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激光测距技术在车辆直线电机气隙丈量中的应用
作者:admin 发布时间:2015/11/20 15:30:19 浏览次数:2710
目前，新型的城市轨道交通车辆采用了直线电机(LIM)牵引方式，直线电机有别于传统的旋转电机，它将电机的定子和转子分开布置，即定子位于列车侧，转子(又称感应板)敷设在轨道中心，在电流和磁场的作用下，定子与转子产生的相互作用力使列车相对于轨道运动，为保证一定的牵引力、减少能耗和列车限界的要求，直线电机的定子和转子的间隔(以下称作气隙)应保持在一定的范围内，因此气隙日常丈量维护是确保列车正常运行的重要环节，由于气隙丈量是一个动态丈量，且受线路长度、线路条件、直线电机电磁场干扰强度等因素影响，实际丈量难度较大，目前国内外同行在该领域的研究仍在不断探索中，下文简单介绍激光测距技术在该领域中的应用。
1原理介绍
20世纪90年代初，随着半导体激光二极管技术的开发，激光的实际应用发生了革命性的变化，半导体激光丈量用具有丈量精度高、体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电路简单且不易受电磁场干扰等优点开始运用于测距领域。激光测距原理分为3种：一是脉冲法激光测距，测距仪发射出的激光经被丈量物体反射后又被测。距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间，光速和往返时间的乘积的一半就是测距仪和被丈量物体之间的间隔，脉冲法丈量间隔的精度一般在±1m，适合于测定间隔较远的物体(如建筑、地质等方面)；二是三角法激光测距(又称结构光扫描仪)，以半导体激光器作光源，使其产生的光束照射被测表面，经表面散射(或反射)后，用面阵CCD摄像机接收，光点在CCD像平面上的位置将反映出表面在法线方向上的变化，即点结构光丈量原理；三是相位法激光测距，它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线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算该相位延迟所代表的间隔。相位式激光测距仪一般应用于精密测距。目前广州地铁四号线直线电机气隙的丈量主要采用三角法激光测距原理。
2丈量实施
车辆直线电机气隙是由车辆侧的定子和轨道侧的感应板构成，实时丈量时若将丈量装置安装在直线电机上则易受磁场干扰和列车运行的影响，丈量出来超标点在线路中的精确定位难度较大，因此实际丈量是采用分开丈量的方法，即在线路中的某个点丈量所经过列车直线电机定子(相对于轨面)高度，另外运用移动丈量设备丈量线路感应板(相对于轨面)高度，两者之差即为直线电机气隙值，该丈量方法基本上能够反应出全线直线电机气隙的水平，在实际生产运用中效果较为理想。以下就具体的丈量方法作一介绍。
1）定子高度丈量
定子高度丈量是将激光丈量器预埋在车辆段出进线的轨道中心(可以将丈量器布置成与感应板等高，见图1)。采用三角法激光测距时，来自探头的激光光束照射在直线电机定子底面，并形成光点，该光的一部分被反射，通过光学镜头到达安装在传感器内部的CCD电荷耦合器的线性阵列(图2)。光点在阵列中的位置根据传感器与被测表面的间隔按比例改变，内部数据处理系统能识别出其位置并直接给出被测间隔。该丈量方法适用于任何具有漫反射表面的材料的丈量，表面反射率的变化由集成电子仪器加以补偿。
系统丈量时采用2套激光测距传感器来实现电机底面沿电机长度方向的2条轮廓曲线的数据采集，从而测出在动态环境下电机定子的高度，该丈量方法亦称在线丈量，它能够真实地反映定子的高度。
三角法激光测距
采用预埋设备的方法，系统相对固定，因此系统规模相对较大，功能也较为齐全，系统主要包括以下部分：中心控制治理系统、探测站(数据采集及前置处理设备)、车号自动识别装置、标定装置及其他辅助设备(图3)。考虑到方便操纵、经济实惠等原则，探测站系统进行集成配置，包括多套激光测距传感器、车轮传感器、主机系统、微波天线、分线箱、电缆及整体钢枕系统等。
整个数据处理方法基于一个数字信号处理器(DSP)，它自动控制激光能量和CCD阵列的曝光时间。同时应用同周期补光RSTC技术可以丈量多种不同的表面，如光亮的金属，玄色的橡胶和粗糙的油漆面等。
该丈量系统的优点是能够在车辆运行时实时在线丈量电机定子的高度，同时具有自动判别列车运行方向、自动测速、自动计轴、计算列车数目，并根据设定的直线电机气隙最小值，实现故障或超限的预警、报警。缺点是系统投资规模和占地空间较大。
2）感应板高度丈量
感应板高度丈量采用高度集成化的移动丈量设备(以下称丈量小车)，丈量小车由激光丈量编码器定距、计算机图形处理等多种技术结合而成，丈量小车走行部能够通过5#道岔和65m小半径曲线以及既有的城市轨道交通任何坡度线路，且满足铁路限界的要求，它具有体积小，重量轻等特点。操纵者通过推动小车，便可实时监控当前里程对应的感应板的高度，大大进步了工作效率并降低了劳动强度。
与定子高度丈量一样，该系统也是采用三角法激光测距，监测仪由2个激光传感器组成，分别丈量感应板的两边，通过位移传感器等间距采样并计算当前的里程，然后经计算机处理分析后在显示屏上显示实时丈量结果，丈量小车采样频率高，可达到16kHz，丈量精度≥0.04min，可进行事件触发(即发现数据超标才开始记录，以节约内存空间)，传感器的采样间隔可调，数据处理可靠，不失真。系统构成图和主体示意图分别如图4和图5所示。
为了适应全天候的天气条件，尤其是避免白天强烈日照对激光头采样的影响，激光驱动电路采用特殊设计使得激光头的激光点强度能够自适应闭环，保证丈量数据不随环境温度、颜色、光亮度(太阳照射或夜晚较暗环境)等变化而变化，但该系统缺点是丈量易受恶劣天气影响，且感应板上有杂物时也会影响丈量精度。
传统丈量法是采用人工方法对感应板高度进行抽样丈量，操纵者将高度丈量尺靠在轨道上，通过调节尺的游标进行丈量，由于现代城市轨道交通线路建设里程越来越长(如广州地铁四号线双向全长达93.12km)，传统的手工丈量方法效率低，一天仅能丈量约0.7km，工作强度高，而且是非连续丈量，易造成漏检的情况。激光丈量小车的使用可以很好地替换手工丈量，不但进步了工作效率，丈量速度可达到3km/h，同时可以减轻操纵者的工作强度和连续进行丈量，为感应板治理职员提供了精确的技术参数，并便于丈量数据的治理。最后将测得定子高度减往转子(感应板)高度即为直线电机气隙值，从实测的数据表明广州地铁四号线直线电机气隙值基本为11-12mm，满足正常使用范围要求。
激光测距技术在广州地铁四号线直线电机车辆气隙丈量领域的运用固然刚刚起步，但是已经取得了明显的效果，它不但改善了丈量效率、丈量精度，降低了检验作业职员的劳动强度，更避免了以往使用丈量尺而造成的漏检情况，为直线电机车辆的安全、可靠运行提供了保障。随着技术的不断发展和功能的不断完善，激光测距技术在轨道交通领域中的应用将更加广泛。
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