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激光測距技術(shù)在車輛直線電機氣隙丈量中的應(yīng)用
作者:admin 發(fā)布時間:2015/11/20 15:30:19 瀏覽次數(shù):2695
目前，新型的城市軌道交通車輛采用了直線電機(LIM)牽引方式，直線電機有別于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機，它將電機的定子和轉(zhuǎn)子分開布置，即定子位于列車側(cè)，轉(zhuǎn)子(又稱感應(yīng)板)敷設(shè)在軌道中心，在電流和磁場的作用下，定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的相互作用力使列車相對于軌道運動，為保證一定的牽引力、減少能耗和列車限界的要求，直線電機的定子和轉(zhuǎn)子的間隔(以下稱作氣隙)應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi)，因此氣隙日常丈量維護是確保列車正常運行的重要環(huán)節(jié)，由于氣隙丈量是一個動態(tài)丈量，且受線路長度、線路條件、直線電機電磁場干擾強度等因素影響，實際丈量難度較大，目前國內(nèi)外同行在該領(lǐng)域的研究仍在不斷探索中，下文簡單介紹激光測距技術(shù)在該領(lǐng)域中的應(yīng)用。
1原理介紹
20世紀90年代初，隨著半導(dǎo)體激光二極管技術(shù)的開發(fā)，激光的實際應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化，半導(dǎo)體激光丈量用具有丈量精度高、體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動電路簡單且不易受電磁場干擾等優(yōu)點開始運用于測距領(lǐng)域。激光測距原理分為3種：一是脈沖法激光測距，測距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被丈量物體反射后又被測。距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間，光速和往返時間的乘積的一半就是測距儀和被丈量物體之間的間隔，脈沖法丈量間隔的精度一般在±1m，適合于測定間隔較遠的物體(如建筑、地質(zhì)等方面)；二是三角法激光測距(又稱結(jié)構(gòu)光掃描儀)，以半導(dǎo)體激光器作光源，使其產(chǎn)生的光束照射被測表面，經(jīng)表面散射(或反射)后，用面陣CCD攝像機接收，光點在CCD像平面上的位置將反映出表面在法線方向上的變化，即點結(jié)構(gòu)光丈量原理；三是相位法激光測距，它是用無線電波段的頻率對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算該相位延遲所代表的間隔。相位式激光測距儀一般應(yīng)用于精密測距。目前廣州地鐵四號線直線電機氣隙的丈量主要采用三角法激光測距原理。
2丈量實施
車輛直線電機氣隙是由車輛側(cè)的定子和軌道側(cè)的感應(yīng)板構(gòu)成，實時丈量時若將丈量裝置安裝在直線電機上則易受磁場干擾和列車運行的影響，丈量出來超標點在線路中的精確定位難度較大，因此實際丈量是采用分開丈量的方法，即在線路中的某個點丈量所經(jīng)過列車直線電機定子(相對于軌面)高度，另外運用移動丈量設(shè)備丈量線路感應(yīng)板(相對于軌面)高度，兩者之差即為直線電機氣隙值，該丈量方法基本上能夠反應(yīng)出全線直線電機氣隙的水平，在實際生產(chǎn)運用中效果較為理想。以下就具體的丈量方法作一介紹。
1）定子高度丈量
定子高度丈量是將激光丈量器預(yù)埋在車輛段出進線的軌道中心(可以將丈量器布置成與感應(yīng)板等高，見圖1)。采用三角法激光測距時，來自探頭的激光光束照射在直線電機定子底面，并形成光點，該光的一部分被反射，通過光學(xué)鏡頭到達安裝在傳感器內(nèi)部的CCD電荷耦合器的線性陣列(圖2)。光點在陣列中的位置根據(jù)傳感器與被測表面的間隔按比例改變，內(nèi)部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能識別出其位置并直接給出被測間隔。該丈量方法適用于任何具有漫反射表面的材料的丈量，表面反射率的變化由集成電子儀器加以補償。
系統(tǒng)丈量時采用2套激光測距傳感器來實現(xiàn)電機底面沿電機長度方向的2條輪廓曲線的數(shù)據(jù)采集，從而測出在動態(tài)環(huán)境下電機定子的高度，該丈量方法亦稱在線丈量，它能夠真實地反映定子的高度。
