【行业应用】基于激光位移测量技术的货车轮对尺寸动态检测系统

2023-12-06
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摘要：阐述了PSD与基于激光三角原理的激光位移检测系统的工作原理，探讨了将PSD和激光位移测量技术运用于货车轮对尺寸动态检测的可行性，在此基础上介绍了轮对尺寸动态检测系统的构成、功能模块、自标定技术及网络接口等内容。
关键词：PSD；激光位移测量；轮对尺寸；动态检测系统
轮对是铁路车辆走行部的重要部件，轮对故障常常导致严重的安全事故，给铁路运输造成重大损失。轮对尺寸超限等故障不仅给铁路运输带来安全隐患，对铁路固定设施及车辆结构本身也会造成极大的损害。现有检测手段仍以人工为主，检测精度低，效率低，检测项目欠缺，因此，迫切需要一种成熟、准确、经济的检测技术来实现对货车轮对尺寸的动态检测，以及时发现和预报列车中尺寸超限的轮对，确保车辆运行安全。
目前，国内外对货车轮对尺寸检测主要采用光截图像法、激光位移测距法、自动视觉测量法等技术手段，其中基于PSD(光电位置敏感探测器)的激光位移测距法具有响应快、线性度强、分辨率高等特点，能够较好地满足铁路货车轮对尺寸动态检测的技术要求。
1   PSD技术及其测量原理
1.1激光三角法
激光三角法是激光视觉检测技术的基础。随着半导体激光器与PSD的出现，激光三角法在位移和物体表面的测量中得以广泛应用。激光三角法测量原理如图1所示。
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图1中，半导体激光器与透镜、PSD的相对位置由设计要求唯一确定，半导体激光器发出一条准直激光束，该光束照射到被测物体表面A点上，物体反射激光束并通过透镜成像于PSD上(入射点)。当物体移动或表面变化时，导致A点沿准直激光束出射方向移动至A'点，通过透镜，物体位置的变化将引起PSD上的入射点产生相应位移。设A点至A'点的位移为L，物体位置变化导致PSD上的入射点产生的位移为X，物体被激光束照射的A'点到透镜前主面的垂直距离为S，激光束和透镜光轴的交点到透镜前主面的距离为U，透镜后主面到成像面中心的距离为V，激光束与透镜光轴之间的夹角为α。从图1可得出：
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由于半导体激光器与透镜、PSD的相对位置是设计时就确定的，即U、V、α是已知参数，因此只要求出测试系统中X的值，就可以求出L及S的值。实际应用中测量系统结构可能略有不同，但测量原理基本相同。采取激光三角法的激光位移传感器最高线性度可达1μm，分辨率可达0.1μm，具有较高的测量精度。
1.2   PSD技术
PSD具有分辨率高、响应速度快、信号处理简单等优点，特别适用于位移、距离、角度以及可以间接转化为光点位置或位移的其他物理量的非接触高精度快速测量及准直测量。PSD一般采用P+IN结构，其表面P+为感光面，当入射光照射到感光面上某一点时，即产生电荷，由于存在平行于结面的横向电场作用，使光生载流子形成向两端电极流动的电流I1、I2，如图2所示。
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由于PSD面电阻是均匀的，因此电流I1、I2流过的电阻与入射光照射点位置有关。设PSD中心点到边缘的距离为M，入射点到PSD中心点的距离为x。从图2可以得出：
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因此，2路电流信号经处理后，就可以唯一地确定PSD上像点的位置。
2   PSD技术在轮对尺寸检测中的运用
2.1 轮对外形几何尺寸
虽然铁路货车轮对型号繁多，但其基本结构都相似，外形如图3所示。
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2.2 货车轮对尺寸的动态检测
通过在钢轨两侧布设激光位移传感器，采用基于PSD的激光位移测量技术，可以实现货车轮对尺寸的动态检测。当列车以一定速度通过传感器时，从轮缘到踏面将有一系列点被激光扫描，形成的原始波形是与安装角度有关的斜剖面图。由于传感器相对于钢轨的安装位置是固定的，而车辆运行速度可以精确测量，因此通过几何运算，将踏面的其他点当成与滚动圆不同直径的同心圆，就可以得到从轮缘顶点到踏面的全面参数，通过计算机技术可以拟合成完整轮对曲线，得到二维的车轮外形图，从而准确计算出车轮轮缘厚度、轮缘高度、轮缘垂直磨耗量、踏面圆周磨耗量和轮辋厚度等参数。
采用在钢轨外侧安装2只固定探测角度的激光位移传感器的方式，分别扫描出轮缘及踏面的端面后，以厚度测量为基础，确定滚动圆，在速度精确测量的条件下，可得到弦长，而两激光束相对于轨面高度可以通过激光位置传感器测量系统测量得到，再通过几何运算即可得到车轮直径。同时，在传感器几何位置固定及轨距确定的条件下，只要测量到左右车轮内侧端面到传感器的距离，就可以计算出轮对内侧距。在该系统中通过33次测量还可以测得120。方向的轮对内侧距差。
将上述测量指标与《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》中的相关参数进行对比，就可以判定车轮尺寸是否在技术标准范围以内，车辆运行是否存在安全隐患。
3 货车轮对尺寸动态检测系统

