（电力系统及其自动化专业论文）接触网几何参数的非接触检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 1 ) 可实现非接触测量，即可在不改变被测物体性质的条件下进行检测， 能达到最小程度地影响被测对象整体行为的目的。 ( 2 ) 可通过图像信息显示给出待测对象的大量信息。 ( 3 ) 高响应速度、较宽的适应性以及用户赏识的直观性。 ( 4 ) 具有多学科的综合高技术化特点。它以激光扫描技术为核心，对待测 对象实现信息获取、转换、处理与显示等功能，便于实现数字化、智能化和自 动化。 激光扫描系统发展迅速，在很多领域都得到了广泛的应用，产生了良好的 运行效果。但是在国内接触网参数检测领域仍然没有任何应用。因此基于激光 扫描系统开发的这套接触网几何参数检测系统，填补了国内接触网检测领域的 空白，对于丰富接触网检测方法具有重要的意义。 1 2 接触网几何参数检测技术国外现状 接触网几何参数检测技术从开始出现至今已有4 0 多年的历史。经过大量的 研究和试验，开发出一系列根据不同要求而设计的接触网几何参数检测设备。 原理各异，归纳起来可以分为人工测量和机械测量，接触式测量和非接触式测 量，便携式测量和车载测量【“。 早期接触网几何参数的测量方法是用高压绝缘杆进行人工测量。接着世界 铁路广泛采用爱尔兰的s u p a r u l er o m 超声波系统。该系统用2 个超声波传感 器来测量接触线的拉出值和导线高度。传感器安装在检测车车体的两侧。在检 测车运行过程中，从超声波传感器中发送的超声波通过空气传输并送到接触线 上，然后，超声波反射返回到传感器上。传感器到被测物之间的距离通过发送 和接收超声波间的传输时间与当时的波速经计算后获得，最后，采用三角测量 法来分析接触线的拉出值和导线高度【6 j 。 在高速接触网几何参数检测技术研究方面，由于国外铁路高速化研究和实 践比较早，他们取得了较大的进展。比如日本高速电气化铁道配有专用的接触 网检测车，采用先进的激光方式测量，可以适应夜间的工作。奥地利将光学非 接触法应用于接触网参数检测中，并取得了很大进展m ，5 3 ，54 1 。 下面简单介绍国外六种接触网几何参数检测系统：荷兰的a t o n 系统，德 国的t r a c k e y e 激光扫描系统，西班牙的m e d e s 系统，德国的d b 图像处理检 测系统，意大利的m e rm e c 接触线测试系统以及韩国的0 p t i s c a l l 激光非接触 检测系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 a t o n 系统 a t o n 接触线厚度测量系统是荷兰铁路技术研究学会和t n o 应用物理研究 所合作研发的 9 1 。它也可以测量接触线的拉出值和导线高度。a t o n 系统采用5 个高分辨率的线阵c c d 摄像机和一个激光器，最多可同时测量4 条接触线。系 统通过激光光源照射接触线，c c d 摄像机接收反射图像。 2 t r a c k e v e 激光扫描系统 t r a c k e y e 激光扫描系统是由德国f r a u e i l l l o f e r 研究所开发、澳大利亚p l a s s e r & t h e u r e r 公司推向市场的一种激光扫描非接触式接触线几何参数测量系统【l 。 激光扫描系统采用相位法测距，它用来测量接触线的拉出值和导线高度。系统 的主要问题在于：接触线的反射性( 从高反射性到几乎全吸收性不等) ；车辆顶 端的电磁干扰；湿脏环境( 妨碍或减少激光系统的光学视野) ：直接照射到目标 物的光线( 如强烈阳光照射) 。 3 m e d e s 系统 西班牙国内铁路部门与马德里科技大学合作开发了r e n f e 可视化系统1 1 “， 它同样采用5 个线阵c c d 摄像机。与a t o n 系统不同，雌、n f e 系统采用的是 一种特殊的光学仪器。在r e n f e 系统的基础上，1 9 9 4 年，西班牙电子工程公 司研制了m e d e s 系统【4 3 l 。系统结构如图1 1 所示。 口c r 舢n s 口t ) m 【a l l c 口k 艄k 幽1 1m e d e s 系统结构图 4 d b 图像处理检测系统 7 0 年代末8 0 年代初，位于慕尼黑的德国铁路研发中心研制了一种能通过立 体图象测量接触网几何参数的非接触式测量系统【1 2 】。这种系统白天也可以运行 。通过车顶的摄像机和辅助照明系统，将受电弓、接触线、定位器等视频图 像传输给图像采集卡，图像采集卡将模拟信号转变数字图像，分别传送给并行 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 处理器，对图像信号进行分析、存储和实时显示。如图1 2 所示。 图1 - 2d b 图像处理检测系统 5 m e rm e c 接触线测试系统 意大利m e rm e c 公司研发的m e rm e c 接触线测试系统，有两种不同的 系统可用于测量接触网几何参数：机械接触式( r o g e r o u 、o u c h ) 和光学非 接触式( r o g e ro l ( 隰o ) 。光学非接触式采用了完全以无接触光电技术为基础 的创新技术。机械接触式的测量速度是o 一1 6 0 l 【i r l l l ，光学非接触式的测量速度 是o 一3 5 0 k l n m 。 