三角法激光測距
采用預(yù)埋設(shè)備的方法，系統(tǒng)相對固定，因此系統(tǒng)規(guī)模相對較大，功能也較為齊全，系統(tǒng)主要包括以下部分：中心控制治理系統(tǒng)、探測站(數(shù)據(jù)采集及前置處理設(shè)備)、車號自動識別裝置、標定裝置及其他輔助設(shè)備(圖3)?？紤]到方便操縱、經(jīng)濟實惠等原則，探測站系統(tǒng)進行集成配置，包括多套激光測距傳感器、車輪傳感器、主機系統(tǒng)、微波天線、分線箱、電纜及整體鋼枕系統(tǒng)等。
整個數(shù)據(jù)處理方法基于一個數(shù)字信號處理器(DSP)，它自動控制激光能量和CCD陣列的曝光時間。同時應(yīng)用同周期補光RSTC技術(shù)可以丈量多種不同的表面，如光亮的金屬，玄色的橡膠和粗糙的油漆面等。
該丈量系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠在車輛運行時實時在線丈量電機定子的高度，同時具有自動判別列車運行方向、自動測速、自動計軸、計算列車數(shù)目，并根據(jù)設(shè)定的直線電機氣隙最小值，實現(xiàn)故障或超限的預(yù)警、報警。缺點是系統(tǒng)投資規(guī)模和占地空間較大。
2）感應(yīng)板高度丈量
感應(yīng)板高度丈量采用高度集成化的移動丈量設(shè)備(以下稱丈量小車)，丈量小車由激光丈量編碼器定距、計算機圖形處理等多種技術(shù)結(jié)合而成，丈量小車走行部能夠通過5#道岔和65m小半徑曲線以及既有的城市軌道交通任何坡度線路，且滿足鐵路限界的要求，它具有體積小，重量輕等特點。操縱者通過推動小車，便可實時監(jiān)控當(dāng)前里程對應(yīng)的感應(yīng)板的高度，大大進步了工作效率并降低了勞動強度。
與定子高度丈量一樣，該系統(tǒng)也是采用三角法激光測距，監(jiān)測儀由2個激光傳感器組成，分別丈量感應(yīng)板的兩邊，通過位移傳感器等間距采樣并計算當(dāng)前的里程，然后經(jīng)計算機處理分析后在顯示屏上顯示實時丈量結(jié)果，丈量小車采樣頻率高，可達到16kHz，丈量精度≥0.04min，可進行事件觸發(fā)(即發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超標才開始記錄，以節(jié)約內(nèi)存空間)，傳感器的采樣間隔可調(diào)，數(shù)據(jù)處理可靠，不失真。系統(tǒng)構(gòu)成圖和主體示意圖分別如圖4和圖5所示。
為了適應(yīng)全天候的天氣條件，尤其是避免白天強烈日照對激光頭采樣的影響，激光驅(qū)動電路采用特殊設(shè)計使得激光頭的激光點強度能夠自適應(yīng)閉環(huán)，保證丈量數(shù)據(jù)不隨環(huán)境溫度、顏色、光亮度(太陽照射或夜晚較暗環(huán)境)等變化而變化，但該系統(tǒng)缺點是丈量易受惡劣天氣影響，且感應(yīng)板上有雜物時也會影響丈量精度。
傳統(tǒng)丈量法是采用人工方法對感應(yīng)板高度進行抽樣丈量，操縱者將高度丈量尺靠在軌道上，通過調(diào)節(jié)尺的游標進行丈量，由于現(xiàn)代城市軌道交通線路建設(shè)里程越來越長(如廣州地鐵四號線雙向全長達93.12km)，傳統(tǒng)的手工丈量方法效率低，一天僅能丈量約0.7km，工作強度高，而且是非連續(xù)丈量，易造成漏檢的情況。激光丈量小車的使用可以很好地替換手工丈量，不但進步了工作效率，丈量速度可達到3km/h，同時可以減輕操縱者的工作強度和連續(xù)進行丈量，為感應(yīng)板治理職員提供了精確的技術(shù)參數(shù)，并便于丈量數(shù)據(jù)的治理。最后將測得定子高度減往轉(zhuǎn)子(感應(yīng)板)高度即為直線電機氣隙值，從實測的數(shù)據(jù)表明廣州地鐵四號線直線電機氣隙值基本為11-12mm，滿足正常使用范圍要求。
激光測距技術(shù)在廣州地鐵四號線直線電機車輛氣隙丈量領(lǐng)域的運用固然剛剛起步，但是已經(jīng)取得了明顯的效果，它不但改善了丈量效率、丈量精度，降低了檢驗作業(yè)職員的勞動強度，更避免了以往使用丈量尺而造成的漏檢情況，為直線電機車輛的安全、可靠運行提供了保障。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和功能的不斷完善，激光測距技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛。
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