一种非接触式高铁路基振动测量系统的制作方法

本发明涉及一种测量技术，特别是一种非接触式高铁路基振动测量系统。

背景技术：

振动是生产、生活中十分普遍的物理现象，是物体围绕平衡位置所作的往复运动。任何机械设备在工作过程中都会产生振动现象，而振动现象通常由设备的位移、速度、加速度、应变力等响应测量信号的变化来反映。机械振动在大多数情况下都是有害的，会破坏机器的正常工作，降低其性能。振动测量是从航天部门发展起来的，在动力机械、交通运输、建筑等工业部门及环境保护、劳动保护等方面也显示出其重要作用。

随着我国经济的发展和火车的提速，对高铁路基的质量要求更加严格，高铁路基在列车通过铁路轨道时不可避免的产生受迫振动，振动幅值过大会使铁轨产生裂纹、疲劳、断裂和紧部件松动等不良现象。这些不良影响会加剧铁轨的损坏速度，严重者甚至会造成车毁人亡的惨剧。现有的轨道路基振动测量方法大多采用接触式测量，精度低、误差大且测量次数较为频繁，导致测量装置的使用寿命大大缩短，难以实现对高铁路基振动的长期有效监测。

因此，需要一种新的非接触式高铁路基振动测量系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种非接触式高铁路基振动测量系统，该系统可以对高铁路基振动的长期有效监测。

一种非接触式高铁路基振动测量系统，包括条码尺、光学成像系统、嵌入式位移传感器、计算机终端显示模块以及通讯模块；其中

条码尺上设置交替相间的黑白条码且黑条码宽度各不相同且相邻两条黑条码的中心间距相等；

光学成像系统按照预先设定的周期获取条码尺实时图像；

嵌入式位移传感器包括条码图像采集与传输模块、信息接收与处理模块，其中

条码图像采集与传输模块与光学成像系统连接对黑条码信息进行采集，

信息接收与处理模块对采集的信息进行A/D转换并处理获取黑条码所对应的实际位置；

计算机终端显示模块用于显示信息接收与处理模块处理结果；

通讯模块用于处理结果传输至外部带运算能力的终端。

采用上述系统，条码图像采集与传输模块由CCD器件构成。

采用上述系统，通讯模块通过USB-RS232数据线将处理结果传输至外部带运算能力的终端。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本测量系统采用线阵CCD测量技术，可进行非接触式测量，且测量精度高，可以达到微米级别。

(2)使用微处理器、CCD等组成嵌入式系统，功耗低，使用便携式计算机通过USB接口即可满足系统供电的需求。

(3)采用通用的USB-RS232高速串行端口进行数据的实时采集与传输。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为非接触式高铁路基振动测量系统结构示意图

图2为振动测量系统的工作原理框图

具体实施方式

结合图1，一种非接触式高铁路基振动测量系，包括条码尺、光学成像系统、嵌入式位移传感器、计算机终端显示模块以及通讯模块。其中条码尺上设置交替相间的黑白条码且黑条码宽度各不相同且相邻两条黑条码的中心间距相等；光学成像系统按照预先设定的周期获取条码尺实时图像；嵌入式位移传感器包括条码图像采集与传输模块、信息接收与处理模块，其中条码图像采集与传输模块与光学成像系统连接对黑条码信息进行采集，信息接收与处理模块对采集的信息进行A/D转换并处理获取黑条码所对应的实际位置；计算机终端显示模块用于显示信息接收与处理模块处理结果；通讯模块用于处理结果传输至外部带运算能力的终端。

所述条码尺上设置8条黑条码，宽度从上至下依次为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm。

光学成像系统利用摄影镜头设计光路系统，确保条码上的采样点可以成像到图像接收位置(线阵CCD图像传感器)，应满足透镜成像方程：

其中，z_f为物距，z₀为像距；f为摄影镜头的焦距。

所述信息接收与处理模块使用嵌入式微处理器对CCD器件采集到的信息进行A/D转换、图像处理。在微处理器中烧录应用软件，对接收到的数字信号进行图像处理，得出观测条码所对应的实际位置。根据相邻时刻同一黑条码间的不同位置获取高铁路基振动幅度。本发明中，采集黑条码的图像，知道黑条码的宽度，即知道黑条码的位置信息，由于等间隔，乘以码序就可以得知位置，这种算法较非等间隔更加容易计算。

条码图像采集与传输模块由CCD器件构成。

通讯模块通过USB-RS232数据线将处理结果传输至外部带运算能力的终端。

本非接触式高铁路基振动测量系统的基本工作原理：条码尺上的条码图像通过光学成像系统成像到CCD图像传感器光敏面上，CCD图像传感器将光信号转换成电信号，采用嵌入式系统实现图像信号的获取、存储、传输与处理。本系统具有低功耗、非接触、测量速度快、性能稳定、结构简单、便于携带等特点，可以实现位移测量的自动化、智能化、网络化，适用范围优于传统的机械式、光学式、电磁式位移测量系统。本测量系统安装方便，操作简单，无需复杂的现场安装，适用于野外测量作业。

本非接触式高铁路基振动测量系统工作时，在铁轨路基的测试点上安装图中所示的条码尺，通过光学系统把黑白相间的条码尺的中心位置在CCD器件的光敏面上成像，CCD器件把光敏面上的光学信号转换成与光强成正比的电压信号。利用嵌入式微处理器内部的PWM输出单元对CCD器件进行脉冲驱动，在CCD输出端得到被检测对象的模拟信号，模拟信号中每一个离散的电压信号值对应着光敏像元所接收的光信号强弱。通过嵌入式微处理器内部的A/D功能将采集到的模拟信号转换成数字信号，利用烧录于嵌入式微处理器内的软件对数字信号进行二值化、图像增强、边缘检测等处理，计算出条码尺的中心位置值，最后将得到的位置数据通过USB-RS232接线传送至计算机显示终端，以供测量人员记录与分析。

连续拍摄并测量多幅CCD图像，通过系统软件计算CCD图像中心位置值，便可在计算机显示终端连续输出不同时刻的位置测量值，从而可以绘制出高铁路基受迫振动时的动态振动幅度曲线。