6 0 p t i s c a n 激光非接触检测系统 韩国高速铁路管理局采用德国d ld w j l l r h a h n 公司生产的二维激光扫描仪 o p t i s c a n 研制激光非接触检测系统。一个激光扫描仪o p t i s c a i l 安装在检测车 车顶，测量接触网几何参数；5 个激光传感器o p t i m e s s 安装在车体，2 个用于 测量车体运行时的上下侧滚振动，1 个用于测量车体运行时的横摆振动，剩余2 个传感器用于测量轨距。 1 3 接触网几何参数检测技术国内现状 国内最早进行接触网参数检测技术研究的是铁道部科学研究院，他们从 1 9 6 2 年开始研究接触网检测车，跟踪和学习国外的技术。7 0 年代后期成都铁路 局和原西安铁路局也参加到研究接触网检测设备的行列中来。西南交通大学从 8 0 年代开始研究接触网检测技术，并陆续开发了j j c 1 型、j j c 2 型、j j c 3 型 接触网检测车，在多年的现场使用中取得了较好的效果【1 4 】。今后接触网参数检 测系统发展的方向是面向高速情况下参数的实时检测，同时在参数检测的方法 上不断改进，以提高检测的准确度和精确度。 我国现有的接触网几何参数检测方式有以下几种：一是在受电弓上安装传 感器的接触式测量；二是采用测杆、线坠的便携式接触测量；三是采用摄像机 技术成像的非接触式测量：四是采用激光测距技术的便携式非接触测量。但是 在投入使用后，存在如下问题： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 在受电弓上安装传感器的接触式测量系统：在受电弓滑板上安装接近 传感器，测量接触线拉出值、双接触线水平距离，受电弓主轴上安装角位移传 感器测量受电主轴转角。根据主轴转角与受电弓滑板高度对应关系确定接触线 高度，并利用接触线高度间接计算出接触线高度变化率。如图1 3 所示。其不 足之处在于：需要安装在有受电弓的专用车辆上，且受电弓上安装的设备( 如 各种传感器) 会影响受电弓的动态性能，从而影响测量精度，同时，这种系统 不能测量双支接触线不等高时的高度差，即测量参数不完备。 图1 3 在受电弓上安装传感器的接触式测量系统 ( 2 ) 采用测杆、线坠的便携式接触测量系统：测杆、线坠等接触式测量系 统，是人工控制的机械式操作。在测量过程中，需将测杆挂在接触线上，当测 杆绝缘强度下降时，接触线的高电压对测量人员容易带来意外伤害；且线坠容 易受到风的影响，风力较大时，线坠不能保持在铅垂状态，影响测量精度。绵 阳铁人电气设备有限公司生产的绝缘测杆如图1 4 所示。 图1 4 绝缘测杆 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 3 ) 采用摄像机成像技术的非接触式测量系统1 5 1 ：用摄像机对接触线摄像， 经图像处理后计算出各种参数。如图l - 5 所示。不足之处在于：安装在专用车 辆上使用，需专用的照明设备，受外界气象条件的影响( 如逆光) 大，导致测 量结果可能达不到要求的精度。 。 图1 5 采用摄像机成像技术的非接触式测量系统 ( 4 ) 采用激光测距技术的便携式非接触测量系统：激光测距仪发出一束激 光，人工瞄准被测接触线的下表面，测得接触线在空间的参数位置。其不足之 处在于：一维测距，人工瞄准操作。山东省科学院激光研究所研制的d j j 7 多 功能激光接触网检测仪如图1 6 所示。 图1 6d j j - 7 多功能激光接触网检测仪 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 本论文的主要研究内容 本文综合研究了国内外同行在接触网几何参数检测中所做的工作，提出了 采用激光扫描系统实现对接触网几何参数测量的方案，并在此基础上完成了检 测系统的设计。 本文的主要内容分为五部分：第一章绪论，主要阐述课题的提出背景、研 究意义、国内外的研究动态等内容，指出了国内已有的接触网几何参数检测系 统存在的问题，并提出了新的解决方案：第二章主要讨论基于激光扫描系统的 测量方法，内容包括激光扫描系统概述，激光测距原理，角度测量原理，并阐 述了系统的测量原理；第三章对整个系统进行硬件方案设计，包括硬件结构的 划分，各部分的具体实现方法；第四章对系统的软件进行设计，包括线路原始 数据库设计，软件模块的划分，各软件模块的实现方法以及主机程序界面设计； 最后是结论部分，通过调试运行，证明了系统设计的合理性和可行性，并总结 了全文的主要思想，指明了今后继续努力的方向，为将来的研究提供参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章基于激光扫描系统的测量方法 激光扫描系统是工业非接触性测量手段的种。其优点主要表现在它的高 响应速度、可同时提供影像、较宽的适应性以及用户赏识的直观性上。而那些 具有跟踪测量性能的仪器，还适应于动态目标的测量。激光扫描系统既是现代 工业发展的产物，也是现代工业发展所必须依赖的技术。 2 1 激光扫描系统概述 激光是2 0 世纪最重要的发明之一，1 9 6 0 年7 月，美国休斯公司实验室从事 红宝石材料研究的年轻科学家梅曼，发明了世界上第一台红宝石激光器。它用 o 闪光灯激励红宝石，发出波长为6 9 4 3 一的脉冲式连续光。1 9 6 0 年1 2 月，嘉玎 ( j a v a ) 、海利特( h e 耐o t ) 、贝纳特( b e n n e t t ) 等人利用高频放电激励氦氖( h e n e ) 气体，可以输出波长1 1 5 一m 寿右几种谱线的连续光。