兰) 、w w s 系统( 德国) 和w i r ec h e c k 系统( 意大利) 都是基于光源照明接触导线磨耗面，高速摄像机采集接触面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 像，经过硬件和软件的数字图像处理后得到导线磨耗面的宽度值，有的装胃州 时也能测量接触导线的高度及拉出值，并以数据报表或罔形曲线形式保存和实 i 显示。这些系统都采用照明摄像检测原理，区别在于，在实现某些模块叫采 用r 不同方法，四种系统的技术参数对比见表卜l 。 嵌【1m 洛、a i o n 、w w s 平w 1r i ! c i i ! c k 技术参数对比 h n* e n 掩* # n 1 1p n 州乍4精膻 机 j imj l f i i ) k n l i( r l l l l l ) j i 【* “ 截自“j 、 n # hj 【br lr l l m ml f 杯机 * n 叁【i ) 。套h br r n 擞儿 i n 1 u i m | m ! ec n 排f - j m辆什* w 州机 “套lu ( r _j u 、i “ “雌抖机* 戗m 北“* 一j t h 。7 川i 。_ ) 幽i i1 网级数崭处理 下面以意人利w1 肼c t l i ! c k 接触网导线几何参数测量系统为例，介绍图像检 测法测最接触导线几何参数的基本原理。w i ( ：】 l i c k 由一套安装在午体下部的 俐轨化避枪测单，和套安装在车顶的接触导线检测单元组成，接触导线枪测 _ l t | 儿如图l | 1 0 所不。机车运行时车体会兄动，这将对导线参数的测量产乍较大 的误差。钢轨位胃检测单就是实州测最车体相对于钢轨i _ r | 心线的位置，从而 埘测鞋的导线参数进行补偿。接触导线检测单，用6 组激光器发劓甲行激光束 照亮导线，被导线反射网来的激光束分别由6 组对心的高速c m ( ) h 全数字摄像机 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 接收。激光器采 j 两种波长6 7 0 h m 和6 9 0 r i m 交义排州，每个激光器输j | j 功率为 永1 w 。+ - i jj j 珀耳帖效应稳定激光二极管的工作温度，使其波长保持缸( s l - 。激光 器出射的激光经特殊的圆柱体透镜准直，该透镜能补偿光强度商斯分御，从 i 町得剑亮度均匀的激光束。另外，摄像机还安装了特殊的下涉滤波镜”，j 1 7 i 定波长的光才能通过，而其余的千扰光则被滤掉。c m ( h 仝数。# 摄像机j i 丫i 1 0 2 4 1 2 x o 高分辨率，并集成了8 组并行 i ) 转换单元，转换厉的数信o ， 条) ih ) 位的总线传输，这样可获得每秒1 0 0 0 次的采样频率。每纽激光 摄像机单元可覆盖2 0 0 0 m m 高，2 0 0 1 m 宽的范围，6 组一共可覆盖2 0 0 0 m m l 2 0 0 m m 的视野，满足接触导线高度和拉出值的测量范围，并可同时检测1 根导线的位 置和磨耗。 数掘处理系统采用集成化电子器件，大大减少了系统元器件数日，提高了 系统的可靠性。可编程设计思想使系统具有很大的灵活性，也为以后系统升级 提供了方便。系统的数据处理分为四级，各级问连接如图卜l l 所示。第一级是 集成在摄像机内的高频处理器，主要负责数据过滤、像素坐标计算和数据压缩。 第二级集成在接口卡上，包括一个每秒运算1 6 亿次的d s i ( d i g i t a ls i h 1 i ) r o c o s s o r ，数字信号处理器) 和一个2 0 万逻辑门的阡( ； ( f ? i o l d | ) r ( ) g r ln l n l l ( - ( ：；t lca f r a y ，现场可编程门阵列) ，用于实时处理摄像机所采集的图像数据。第 二级主要负责数据的同步化和线性化，完成像素坐标到笛卡儿坐标的转换。第 i 级为工业计算机l ，ci 插槽的扩展卡，卡上集成了5 万逻辑门的f a ，对进入 计算机的信号进行预处理。第四级是安装在机车内控制面板上的l 业计算机。 处理6 路摄像机信号的6 台计算机和系统控制服务器之问通过网络连接。