3.1 系统组成
货车轮对尺寸动态检测系统是设在铁路正线上实现对运动中的车轮尺寸动态测量的装置，可获知车轮关键技术指标。通过分析比较这些参数，可发现尺寸超限的轮对，从而及时预报故障轮对。系统由轨边设备、探测站设备和列检作业场复示站、车辆段工作站、铁路局监测站、铁路总公司监管中心终端设备组成，由铁路计算机网或数据网承载(图4)。
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3.2 室外检测设备
3.2.1 室外设备组成
如图5所示，M1、M2、M3为固定在钢轨上的3个车轮传感器，用于测量车辆运行速度、计轴计辆、控制系统工作时序；L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8为激光位移传感器，用于检测轮对尺寸；K1H、K4H、K5H、K8H、K1、K4、K5、K8为激光位置传感器，用于定位激光位移传感器；RF为车号识别天线，用于识别车辆标签。上述传感器经线缆连接至集线盒，由集线盒将各传感器输出信号传输至室内设备进行处理，并将室内控制信号传输至各传感器的控制电路，使控制传感器有序工作。
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3.2.2 系统自标定技术
在轮对尺寸的采集及计算过程中，由于激光位移传感器安装尺寸参数参与了计算，这就要求各激光位移传感器与钢轨的安装位置以及各激光位移传感器之间的相对位置固定不变或在变化时能及时检测到。各激光位移传感器之间的相对位置在传感器固定后即可得到保证，然而由于传感器安装于轨边，受列车振动、外部环境的影响较大，且处于长期连续运行状态，各激光位移传感器与钢轨的安装位置难以保证固定不变，因此采用激光位置传感器对安装激光位移传感器基础进行标定，以有效解决上述难题。系统共采用了8只激光位置传感器，以传感器安装基础为基准，建立传感器安装结构参数标定检测参考系，主要包括测试平台和高精度移动平台，根据测试设计要求和现场条件，激光位置传感器采用回归反射式，用于系统精密测速和定位轴心位置，同时辅助定位激光位移传感器的信号范围。
3.2.3 速度测量
速度测量精度直接关系到系统的测量精度，由于车辆运动时一直处于加速、减速的运动过程中，这就要求速度测量区域和激光位移探测区域同步，以保证速度测量的实时性。
系统采用两级测速技术，首先由传统的车轮传感器M1、M2进行一次速度测量，以确定车轮进入及离开探测区的时间，车轮通过探测区的实时速度由钢轨内侧激光位置传感器K1、K4和外侧激光位置传感器K5H、K8H经过计算而得，进一步降低了速度测量误差。
3.3 室内主要功能模块
3.3.1 开关量信号处理及控制单元
开关量模块完成车轮传感器的信号处理及系统工作状态指示，由PLC执行系统工作流程的控制(图6)。
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3.3.2 激光信号处理单元
激光位移传感器、激光位置传感器在完成信号的光电转换及前置处理后，传输至前置机激光信号处理单元，完成信号处理及运算。
3.3.3 前置信号处理机
前置信号处理机是传感器信号的处理平台，包括电源模块、开关量模块、激光位移信号处理模块等。采用STD总线模块化设计，因此可以集成其他功能的信号处理模块(如车号识别装置)，形成功能完整的车辆检测系统。
3.3.4 数据采集工控机
工控机是整个系统的核心，可在数据采集分析系统软件支持下完成计轴、计辆、信号采集、故障识别、数据处理及数据库录入等功能，并且具备数据管理功能。
3.4 网络接口
轮对尺寸检测系统具有检测数据自动采集、自动传输、自动判别、自动提示和三级联网、三级复示、信息共享等5T系统所应具有的功能。探测站设备宜通过光缆以专线方式就近接入铁路计算机网或数据网，检测数据以报文形式向铁路局、总公司上传，并向列检作业场复示，报文内容包括超限报警数据和设备状态信息。系统中铁路局5T系统双机服务器与总公司5T系统双机服务器之间的互连采用TCP／IP协议，TWDS检测数据采用文件传输模式，即在每个需要进行数据传输的铁路局、铁路总公司5T双机服务器上，均安装通用JWMQ数据传输中间件产品，专门负责完成数据传输任务。
4 结束语
PSD测量技术具有位置分辨率高、实时性强、后续处理电路简单、轨边设备安装简便的特点。基于PSD的激光位移测量技术的货车轮对尺寸动态检测系统，在具备系统自标定技术的情况下，能达到较高的精度，检测指标全面，很好地满足了铁路运输安全对货车轮对动态检测的要求。目前，激光位移测距法主要运用于我国部分地铁线路，并取得了良好的市场价值和社会效应。
以上内容来自钛学术-期刊，作者：胡波

苏州创视智能技术有限公司专注于超精密测量检测技术领域，主营光谱共焦位移传感器、激光三角位移传感器、白光干涉薄膜测厚传感器等高端智能传感器的研发、生产及销售业务。




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