此后，又丌发出从远红外 到x 射线范围的各种激光，并广泛刚于光通信、计量、记录、加工、医疗及能 源丌发等领域。 激光科学技术是六十年代开始发展起来的最活跃的科学技术领域之一。它 的出现，标志羞人们掌握和利用光波进入一个新阶段。激光技术出现以后，很 快被应用到各类测量( 大地i 贝量、地形测量、工程测量、航空摄影羽4 量以及月球 距离的测量等) 巾，使测量方法不断革新，测量精度显著提高，引起了测量领域 的深亥变化。激光测距是其中应用最早且最为成熟的一种。 激光光束的介质有四种类型，对应有液体介质色素( p i g m e n t ) 激光器、气 体介质( 如氦氖、氩、二氧化碳) 激光器、固体介质钇铝石榴石( g a m e t ) 激 光器和半导体( 砷化镓) 激光器。这些激光器的波长范围有明显区别。其中半 导体激光器的激射波长为o 3 3 3 4 朋。它的输出功率相当于气体激光器的辐射 功率，其效率高，工作物质的激发方式简便，可以实现直接调制，并且调制频 率很高，结构简单、轻巧。 由于半导体激光器对研制便于携带的野外精密激光或红外测距仪提供了十 分理想的发光器件，价格便宜，体积小。加之近来新材料和新工艺的出现i 连 续发射的双异质结砷化镓激光器等新型激光器件被制造，以及采用脉冲一相位 测距法，超商频测距等测距法，都使测距精度和测程大为提高，半导体激光器 测距法，超商频测距等测距法，都使测距精度和测程大为提高，半导体激光器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的缺点逐渐被克服，所以它成为轻便的中、短程精密测距仪的很有前途的激光 器件。 激光测距装置和扫描角自动记录装置集成的仪器统称为激光扫描系统i j 。 激光扫描系统可按其测量空间的维数分类，即有一维、二维和三维之分。 一维仪器，仅用于高频地测量距离( 如瑞士徕卡公司的d i s t o 型手持激光测距 仪和日本s o k k i a 公司的m i n im m 3 0 型手持激光测距仪) 。二维仪器，用于测 定一个扫描平面与被测物体交线上各点的二维坐标。这类仪器大多由激光测距 装置和一个扫描角自动记录装置集成，如奥地利i u e g l 公司生产的l m s 系列 仪器。三维仪器，用于现场直接获取被测物体的三维几何模型。这类仪器大多 由激光测距装置和两个扫描角自动记录装置集成，如瑞士徕卡公司生产的 s m a r t 3 1 0 型激光跟踪系统以及美国a p i 公司( a u t o m a t e d p r e c i s i o n i n c ) 生产 的a p it r a c k e ri i 型激光跟踪仪。二维仪器设置有一个旋转平面镜，又称具有一 个旋转自由度的激光扫描系统；三维仪器设置有两个旋转平面镜，又称有两个 旋转自由度的激光扫描系统。为了避免扫描死角，直接获取任意方位目标的断 面数据，可以设计制作具有三个旋转自由度的激光扫描系统。 激光扫描系统可以按其能否同时获取目标影像分类。能获取目标影像的激 光扫描系统，或者直接记录扫描点的灰度( 如加拿大o p t e c h 公司的i l 心s 一3 d 型激光雷达成像系统) ，或者通过固态摄像设备摄取目标影像( 如奥地利r j e g l 公司的添补有数码相机的l m s 型仪器) 。部分自称为激光扫描系统的仪器实属 结构光工业测量系统( 如日本m i n o l l a 公司的v i v i d 9 1 0 型三维激光扫描仪) 。 激光扫描系统也可以按精度分，即有厘米级( 如奥地利r j e g l 公司的l m s 系列) 、毫米级( 如c y r a ) 【2 5 0 0 型) 、微米级( 如s m a r t3 1 0 和a p it r a c k e ri i 型) ，甚至亚微米级( 如日本基恩士公司生产的l c 系列激光位移测量仪) 之分， 但它们一般仅提供距离的数千分之一的相对测量精度。 工业用激光扫描系统如按作业距离分类，最大数十米，最小只有数十毫米。 不同精度与不同作业距离的各种激光扫描系统可适用于不同工业目标的测量要 求。应该注意：这些工业目标在尺寸大小、精度要求、所处环境、测量成果的 品种与要求，以及目标本身是否处于运动状态等方面有很大区别。 激光扫描系统可以应用于以下的工业领域 1 6 】： ( 1 ) 机器人( 含机器手) 的设计、校准、监测、自动跟踪与控制程序的编 制。 ( 2 ) 航空与航天飞机制造业、多用途多品类汽车制造业以及造船业中，大 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 型工业部件的静态与动态的量测、准直、定位、质量控制与放样。 ( 3 ) 复杂工业产品表面的数字化，这些产品包括抛物面天线、轿车外壳、 水轮机叶片、螺旋桨叶片等。 ( 4 ) 卫星、天线及其他复杂工业结构内，各部件的准直、安装、调整、监 测与定位。 ( 5 ) 标准量具( m a s t e r g a 唱e s ) 、钻模( j i g ) 以及其他用于质量控制的标准 工具件的定期检查。 ( 6 ) 各类大型计算机数字控制系统c n c ( c o m p u t e rn u r n e r i c a lc o n 廿0 1 ) 以 及机械型坐标量测系统的检查校正。 ( 7 ) 风洞室内各类探测器或试验目标的监测。 ( 8 ) 核工业各类系统的量测。 ( 9 ) 中近距离工业目标的动态变形监测，这类目标包括大坝、桥梁等。 ( 1 0 ) 各类加工机械转轴摆动值的动态监测。 ( 1 1 ) 电子工业产品( 如芯片) 、光学工业产品( 如隐形眼镜片的厚度) 和 食品工业产品( 如易拉罐拉柄边缘深度) 外形尺寸质量的在线检测。 ( 1 2 ) 油罐液面高度、搅拌机内粉末高度、玻璃板平度以及伺服马达内精密 元件安装高度的实时监测。 ( 1 3 ) 精密加工机械有关部件问几何关系的动态检测，如轧轮间隙测定、滚 轮摇摆值的测定以及自动化生产中元件安置位置不当的测定等。 2 2 激光测距原理 激光测距仪在国外经历了4 0 多年的发展历程，已由第一代的红宝石激光测 距仪、第二代的n d ：y a g ( 掺钕钇铝石榴石) 激光测距仪向第三代的人眼安全固体 激光测距仪和c d 激光测距仪过渡，人眼安全固体激光测距仪和c 0 激光测距 仪品种和型号己近百种。进入9 0 年代后，随着半导体激光器在输出功率上的大 幅度提高，国外开展了第四代全固化激光测距仪的研制。 激光测距仪利用光电技术对距离进行非接触测量，具有测量速度快、精度 高、抗干扰能力强、测量点小等特点。目前，激光测距仪中广泛采用砷化嫁( g a a s ) 发光二极管作光源( 红外光) 。利用激光进行距离测量的技术，通常有激光相位测 距和激光脉冲测距两种方法。相位法和脉冲法测距的共同点是通过测定激光在 被测距离上往返所需的时间t ，然后计算其距离。不同之处在于：脉冲测距采用 直接测定时间间隔t ，求得所测距离；而相位法测距采用间接测定时间间隔t ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 即测定调制光信号或电信号经过所测距离而产生的相位移来间接推算信号传播 的时间t ，从而求出所测距离 5 5 】。 2 2 1 激光相位测距原理 ， 激光相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的 1 7 1 8 ，嘲，设调制解调频 率为，调制波形如图2 一l 所示。波长a = c ，c 为光速。光波从a 点传播到 b 点的相位移毋可表示为： = 2 黼+ 矿= 2 石( 肌+ m ) 卅= 0 ，l ，2 ， ( 2 - 1 ) a 图2 - l 相位测距原理图 式中，m = 么。若光从a 点传到b 点所用时间为t ，则a ，b 两点之间 的距离为： = c r = 万， = ( m + 卅) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 为激光相位测距公式。只要测出光波相位移庐中的周期2 丌的整数m 和余数m ，便可由式( 2 - 2 ) 求出被测距离l ，所以，调制光波的波长五是相位测 距的把“光尺”。 实际上，用一台测距仪直接测量a 和b 两点光波传播的相位移是不可能的。 因此，采用在b 点设置一个反射器( 即测量靶标) ，使从测距仪发出的光波经靶 标反射回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。 图2 2 为光波传播2 l 距离后相位变化示意图。为分析方便，假设测距仪的接收 系统置于爿点( 实际上测距仪的发射和接收系统都是在a 点) ，并且有爿b = 删， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 州= 2 三由图2 2 可得： 2 三= a ( ，”+ 聊) ( 2 3 ) 工= 兰( 册+ m ) = t ( m + 埘) ( 2 4 ) 式中，t 为半波长度，厶= 必。这时，t 作为量度距离的光尺。 i _一工 一 - 矗工 烈烈。f 蚶y ：h 一 _l- 图2 - 2 光波经距离2 l 后的相位变化 相位测量技术只能测量出不足2 万的相位尾数西，即只能确定余数 小= 丌) ，而不能确定相位的整周期数m 。因此，当被测距离l 大于厶时， 用一把光尺是无法测定距离的。当距离l 小于三。( 五2 ) 时，即m = o 时，可确 定距离： 上：兰型( 2 5 ) 22 丌 如果被测距离较长，可降低调制频率，使得 三，即可确定距离l 。但由 于测相系统存在测相误差，增大厶会使测距误差增大。 为能实现长距离高精度测量，可同时使用上。不同的几把光尺。最短的尺用 于保证必要的测距精度，最长的尺用于保证测距仪的量程。目前，采用的测距 技术主要有直接测尺频率和间接测尺频率两种。 1 直接测尺频率 由测尺量度t 可得光尺的调制频率z = ，这种方法所选的测尺频率z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 直接和测尺的长度厶相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方式 称为直接测尺频率方式。 2 间接测尺频率 在实际测量中，由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若分别 用两个频率工。和工：调制的光测量同一距离l ，可得 上= k ( m + m i ) ( 2 6 ) 上= 厶2 ( m 2 + 聊2 ) ( 2 - 7 ) 将式( 2 6 ) 两边乘以z ：，式( 2 7 ) 两边乘以f 。后作相减运算，可得 工2 z 专 ( m - 一研2 ) + ( 7 m 一埘：) 】= ( 川+ 埘) 2 - 8 ( 2 8 ) 式中， 工；生1 生：三 ! ：三三 ( 2 _ 9 ) 厶，+ t ：2z l 一工：2z 7 z = 工1 一正2 ，m = 一，坞，m = 一，”2 = 石，= 氟一改。 