这。 级完成接触网导线位置、磨耗测量，以及钢轨位置计算、检测结果存储和实时 疆示( 最多1 0 秒钟的延时) 。 接触导线测量单元具有j p ( i 5 防护等级，并安装在一个孥固的金属盒中。为 满足激光束通路和摄像机视野，金属盒子开了一个密封完好的玻璃窗l ，并在 玻璃窗口。i ：加装了推拉式丌启门，在不检测时关c ! j 它以保护检测设备。该f j 还 = | _ 自动清洁玻璃窗口的作用。 1 4 2 法国s u r c a t 系统 法闺c y h t f i l e tix 公习jc o gm 叩合作丌发的b t ：i + c a i - 接触呼线腑耗检测系 统，直接检测导线的贱高。系统在受电弓两端分别安袈激光束发射和接收皴n ， 发射装置发射片状平行激光束照射导线侧面，当遇到导线时部分激光被挡住， 此激光接收装置接收到的信号直接反映了导线的残高值，如i 刘】j2 所，j ：。激 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 光发射和接收装置由1 2 v 直流供电，封装在弓形箱内，用户呵方便的将两个弓 形箱安装在受电弓上。从受电弓采集的信号通过光纤传输到机车内，由计算机 进行后续处理。s u r c a 1 系统允许在接触网带电情况下，以4 0 k m h 的车速对每 问隔2 c m 的导线残高进行一次检测，检测频率为6 0 0 1 1 z ，残高检测精度( ) 】i n l n 。 测量残高的最大优点是低成本且易实现，但需对受电弓进行改装。s lr c a t 有前 导线和双导线两种测量模式可选用，目前应用在法国s n c i ；检测车上。 图l1 2s u r c a t 系统检测原理 1 4 3e l 本接触导线磨耗检测系统 激光束通过旋转反射镜反复扫描整个接触导线拉出值范围，当激光束遇到 接触导线磨耗商时，引起激光漫反射，部分光被反射回光源处，这样可通过光 电转换器件接收反射光，如图11 3 所示。导线磨耗丽有个宽度，这样激光束 的反射将持续一段时间，由于激光束以恒定速度扫描，故磨耗面宽度，激光反 射持续时间成j 下比。 图ii ： 日本系统检测原理 h 本系统采用泵浦y a ( ；激光二极管作为扫描激光光源，波长1 0 6 d nr r l ，输出 功率? ；n o m w 。系统采用庞大复杂的反射镜和棱镜光学系统，还具有一个伺服系 妪南交邋大学硕士研究生学位论文第li 页 统使棱镜麓导线高度交纯而移动。系统安装在检测车车顶，体积为2 5 0 0 f i l m 1 0 0 0 m x t o o m m ，嗣前应用在只本_ j r 。 1 5 本论文的要求及主要工作 “便携式接触网导线几何参数检溯系统”综合分析前人的设计经验，并借 鉴矮优点，设计出功能齐全、方便实用的接触网导线几何参数捡测系统。需要 经常检测盼接触导线几何参数包耩：接触静线高废，接触警线拉出值，接触导 线磨耗。这三个参数是供电段检修接触网导线的蘸点目标。本设计就是要设计 奎能丽蠡幸稔测这三个参数靛“倭臻裟接魑瓣导线足留参数稔测系统”。系魏瘫其 有精度高、重量轻、携带方便、操作简单、数据可视化、焱全可靠、抗电磁于 魏簿籍煮，装菱霹敬取代瑷鸯供电投入员采用熬接皴翳导线足嚣参数捡测方法。 设计“便携式接触网龆线几何参数检测系统”的主要工作包括： l 、充分调研戮内孙接触题导线足 萼参数检测系统的设计原理秘设计经验。 2 、总结前入的设计经验，充分考虑系统的可行性，提出设计方案。 3 、提出方案聪，充分考虑各种细节，通过反复的论证，验证梭测系统原理 的难确栏和实现的埘行性。 4 、着手系统设计，设计每一个功能模块，完成系统的集成，软件的编写。 5 、逶j 遣裙步豹实验，谖朔该设计懿霹嚣牲。 6 、总结设计经验，完成论文的写作。 珏南交通大学颂士研究生学位论文第12 页 第2 章检测系统设计 总结时人的设计经验，结合寓际应用需求，设计“便携式接触网导线几何 参数捡测系统”。零章将夯缨系统豹设计参数、工终蒙理和系统组成，著麓垂分 祈接触网导线几何参数的计算过稔和误羞分析。缀后综合比较几种设计系统， 总结该设计的优劣之处。 2 1 系统设计参数 目前国内外对接触网浮线几何参数的测量系统可分为车载式和便携式两大 类。