專利名稱：磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測裝置和方法，特別是一種磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測裝置和方法，用于磁懸浮軌道動態(tài)檢測技術領域。
背景技術：
高速行駛的磁浮列車能夠正常運行是由固定在高架軌道梁兩側的功能件實現磁浮導向和動力牽引。由于功能件是分段制造，在軌道梁上相互頭尾相接連續(xù)安裝，相鄰功能件的幾何偏差超過限值則將對磁浮列車的導向系統(tǒng)造成損害，從而可能造成重大的安全事故。因此有必要定期對功能件的形位誤差進行檢測。但是，迄今為止，可應用于磁懸浮軌道檢測的技術和經驗均較少。目前使用的磁浮軌道測量車運行速度只有1km/h，速度慢，效率低，幾乎不能滿足長距離連續(xù)檢測軌道梁功能件安裝誤差的實際需要。如此低速行駛的主要原因是測量車上沒有設置相匹配的減振裝置及高效的數字濾波信號處理模塊。對于軌道檢測系統(tǒng)，要滿足高速、高精度的要求，關鍵在于兩點，其一是傳感器的解析度，其二是消除車輛振動對精度的影響。
經對現有技術文獻的檢索發(fā)現，中國專利號為02113465，名稱為“軌道狀態(tài)檢測裝置”，敘述了一套采用紅外線光源和線陣CCD接收裝置的軌道不平順測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)為軌道狀況自動檢測而設計，但是該專利采用的紅外線光源受到環(huán)境光照的影響大，直接影響測量精度。而且測量得到機車的加速度信息，該數據必然包含機車本身的振動模態(tài)，車速越大，振動越強，這樣使得測量結果不能直接反映軌道的幾何不平順。因此這種技術在精度和速度上都不能滿足磁浮軌道的測量要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢濺裝置和方法。針對車載式的磁懸浮軌道檢測的快速和高精度要求，本發(fā)明采用CCD激光位移傳感器設計檢測裝置，應用差分數字濾波方法消除車輛振動，克服了現有車載軌檢測量系統(tǒng)在精度、振動消除技術方面的不足。本發(fā)明使得車速可以遠大于1km/h，而保證系統(tǒng)精度達到0.1毫米甚至0.01毫米，達到磁浮軌道快速自動檢測的要求。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現的本發(fā)明提供一種磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測裝置，包括前遠隙位移傳感器、前近隙位移傳感器、后近隙位移傳感器、后遠隙位移傳感器、觸發(fā)傳感器、扭轉位移傳感器、測量架、高速數據采集卡、寬頻數字濾波處理器、形位誤差計算處理器、高速存儲器、前固定螺栓、后固定螺栓。前遠隙位移傳感器、前近隙位移傳感器、后近隙位移傳感器、后遠隙位移傳感器、觸發(fā)傳感器和扭轉位移傳感器均固定安裝在測量架上，通過傳感器輸出信號線與高速數據采集卡相連。測量架通過前固定螺栓和后固定螺栓固定在車輛的車架上。觸發(fā)傳感器完成測量采集的同步以及確定軌道功能件的定位。高速數據采集卡輸出端接到寬頻數字濾波處理器輸入端，寬頻數字濾波處理器輸出端接到形位誤差計算處理器的輸入端，形位誤差計算處理器輸出端接到高速存儲器。
隨著車輛行駛，測量架沿著軌道移動。當觸發(fā)傳感器經過軌道功能件之間的縫隙時，其輸出端由低電平跳轉至高電平。高速數據采集卡接收到這個高電平信號，記錄下這個時刻，并立即打開前遠隙位移傳感器、前近隙位移傳感器、后近隙位移傳感器、后遠隙位移傳感器、扭轉位移傳感器的工作開關，開始測量，測量數據輸出至高速數據采集卡。高速數據采集卡將數據存儲在高速存儲器存中，并通知寬頻數字濾波處理器，然后形位誤差計算器接收到相鄰位移差值，將計算的結果存儲在高速存儲器中。測量系統(tǒng)持續(xù)工作的時間預先設定在高速數據采集卡中，由卡中的定時器控制，時間一到，高速數據采集卡則關閉所有位移傳感器工作開關。當觸發(fā)傳感器再次經過縫隙，高速數據采集卡再次觸發(fā)，如此往復，實現整個軌道全程測量。
本發(fā)明提供一種磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測的方法，具體為在車輛行駛中，采用高解析度位移傳感器測量軌道功能件表面(滑行面、導向面、定子面)的高度變化值，高頻數據采集卡采集測量數據傳送給高頻數字濾波處理器，再通過形位誤差計算器得到軌道功能件的偏移量、坡度值和扭轉量，然后對有效數據進行存儲，寬頻數字濾波處理器采用差分數字濾波算法消除車載系統(tǒng)本身的振動，求取相鄰兩個傳感器測量值之差，該差值不受車輛振動的影響，這樣形位誤差處理器就能得到不受振動影響的測量數據，運用基于位移差值的形位誤差算法即可以得到準確的形位誤差值，實現車載式磁浮軌道狀態(tài)的快速自動檢測。