厶是一个新的测试尺度，f 是与丘对应的新的测尺频率。这样，用，：，和工： 分别测量某一距离时，所得的相位尾数办和以之差，与用z 。和厶的差频频 率z = 六。一厶测量该距离时的相位尾数庐相等，这是间接测尺频率法测距的 基本原理。 2 2 _ 2 激光脉冲测距原理 激光脉冲测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬 时功率很大( 一般可达兆瓦级) 的特点，在有靶标的情况下，脉冲激光测量可 达极远的测程。在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用 靶标，只利用被测目标对脉冲激光的漫反射取得反射信号，也可以进行测距 1 7 1 1 8 ，l9 1 。 激光脉冲测距原理如图2 3 所示。由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉 冲激光，称之为主波。经过待测距离l 后射向被测目标，被反射回来的脉冲激 光称之为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收，根据主波信号和回波信 号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标直接的往返时间t ，就可以 算出待测目标的距离： 上= o ( 2 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 测距仪的分辨力只取决于计数脉冲的频率，根据式( 2 1 1 ) 可知 ：三 ( 2 1 2 ) 。2 西 2 若要求测距仪的分辨力只= lm ，则要求计数脉冲的频率为1 5 0 m h z 。由于 计数脉冲的频率不能无限制提高，脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为数米 的量级。脉冲测距的误差可由式( 2 - 1 1 ) 得出： d 三= 吾皖+ 三4 ( 2 一1 3 ) 光速c 的精度覆取决于大气折射率n 的测定，由n 值测量误差而带来的误 差为1o _ 6 。所以，对短距离激光脉冲测距仪( 几到几十公里) 来说。测距精度 主要取决于时间t 的测量精度4 。影响4 的因素很多，如激光的脉宽、反射器 和接收系统对脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号的响应延迟等。 2 3 角度测量原理 由于激光扫描系统由激光测距装置和扫描角自动记录装置集成，因此扫描 角自动记录装置中的角度测量是非常关键的问题。通常角度的测量是通过角度 位移传感器即光电轴角编码器实现的j 。 光电轴角编码器是一种高精度的模数转换器件，它将轴角位置转换成对应 的数字代码。不易受外界噪音特别是磁场的影响，分辨率高，且结构简单、体 积小、重量轻、起动转矩小。应用圆光栅作检测元件时，通过光电转换，将主 轴角位移转换成相应的脉冲数字量，即由主轴带动编码器旋转，发出矩形脉冲， 于是可检测角位移或通过微机控制转换成直线位移量。 光电编码器可分为增量式和绝对式两大类。所谓增量式，它的起点零位是 可以任意选择的，即可调整零位；绝对式则有固定的零位，零点是不能调的， 某一个位置的特征图案表示了某一个角度，因而称为绝对式。自从在光栅技术 中应用零位光栅以来，增量式的光栅系统具有了某些绝对式的特性，但其主要 特性还体现着增量式的特点。 典型光电编码器的结构原理如图2 _ 4 所示。编码器的光源由三只红外发光 二极管组成，接收元件是三只光电三极管，两者一一对应，发光管发出的红外 线经主光栅和指示光栅照射到光电三极管上，当主光栅旋转时，形成光闸莫尔 条纹。三极管接收到明暗交替的光信号，放大整形后，输出矩形脉冲。计数器 根据输出脉冲的数目或频率，便可以测出轴的转角或转速。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 态提供分析资料。 3 接触线高度变化率 两定位点之间的高度差与两定位点之间的水平距离之比即为接触线高度变 化率，也称接触线坡度。接触线坡度太大容易引超弓网脱离或弓网异常磨损， 对弓网间受流质量也有很大的影响。 4 双支接触线的高度差 一个锚段与另一个锚段相衔接的接触网悬挂结构叫锚段关节。在该处两个 锚段的接触导线有一段是平行的，且有一段( 或有一点) 等高。要求当机车运 行时，能使受电弓从一个锚段平滑的过渡到另一个锚段。双支接触线的高度差 即锚段关节处两支接触线的高度差。 5 双支接触线的水平距离 锚段关节处两支接触线的水平距离。 6 线岔处始触点位置 电气化铁道的站场中，在两股道相交处形成道岔，两股道的接触网在道岔 上方交叉就形成了线岔。线岔的作用是保证受电弓安全平滑地从一条接触导线 过渡到另一条接触导线，达到转换线路地目的。 受电弓是具有一定宽度的条状设备，当通过线岔时，在运行到两导线交叉 点处前，就已经接触到另一根导线了，该接触点就叫“始触点”。如果在始触点 处两导线的高度差过大，就会因为受电弓的抬升力作用而 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 生变化，因此在给出检测结果的同时，也给出检测过程中的环境温度，检测结 果才更有意义。 