车载式系统将各静检测设备安装于捡溯车车顶，数据处理单元安装于车内， 浏量列车避行时接触网导线的各种动态参数。便携式系统为各种平持式接触网 导线静态几何参数测量仪。该类系统一般体积小，使用方便，能很好的配合供 纛段接融阏检修入员俸监。本漂藤帮实蕊这样一个“便携式接簸黼导线凡褥参 数测量仪”。 “便携式接皴瓣导线梵 莓参数检蘸系统”主蘩凌麓要求： l 、手持便携试仪器。 2 、礴测量导线毫疫，5 m 6 8 m ，麓度圭5 r r c a 。 ： 、可测量导线拉出德，6 0 0 r a m ，精度5 m m 。 4 、可测量导线磨耗，精度l m m 。 5 、可附带涮避钢轨鞔距和井轨超高，精度5 m m 。 6 、系统带有人机接口界面，即液晶最示和操作按键。 7 、系统麓存储一定慧数据，并靛将数箨转德弱羲+ 冀橇。 8 、系统要有很好的电磁屏蔽能力。 9 、系统实露 熏毫，能瀵是瑷塌实瓣数据采集。 1 0 、系统自带电池能维持系统正常工作1 0 小时以上。 il 、仪器转救小，重爨轻， 1 5 k g 。 1 2 、仪器操作简单、携带方便。 13 、能适应室外环境雁常工作。 “便携式接触阏导线几何参数检溅系统”主要粥予替代传统瓣入j ：点疆涮 燃导线几何参数的方式，协助接触网检修人员快速作业。因此系统必须具订精 凌离、重鬃轻、揍带方倭、操俸麓萃、数掇可视像、安全霹靠彝抗龟磁。：l i 抗等 特点。系统的测量参数包括：接触网导线高度、报出值和导线磨耗，以及轨蜊! 西南交通大学硕士研究生学位论文第l3 页 和外轨超商。 装置要求的检测范围和精度： l 、导高测量范围：5 m 6 8 m ，精度5 哪。 2 、拉出值测量范围：+ 6 0 0 m m ，精度5 m m 。 3 、导线磨耗测量精度：1 m m 。 d 、轨距和外轨超高测量精度：5 m m 。 2 2 系统组成 “便携式接触网导线几何参数检测系统”主要分为两大部分：激光扫描测 量单元和中心控制及数据处理单元。激光扫描测量单元完成脉冲激光的发射， 旋转扫描激光束的形成，反射激光信号的接收和激光测距模拟信号输出；中心 控制及数据处理单元包括数字信号处理器，模数转换，数据接口和人机接口等。 另外，系统还应包括一些辅助部件，如蓄电池供电，倾角传感器，液晶显示等。 该设计实现的难点在于激光扫描测距。目前，国内还很少有自主研发的高 精度激光测距仪器，军用的激光测距了解得不是很多，对于民品，市面上很少 见国产的。市面上的高精度激光测距仪器主要还是欧美一些国家的，如瑞士的 莱卡、德国的s i c k 、美国的b a n n e r 等。这些激光测距传感器的检测精度可以 达到甚至超过1 m m ，检测距离从零点几米到上千米，测距输出频率可上k i i z ，输 出有模拟量和数字量可选。本设计中需要一款高精度、高响应度的激光测距传 感器，精度要求l f i l m ，输出频率1 k h z 以上，检测距离0 5 m s m 。激光扫描系 统为步进电机带动反光镜旋转，形成扫描激光，原理在后续章节有详细的说明。 激光测距输出的是模拟量信号，需要将其转化为数字信号，因此需要进行模数 转化。输入d s p 后得到的即为激光测距输出的距离信息的数字量，从而进行接 触网导线几何参数的分析计算。最后将计算结果输出显示，或转储到计算机数 据库中。 整个系统的组成及各自的功能、相互关系如图2 1 所示。该系统以i ) ”为 系统中心，周围分布各子模块，电源采用交流转直流供电，显示采用计算机屏 幕显示。为进一步完善“便携式接触网导线几何参数检测装置”，电源需采用专 门的蓄电池供电，测量结果显示采用系统自带的液晶显示。 系统设计时，需要重点注意以下几个方面的问题： j 、测量精度“便携式接触网导线几何参数测量仪”对精度的要求很较商 导高和拉出值精度要求为+ s m m ，导线磨耗测量精度为l 哪。这样高的精度对 电路设计、器件选型和数据处理都有很高的要求。 西南交通夹学硕士研究生学位论文第14 页 2 、电磁屏蔽娃l 于仪器要在接触网导线下方操作，接触网上具有嶷雉 2 7 5 k v ，导线弼强窘狠强静电磁场，这对仪器的电路会产生一定的电磁干扰， 影响系统正常工作，这个问题必须谯设计中考虑。 图2 - 1 系统组成 3 、系统劝耗崮于是便携式系统，系统必须舀