接触网几何参数非接触检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文接触网几何参数的非接触检测系统研究姓名：黄艺丹申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：吴积钦20060601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㈨c 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 Ⅱ) 、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Ⅱ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。