9 补偿 检测车在运行过程中，由于自身机械结构、轨道、风力的因素，会产生各 种形式的振动，这种振动使车体产生相对于线路中心线的水平位移及相对于轨 面的垂直位移。为了准确地测量接触线的拉出值和导线高度值，需要对因车体 振动而产生的测量误差进行修正，这称为补偿。 2 4 2 测量原理 激光扫描系统为本系统的现场测量设备。它采用激光连续波相位测距原理 和光学转动技术，将激光相位测距装置与光学转动装置集成为激光扫描系统( 发 射一接收一体化) ，利用扫描方式进行测量，输出数字信号，测量结果通过以太 网传送给l m s 信号处理机。连续波相位测距是用无线电波段的频率，对激光束 进行幅度调制并测定调制光往返测点一次所产生的相位延迟，再根据调制光的 波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返测点所需 的时间。 工作原理如图2 5 所示，利用光学转动技术使棱镜均匀旋转，进而使发射 出的脉冲激光完成一个截面的扫描，角位移传感器测量出棱镜旋转的角度盯， 激光测距仪测量出接触线到激光器发射点的距离h ，由坐标知识知： 五= 日s i n 口( 2 1 4 ) 昂= 口c o s 搿( 2 一1 5 ) 图2 ，5 激光扫描系统_ t 作原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 调理模块，对速度信号、补偿信号、温度信号进行调理、隔离，数据经过数据 采集卡p c l 8 1 8 h d 输入至主机。弓网视频图像通过视频线路传输至主机叠加检 测位置和结果信息后，用录像机保存，再传送至视频信号处理机( 从机) 编码 压缩保存在硬盘上，同时传送至前后司机室和观察窗的监视器上。 因此，在这个硬件结构方案中，整个系统可以分为四个部分来设计： ( 1 ) 激光扫描单元； ( 2 ) l m s 信号处理机： ( 3 ) 前置机； ( 4 ) 视频信号处理单元。 3 2 激光扫描单元 激光扫描单元选用德国某公司生产的l m s3 1 0 激光量测扫描仪，如图3 2 所示。它具有无反射镜条件下的二维激光扫描功能，不需要外界光源，有一个 旋转自由度，用以快速获取扫描平面与被测物体交线的二维坐标。该激光扫描 仪是工业测量设备，用于中近距离作业，提供中高精度。 图3 - 2l m s3 1 0 激光扫描仪 3 2 1l m s3 1 0 概述 l m s3 1 0 采用连续波相位法测距原理，连续波相位式激光测距是用连续调 制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相付变化，可换算出被 测目标的距离。 l m s3 l o 除了由激光发射器、接收器、门控电路、时钟脉冲振荡器及计数 显示电路组成外，它还有一独特的旋转反射镜，从激光器中发射出的激光束被 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 表3 1 不同材料的反射性 材料反射性 表面粗糙的黑色纸板1 0 灰色纸板 2 0 不洁净的松_ 术4 0 灰色聚氯乙烯5 0 表面粗糙的白纸8 0 黑色铝( 1 1 0 1 5 0 ) 无锈斑且亮泽的钢 ( 1 l o 1 5 0 ) 特亮泽的钢( 1 i o 1 5 0 ) 4 l m s3 l o 有物体量测( 含测定位置) 应用功能和监测应用的功能。两种 功能的操作方法不同。 应用于物体量测时，相应于物体“等高线”的量测数据以二进制的格式通 过e t h e r n e t 或r s 2 3 2 4 2 2 输出。而且可以进行以下的数据处理：对视场为 7 0 。的扇面内的点位求值；对各量测值取均值以提高精度和光顺效果；按直线和 曲线的近似值进行内插；确定物体的位置与体积：借其他位移传感器( 长度传 感器或速度传感器) 提供第三维坐标，等等。 与u s3 1 0 的角度分辨率有关，每隔0 1 0 ( 0 5 0 ，l 。) 提供激光脉冲的相 应数值。 应用于监测时，监视区内有物体或机器的侵入会发生警铃。 5 l m s3 1 0 可以方便的安装到某种“平台”上，但应防止灰尘。这种平台 可以是某种可记录速度或记录长度的导轨，甚至可以是可记录第二旋转角( 附 有角度编码器) 的平台。 6 双激光扫描仪的同步作业时，一台作为主动机( m a s t e r ) ，另一台作为从 动机( s l a v e ) 并借助用户软件操作。在此同步操作模式作业中，双扫描仪的旋转 数( 包括平面镜旋转轮和激光发射位置) 精密匹配并精密同步，相位差1 8 0 。 其操作软件版本为0 2 0 2 或以上，硬件系列的级别为9 9 1 9 或以上。双激光扫描 仪的同步作业可加速扫描仪作业过程，也可用于某些特定的运动物体。双激光 扫描仪同步作业的操作过程简单方便，从动机上红、黄、绿三种发光二极管的 不同显示，可告知扫描状态。 7 环境温度低于o 时，应使用加热系统【1 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 3 2 3l m s3 1 0 的技术参数 厂方列出的一些重要技术参数，现列于表3 2 中。 表3 2l m s31 0 激光扫描仪主要技术参数 技术参数数值 扫描角度 最大7 0 。 可选角度分辨率 1 0 1 。 