本發(fā)明具有實質性特點和顯著進步，本發(fā)明的裝置隨車輛在軌道上行駛，行駛速度遠大于目前使用的1km/h。為了消除高速行駛帶來的振動模態(tài)對測量精度的影響，寬頻數字濾波處理器采用差分濾波方法，消除了車輛振動的高階模態(tài)，保留零階模態(tài)，為檢測系統(tǒng)提供了需要的數據。這種濾波算法簡單，效果顯著，資源占用少，既可以在嵌入式系統(tǒng)中實現，也可以在車載計算機中實現。本發(fā)明應用觸發(fā)傳感器來同步測量數據的采集以及定位軌道功能件，避免在不必要測量之處收集大量無用的數據，既有效利用了系統(tǒng)CPU、存儲器等資源，又避免了濾波器從海量數據中過濾得到少量有效數據的復雜運算，該觸發(fā)傳感器相當于實施了一次初級濾波。本發(fā)明應用解析度為微米級的高解析度位移傳感器，使系統(tǒng)精度達到0.1毫米甚至0.01毫米，大大優(yōu)于其他測量方法。


圖1本發(fā)明裝置結構示意2本發(fā)明的測量架的左視圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括前遠隙位移傳感器1、前近隙位移傳感器2、后近隙位移傳感器3、后遠隙位移傳感器4、觸發(fā)傳感器5、扭轉位移傳感器6、測量架7、高速數據采集卡8、寬頻數字濾波處理器9、形位誤差計算處理器10、高速存儲器11、前固定螺栓12和后固定螺栓13。前遠隙位移傳感器1、前近隙位移傳感器2、后近隙位移傳感器3、后遠隙位移傳感器4、觸發(fā)傳感器5和扭轉位移傳感器6均固定安裝在測量架7上，測量架通過前固定螺栓12和后固定螺栓13固定在車輛的車架上，傳感器輸出信號線與高速數據采集卡8相連。高速數據采集卡8輸出端接到寬頻數字濾波處理器9輸入端，寬頻數字濾波處理器9輸出端接到形位誤差計算處理器10的輸入端，形位誤差計算處理器10輸出端接到高速存儲器11。
前遠隙位移傳感器1、前近隙位移傳感器2、后近隙位移傳感器3、后遠隙位移傳感器4、扭轉位移傳感器6均為高解析度位移傳感器，觸發(fā)傳感器5為激光通過式傳感器。它的作用為觸發(fā)同步測量信號以及確定軌道功能件的定位。
測量架7用于安裝和固定傳感器。該測量架可以是薄板、厚板或衍架結構，根據實際測量要求，可以是單軌單面(滑行面、導向面或定子面)測量架、單軌多面、或者雙軌多面測量架。每個面上可選擇安裝前遠隙位移傳感器1、前近隙位移傳感器2、后近隙位移傳感器3、后遠隙位移傳感器4、觸發(fā)傳感器5或扭轉位移傳感器6。
高速數據采集卡7根據實際需要可選擇提供6到26個輸入通道的同步數據采集。高速數據采集卡7是一塊嵌入式集成電路板，該板可以集成寬頻數字濾波處理器9、形位誤差計算處理器10和高速存儲器11的全部或部分，未集成的部分由計算機完成。
寬頻數字濾波處理器9和形位誤差計算處理器10可以是兩個單獨的軟件或硬件系統(tǒng)也可以合成為一個軟件或硬件系統(tǒng)。
本發(fā)明方法，在車輛行駛中，采用高解析度位移傳感器測量軌道功能件表面(滑行面、導向面、定子面)的高度變化值，高頻數據采集卡7采集測量數據傳送給高頻數字濾波處理器9，再通過形位誤差計算器10得到軌道功能件的偏移量、坡度值和扭轉量，然后對有效數據進行存儲，寬頻數字濾波處理器9采用差分數字濾波算法消除車載系統(tǒng)本身的振動，求取相鄰兩個傳感器測量值之差，運用基于位移差值的形位誤差算法即得到準確的形位誤差值，實現車載式磁浮軌道狀態(tài)的快速自動檢測。
以下對方法作進一步的限定，包含以下步驟(1)通過高解析度位移傳感器即前遠隙位移傳感器1、前近隙位移傳感器2、后近隙位移傳感器3、后遠隙位移傳感器4和扭轉位移傳感器6的原始測量值分別為d1、d2、d3、d4、d6，原始測量值通過信號線傳輸到高速數據采集卡7；(2)高速數據采集卡7將數據輸出給寬頻數字濾波處理器9，寬頻數字濾波處理器9計算差值Δa＝d1-d2、Δb＝d2-d3、Δc＝d3-d4、Δh＝d6-d3，差值輸入形位誤差計算處理器10；(3)形位誤差計算處理器10根據差值計算軌道功能件偏移量、坡度值、扭轉量，具體計算方法如下 扭轉量＝|Δh|偏移量、坡度值、扭轉量的另一種表達形式為 扭轉量＝|(d6-d3)|形位誤差計算處理器10進行形位誤差計算的結果存儲在高速存儲器8中，實現車載式磁浮軌道狀態(tài)的快速自動檢測。
權利要求
