本發(fā)明涉及一種測(cè)量技術(shù)，特別是一種非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

振動(dòng)是生產(chǎn)、生活中十分普遍的物理現(xiàn)象，是物體圍繞平衡位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。任何機(jī)械設(shè)備在工作過程中都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，而振動(dòng)現(xiàn)象通常由設(shè)備的位移、速度、加速度、應(yīng)變力等響應(yīng)測(cè)量信號(hào)的變化來反映。機(jī)械振動(dòng)在大多數(shù)情況下都是有害的，會(huì)破壞機(jī)器的正常工作，降低其性能。振動(dòng)測(cè)量是從航天部門發(fā)展起來的，在動(dòng)力機(jī)械、交通運(yùn)輸、建筑等工業(yè)部門及環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)保護(hù)等方面也顯示出其重要作用。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和火車的提速，對(duì)高鐵路基的質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，高鐵路基在列車通過鐵路軌道時(shí)不可避免的產(chǎn)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)幅值過大會(huì)使鐵軌產(chǎn)生裂紋、疲勞、斷裂和緊部件松動(dòng)等不良現(xiàn)象。這些不良影響會(huì)加劇鐵軌的損壞速度，嚴(yán)重者甚至?xí)斐绍嚉送龅膽K劇。現(xiàn)有的軌道路基振動(dòng)測(cè)量方法大多采用接觸式測(cè)量，精度低、誤差大且測(cè)量次數(shù)較為頻繁，導(dǎo)致測(cè)量裝置的使用壽命大大縮短，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵路基振動(dòng)的長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)。

因此，需要一種新的非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)高鐵路基振動(dòng)的長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)。

一種非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括條碼尺、光學(xué)成像系統(tǒng)、嵌入式位移傳感器、計(jì)算機(jī)終端顯示模塊以及通訊模塊；其中

條碼尺上設(shè)置交替相間的黑白條碼且黑條碼寬度各不相同且相鄰兩條黑條碼的中心間距相等；

光學(xué)成像系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的周期獲取條碼尺實(shí)時(shí)圖像；

嵌入式位移傳感器包括條碼圖像采集與傳輸模塊、信息接收與處理模塊，其中

條碼圖像采集與傳輸模塊與光學(xué)成像系統(tǒng)連接對(duì)黑條碼信息進(jìn)行采集，

信息接收與處理模塊對(duì)采集的信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并處理獲取黑條碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置；

計(jì)算機(jī)終端顯示模塊用于顯示信息接收與處理模塊處理結(jié)果；

通訊模塊用于處理結(jié)果傳輸至外部帶運(yùn)算能力的終端。

采用上述系統(tǒng)，條碼圖像采集與傳輸模塊由CCD器件構(gòu)成。

采用上述系統(tǒng)，通訊模塊通過USB-RS232數(shù)據(jù)線將處理結(jié)果傳輸至外部帶運(yùn)算能力的終端。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)本測(cè)量系統(tǒng)采用線陣CCD測(cè)量技術(shù)，可進(jìn)行非接觸式測(cè)量，且測(cè)量精度高，可以達(dá)到微米級(jí)別。

(2)使用微處理器、CCD等組成嵌入式系統(tǒng)，功耗低，使用便攜式計(jì)算機(jī)通過USB接口即可滿足系統(tǒng)供電的需求。

(3)采用通用的USB-RS232高速串行端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

附圖說明

圖1為非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理框圖

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，一種非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系，包括條碼尺、光學(xué)成像系統(tǒng)、嵌入式位移傳感器、計(jì)算機(jī)終端顯示模塊以及通訊模塊。其中條碼尺上設(shè)置交替相間的黑白條碼且黑條碼寬度各不相同且相鄰兩條黑條碼的中心間距相等；光學(xué)成像系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的周期獲取條碼尺實(shí)時(shí)圖像；嵌入式位移傳感器包括條碼圖像采集與傳輸模塊、信息接收與處理模塊，其中條碼圖像采集與傳輸模塊與光學(xué)成像系統(tǒng)連接對(duì)黑條碼信息進(jìn)行采集，信息接收與處理模塊對(duì)采集的信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并處理獲取黑條碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置；計(jì)算機(jī)終端顯示模塊用于顯示信息接收與處理模塊處理結(jié)果；通訊模塊用于處理結(jié)果傳輸至外部帶運(yùn)算能力的終端。

所述條碼尺上設(shè)置8條黑條碼，寬度從上至下依次為0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm。

光學(xué)成像系統(tǒng)利用攝影鏡頭設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)，確保條碼上的采樣點(diǎn)可以成像到圖像接收位置(線陣CCD圖像傳感器)，應(yīng)滿足透鏡成像方程：

其中，z_f為物距，z₀為像距；f為攝影鏡頭的焦距。

所述信息接收與處理模塊使用嵌入式微處理器對(duì)CCD器件采集到的信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、圖像處理。在微處理器中燒錄應(yīng)用軟件，對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行圖像處理，得出觀測(cè)條碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置。根據(jù)相鄰時(shí)刻同一黑條碼間的不同位置獲取高鐵路基振動(dòng)幅度。本發(fā)明中，采集黑條碼的圖像，知道黑條碼的寬度，即知道黑條碼的位置信息，由于等間隔，乘以碼序就可以得知位置，這種算法較非等間隔更加容易計(jì)算。

條碼圖像采集與傳輸模塊由CCD器件構(gòu)成。

通訊模塊通過USB-RS232數(shù)據(jù)線將處理結(jié)果傳輸至外部帶運(yùn)算能力的終端。

本非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的基本工作原理：條碼尺上的條碼圖像通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像到CCD圖像傳感器光敏面上，CCD圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)的獲取、存儲(chǔ)、傳輸與處理。本系統(tǒng)具有低功耗、非接觸、測(cè)量速度快、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，適用范圍優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式位移測(cè)量系統(tǒng)。本測(cè)量系統(tǒng)安裝方便，操作簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)安裝，適用于野外測(cè)量作業(yè)。

本非接觸式高鐵路基振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，在鐵軌路基的測(cè)試點(diǎn)上安裝圖中所示的條碼尺，通過光學(xué)系統(tǒng)把黑白相間的條碼尺的中心位置在CCD器件的光敏面上成像，CCD器件把光敏面上的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比的電壓信號(hào)。利用嵌入式微處理器內(nèi)部的PWM輸出單元對(duì)CCD器件進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)，在CCD輸出端得到被檢測(cè)對(duì)象的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)中每一個(gè)離散的電壓信號(hào)值對(duì)應(yīng)著光敏像元所接收的光信號(hào)強(qiáng)弱。通過嵌入式微處理器內(nèi)部的A/D功能將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，利用燒錄于嵌入式微處理器內(nèi)的軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行二值化、圖像增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)等處理，計(jì)算出條碼尺的中心位置值，最后將得到的位置數(shù)據(jù)通過USB-RS232接線傳送至計(jì)算機(jī)顯示終端，以供測(cè)量人員記錄與分析。

連續(xù)拍攝并測(cè)量多幅CCD圖像，通過系統(tǒng)軟件計(jì)算CCD圖像中心位置值，便可在計(jì)算機(jī)顯示終端連續(xù)輸出不同時(shí)刻的位置測(cè)量值，從而可以繪制出高鐵路基受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)幅度曲線。