响应时间5 2 m s 分辨率 1 m m 系统误差6 n m l 统计误差4 m m 激光保护级别 2 级 扫描频率 2 0 0 h z 5 0 0h z 激光波长 可见光( 五= 6 5 0 r l r n ) 机械防护等级 i p 6 5 作业距离 o 7 m 3 m 接口 e t l e m e t ，r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 e t h e m e t ：1 0m _ b a u d 波特率 r s - 2 3 2 “2 2 ：9 6 0 0b a u d 1 1 5k b a n d 电源，电压 直流，2 4 v ( 1 5 ) 功率最大2 5 w 工作环境温度 o + 4 0 储存温度 一2 0 + 7 0 重量 2 3 k g 体积( 长宽高) 1 3 0 1 7 9 x 1 0 7 m m 3 2 4l m s3 1 0 的安装 上述的二维激光扫描仪安装在一个带滑动盖的金属箱体内；箱体内盖为高 平整度的玻璃；玻璃上方安有除尘器；箱体一侧开有出风口，相对的另一侧安 装有风扇：箱体内还有加热器。如图3 4 、3 5 、3 。6 所示。 使用时，高平整度玻璃能保证箱体内部的仪器不受外界气候的影响，同时 它对二维激光扫描仪发出的激光束几乎无衰减，也不影响被测物体反射回的激 光束穿过。除尘器防止灰尘影响测量精度。箱体内部的风扇和加热器用于调节 金属箱内的温度和湿度，避免高热或低温结冰天气影响激光扫描仪工作。 当箱体内的湿度超过一定值时，温度调节器自动启动加热器加热除湿，避 免二维激光扫描仪及高平整度玻璃内表面结露。温度调节器在达到设定的低温 值可自动启动加热器工作，使箱内的温度保持适宜的范围内。当然，在箱体内 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 3 3 l m s 信号处理机 由于接触网几何参数检测点分散，测量强度大，耗时长，测量参数读数的 时间差会影响测量精度，因此，采用w i n c o n 一8 0 0 0 做l m s 的信号处理机，达到 降低测量强度，提高测量精度的目的。 3 3 1 泓格w i n c o n _ 8 0 0 0 概述 、i n c o n 8 0 0 0 是泓格( i c pd a s ) 公司制造的具有i t l t e ls t r o n ga r mc p u 芯片，运行w i n d o w sc e n e t 操作系统的嵌入式平台。与标准的w i n d o wo s 相比，晰n d o w sc e n e t 具有许多优点，包括硬实时能力、很小的内核、引导 速度快、深层次中断处理、确定的控制性以及低成本等。运行w i n d o w sc e n e t 的w i n c o n 一8 0 0 0 具有运行许多p c - b a s e d 控制软件的能力，如v i s u a lb a s i cn e t ， s l l a lc 撑，e m b e d d e dv i s l l a lc _ 卜+ ，s c a d a 软件，s o f t x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 功率：2 0 w 工作温度：2 5 + 7 5 存储温度：3 0 + 8 5 相对湿度：5 9 0 3 优点 ( 1 ) 和传统模式相比，省去i p c 的成本。另外，w i n c o n 。8 0 0 0 提供v g a 接 口，u s b 接口，只需要接一块触摸屏就可以实现现场的人机功能。 ( 2 ) w i n c o n 一8 0 0 0 无风扇，无硬盘，采用c o m p a c tf 1 a s h 作为存储介质，最 大可扩充l g 空间来存储现场资料，另外与操作系统分离的独特的设计，即使控 制器的操作系统崩溃，资料也不会丢失。在此应用中客户在现场直接用p d a 就 可以把保存的资料取走。 ( 3 ) 控制器本身带有一个以太网口，一个全m o d e m 信号的r s 2 3 2 和一个 r s 4 8 5 接口。用户可选择多种接入网络方式。 ( 4 ) 扩充灵活，适应性强。w i n c o n - 8 0 0 0 系列产品提供3 或7 个插槽供用 户使用不同的i 0 模块。包括： 模拟量i 0 模块、开关量模块、计数器模块、运动控制模块、多串口模 块和特殊功能模块6 种。 可以直接采集雨量、气压、日辐射和湿度等气象信息。 ( 5 ) w i r 疋o n - 8 0 0 0 采用全工业设计，导轨安装方式及接线端子1 0 3 0 v d c 供电方式，方便工业现场安装使用，并保证w i n c o n 8 0 0 0 安全稳定工作。另外 其2 5 + 7 5 的宽温标准，能够满足不同温度环境的需求。 ( 6 ) 内建w i n d o w sc e n e t 操作系统且支持数据库操作。支持w 曲s e r v e r 功能，提供s d k 开发包，便于用户使用v b n e t ，c 撑，s u a lc + + 等工具来开 发自己的应用程序。 3 | 3 2w i n c o n - 8 0 0 0 控制系统架构 w i n c o n 一8 0 0 0 控制系统主要由下列几个部分所组成f 2 5 1 ： 1 主控制层： w i n c o n - 8 0 0 0 采用3 2 - b i tr i s cc p u ，存放操作系统映像的3 2 m b 闪存， 6 4 m b 的内存和用来存放应用软件的1 2 8 m bc o m p a c tf l a s h 记忆卡，在外设的支 持方面则提供了与p c 相同的键盘鼠标接口、以太网接口、u s b 接口和标准v c 执 接口。