1.一種磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測裝置，包括前遠隙位移傳感器(1)、前近隙位移傳感器(2)、后近隙位移傳感器(3)、后遠隙位移傳感器(4)、觸發(fā)傳感器(5)、扭轉位移傳感器(6)、測量架(7)、高速數據采集卡(8)、寬頻數字濾波處理器(9)、形位誤差計算處理器(10)、高速存儲器(11)、前固定螺栓(12)和后固定螺栓(13)，其特征在于，前遠隙位移傳感器(1)、前近隙位移傳感器(2)、后近隙位移傳感器(3)、后遠隙位移傳感器(4)、觸發(fā)傳感器(5)和扭轉位移傳感器(6)均固定安裝在測量架(7)上，測量架通過前固定螺栓(12)和后固定螺栓(13)固定在車輛的車架上，傳感器輸出信號線與高速數據采集卡(8)相連，高速數據采集卡(8)輸出端接到寬頻數字濾波處理器(9)輸入端，寬頻數字濾波處理器(9)輸出端接到形位誤差計算處理器(10)的輸入端，形位誤差計算處理器(10)輸出端接到高速存儲器(11)。
2.根據權利要求1所述的磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測裝置，其特征是，前遠隙位移傳感器(1)、前近隙位移傳感器(2)、后近隙位移傳感器(3)、后遠隙位移傳感器(4)、扭轉位移傳感器(6)均為高精度位移傳感器，是激光CCD位移傳感器，或者渦流傳感器，或者超聲波傳感器。
3.根據權利要求1所述的磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測裝置，其特征是，測量架(7)是薄板、厚板或衍架結構，是單軌單面、單軌多面、或者雙軌多面測量架，每個面上選擇安裝前遠隙位移傳感器(1)、前近隙位移傳感器(2)、后近隙位移傳感器(3)、后遠隙位移傳感器(4)、觸發(fā)傳感器(5)或扭轉位移傳感器(6)。
4.一種磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測方法，其特征在于，在車輛行駛中，采用高解析度位移傳感器測量軌道功能件表面即滑行面、導向面、定子面的高度變化值，高頻數據采集卡采集測量數據傳送給高頻數字濾波處理器，再通過形位誤差計算器得到軌道功能件的偏移量、坡度值和扭轉量，然后對有效數據進行存儲，寬頻數字濾波處理器采用差分數字濾波算法消除車載系統(tǒng)本身的振動，求取相鄰兩個傳感器測量值之差，該差值避免了車輛振動的影響，這樣形位誤差處理器就能得到避免了振動影響的測量數據，運用基于位移差值的形位誤差算法即得到準確的形位誤差值，實現車載式磁浮軌道狀態(tài)的快速自動檢測。
5.根據權利要求4所述的磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測方法，其特征是，以下通過步驟對其作進一步的限定(1)通過高解析度位移傳感器即前遠隙位移傳感器、前近隙位移傳感器、后近隙位移傳感器、后遠隙位移傳感器和扭轉位移傳感器的原始測量值分別為d1、d2、d3、d4、d6，所述原始測量值通過信號線傳輸到高速數據采集卡；(2)高速數據采集卡將數據輸出給寬頻數字濾波處理器，寬頻數字濾波處理器計算差值Δa＝d1-d2、Δb＝d2-d3、Δc＝d3-d4、Δh＝d6-d3，所述差值輸入形位誤差計算處理器；(3)形位誤差計算處理器根據差值計算軌道功能件偏移量、坡度值、扭轉量，具體計算方法如下 扭轉量＝|Δh|形位誤差計算處理器進行形位誤差計算的結果存儲在高速存儲器中，實現車載式磁浮軌道狀態(tài)的快速自動檢測。
6.根據權利要求5所述的磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測方法，其特征在于，偏移量、坡度值、扭轉量的另一種表達形式為 扭轉量＝|(d6-d3)|。
全文摘要
一種磁懸浮軌道狀態(tài)自動檢測裝置和方法，用于磁懸浮軌道動態(tài)檢測技術領域。本發(fā)明裝置中，位移傳感器、觸發(fā)傳感器均固定安裝在測量架上，與高速數據采集卡相連，測量架通過前后固定螺栓固定在車輛車架上，高速數據采集卡輸出端接到寬頻數字濾波處理器輸入端，寬頻數字濾波處理器輸出端接到形位誤差計算處理器輸入端，形位誤差計算處理器輸出端接到高速存儲器。方法中，寬頻數字濾波處理器采用差分數字濾波算法消除車載系統(tǒng)本身的振動，求取相鄰兩個傳感器測量值之差，運用基于位移差值的形位誤差算法即得到準確的形位誤差值，實現車載式磁浮軌道狀態(tài)的快速自動檢測。本發(fā)明克服了車輛振動對檢測精度的影響，自動檢測速度快，精度高。
文檔編號B61K9/08GK1603189SQ20041006803
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月11日 優(yōu)先權日2004年11月11日
發(fā)明者張建武, 陳俐 申請人:上海交通大學