至于操作系统部份则采用微软公司具硬实时( h a r dr c a l t i m e ) 性的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 、i n d o w sc en e t4 2 ，除了视窗操作画面外，它也配置了嵌入式浏览器，w 曲 和f t p 服务器，解决了w 曲- b a s e dc o m r o l 的难题。 2 网络通信层： w i n c o n 一8 0 0 0 控制器上层采用以太网( e t h e m e t ) 总线，通过标准的t c m p 协 议，可以连接上i n t r a n e t i n t e m e t ，而通过标准的m o d b u 哥吓c p 协议，则可以与 s c a d a 软件沟通。至于下层的网络，除了r s 一2 3 2 4 8 5 外，可以依据用户的需 求选用c a n ( c o n t r o l a r e a n e m o r k ) 总线及泓格公司的f 砌沁t 总线，通过 m o d b u s ，r 烈i ，c a n o p e n ，d e v i c e n e t 等协议，可以与泓格的远程模块i 一7 0 0 0 ， 紧凑式控制器i 一8 0 0 0 以及其它c a ni o 做连接，至于f r n e t 总线则是沿用了 p l c 架构的优点，采用t 0 k e n m n g 的方式，无须软件协议，在固定的时间内可 以扫描所有的i o 点，再通过d u a l p o r tr a m 的方式与主控制层做沟通。 3 i ，o 层： w i l l c o n 8 0 0 0 采用与原有i 8 0 0 0 相同的i 0 模块，提供了模拟量输出，入， 数字量输出入，继电器输出，热电阻( r t d ) 热电偶( t h e 咖a 1c o u p l e ) 输入，应变 量( s 拄a i n g a u g e ) 输入，计数器，定时器以及r s 2 3 2 多串口等模块，在扩充性上， 可以通过8 7 k 但s 4 8 5 ) 与8 7 e ( e t h e m e t ) i o 扩展单元来连接8 7 k 模块。 4 操作接口层： 为让用户有不同的选择，、聃n c o n - 8 0 0 0 将嵌入式h m i 软件整合到控制器上， 通过标准的v g a 接口，可以连接普通的显示器，不需要再通过r s 2 3 2 外接传 统的h m i ，大大的节省了系统成本。如要与上位机的组态软件做数据交换，则 可以通过0 p c 的标准来达成。 5 信息系统层： 如何将工厂的生产流程与企业资源管理( e r p ) 整合在一起，一直是一个非常 重要的课题，w i n c o n - 8 0 0 0 内置了微软公司的s o ls e r v e rc e2 o ，大大的提升 在本机中处理数据库的能力。至于在如何同时解决远距与实时性这的问题上， w i n c o n - 8 0 0 0 。通过选择与全球实时大量信息领导厂商艾扬科技进行策略联盟， 藉由授权取得了艾扬远距实时信息平台i p u s hs e n ，e r e m b e d d e d e d i t i o n ( 简称 i p u s he m b e d d e d ) ，将实时信息主动交换的能力整合进w i n c o n - 8 0 0 0 ，使其具有 新时代工业控制器必备的网络实时信息基础架构。 通过i p u s h e m b e d d e d ，w i n c 0 n - 8 0 0 0 拥有主动传送( a c t i v e p u s h ) 数据的能力。 无论是在局域网络( l a n ) ，还是远程网络( i m e r n e t ，v p n ，w i 代l e s s l a n g p r s a d s l ) 的环境下，只要是通过t c p i p 通讯协议，w i n c o n 一8 0 0 0 就可以源源不 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 断地把得到的数据包括监测数据( d 砒a ) 、报警( a l 姗) 与设备状态( s t a t u s ) ， 实时主动发送到远程的监控软件，或是送至监控中心，从而达到分散采集、中 央实时监控的目的。这对于一些远距监控的应用一如远程无人机房来说，可说 是一大突破，亦是工业控制产业的必由之路。 另外，藉由w i n c o n - 8 0 0 0 上的i p u 曲e m b e d d e d ，可以与艾扬科技所提供的 中心端i c ei p u s hc o m m u n i c a t i o ns e 兀，e r 串联，让使用者可以非常轻易地进一步 架构出一个满足远距实时，多点的监控解决方案，打造完美的工业控制信息供应 链。 3 3 3 、i n c o n - 8 0 0 0 的编程方式 w i n c o n 8 0 0 0 的编程方式有下列几种： 可以在p c 上选用微软公司的v i s u a is t u d j o n e t ，它包含了v j s u a lb a s i c n e t 和v i s u a lc 撑n e t 两种开发工具，编译过的m a n a g e dc o d e 通过与