钢轨位移监测系统的制作方法

本发明属于轨道安全监测技术领域，涉及钢轨监测设备，尤其是一种钢轨位移监测系统。

背景技术：

随着我国高铁的高速发展，轨道的铺设量急剧增加，为了保证高铁的安全运行，对轨道的监测也越发重要。

现有的轨道通常采用长轨、无缝技术，由于很多地段线路曲线半径小，随着夏季轨道温度升高，容易引起“胀轨跑道”灾害，作为铁路系统保存的轨温数据和钢轨位移数据，为分析“胀轨跑道”灾害规律提供原始数据。特别是高速铁路时代到来，采用先进技术对行车设备进行安全监测，符合铁道管理部门要求科技服务于高铁的安全运输生产精神。

目前，通常采用人工到达现场后进行实地的钢轨位移测量。这种人工检测方案存在以下问题：

(1)需要占用大量的人工，效率较低，而且存在现场作业安全问题，相关人员到达现场进行实地测量，测量数据需要先行记录，回到单位后在进行后续处理。

(2)人工观测是间歇式测量，预警及时性不好，钢轨发生位移，不能及时的反馈到相关管理部门，只有在现场测量后才能得到结果，不利于及时采取措施消除事故隐患。

(3)需要先行标记基准点和参照物，而且标记容易被环境影响发生变化，从而影响检测数据的准确性。

(4)缺少自动化处理手段，过分依赖于人眼的识别，主观影响比较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、测量准确、速度快且自动化程度高的钢轨位移监测系统。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种钢轨位移监测系统，包括辅助测量模块、监测控制装置、和激光测距装置；所述辅助测量模块安装在钢轨的侧端下沿，所述激光测距装置对准辅助测量模块的纵向位移测量端面、横向位移测量端面、竖向位移测量端面，该激光测距装置将三个端面的测距结果传输给监测控制装置，所述监测控制装置接收激光测距装置的测距结果，计算钢轨横向、纵向、竖向的位移变化。

进一步，所述监测控制装置还连接有上位机，并将钢轨横向、纵向、竖向的位移变化上传至上位机。

进一步，所述激光测距装置包括三个激光测距模块，三个激光测距模块分别对准辅助测量模块的纵向位移测量端面、横向位移测量端面、竖向位移测量端面并分别测量纵向位移、横向位移和竖向位移。

进一步，所述辅助测量模块包括辅助测量主体和固定机构，所述辅助测量主体通过固定机构安装在钢轨上；所述辅助测量主体正面中间为横向位移测量端面，横向位移测量端面两侧分别为纵向位移测量端面、竖向位移测量端面；所述横向位移测量端面与辅助测量主体的后端面平行，所述纵向位移测量端面与辅助测量主体的后端面纵向成45°的夹角，所述竖向位移测量端面与辅助测量主体的后端面竖向成45°的夹角。

进一步，所述辅助测量主体一体制成，并且纵向位移测量端面、横向位移测量端面、竖向位移测量端面表面光滑。

进一步，所述监测控制装置和激光测距装置安装在与辅助测量模块相对的安装架上。

进一步，所述监测控制装置包括mcu单元及与其相连接的电源模块、三个升压控制模块、采样模块、存储模块、时钟单元和看门狗单元，所述三个升压控制模块分别与三组激光测距模块相连接并控制三组激光测距模块工作，所述采集模块接收三个激光测距模块的测距结果并进行ad转换后传至mcu单元；所述mcu单元实现整体监测控制功能并计算钢轨横向、纵向、竖向的位移变化。

进一步，所述存储模块包括存储系统参数的eeprom单元、存储测量数据的tf卡存储单元和存储缓冲数据的flash存储单元。

进一步，所述mcu单元还连接4g通讯单元用于与上位机实现通讯功能。

进一步，所述电源模块连接外部供电电源并进行电压转换，为监测控制装置和激光测距装置提供工作电源；所述外部供电电源为蓄电池或太阳能组件。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过三组激光测距模块对辅助测量装置的纵向位移测量端面、横向位移测量端面、竖向位移测量端面进行测量，从而实现对钢轨横向、纵向、竖向位移的非接触式测量功能，测量精度达到毫米级别，整个测量过程完全自动完成，具有测量准确、速度快、易于实现等特点。

2、本发明可将测量结果自动上传至上位机，无需再让人员去现场进行测量，节省人力物力，实现远程监测功能，提高了自动化监测水平。

附图说明

图1是本发明的系统连接示意图；

图2a是本发明的辅助测量模块与钢轨安装的结构示意图(主视图)；

图2b是本发明的辅助测量模块与钢轨安装的结构示意图(俯视图)；

图2c是本发明的辅助测量模块与钢轨安装的结构示意图(左视图)；

图3是本发明的监测控制装置的电路方框图。

其中，1：太阳能组件，2：安装架，3：监测控制装置，4：上位机，5：辅助测量模块，6：钢轨，7：激光测距模块，5-1：纵向位移测量端面，5-2横向位移测量端面，5-3：竖向位移测量端面，5-4：固定机构，5-5：辅助测量主体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种钢轨位移监测系统，如图1所示，包括监测控制装置3、辅助测量模块5、激光测距装置7、太阳能组件1和上位机4。所述辅助测量模块安装在钢轨6的侧端下沿，所述监测控制装置、激光测距装置和太阳能组件安装在安装架上，太阳能组件位于安装架的上端并作为外部电源为监测控制装置及激光测距装置供电，所述监测控制装置与激光测距装置相连接，控制激光测距装置对辅助测量模块进行测距，所述激光测距装置包括三组激光测距模块并正对准辅助测量模块的纵向位移测量端面、横向位移测量端面、竖向位移测量端面，进行激光测距并将测距结果反馈给监测控制模块，监测控制模块根据激光测距结果计算钢轨横向、纵向、竖向的位移变化并将测量结果上传至上位机4。

如图2a、图2b及图2c所示，所述辅助测量模块包括辅助测量主体5-5和固定机构，所述辅助测量主体的上端面和下端面平行，辅助测量主体的上端面和下端面与固定机构安装在一起并通过固定机构安装在钢轨上。所述辅助测量主体正面中间为横向位移测量端面5-2，横向位移测量端面两侧分别为纵向位移测量端面5-1、竖向位移测量端面5-3，上述三个测量端面表面光滑并一体制成。其中，所述横向位移测量端面位于中间且与辅助测量主体的后端面平行，该横向位移测量端面的长度为100mm；所述纵向位移测量端面与横向位移测量端面纵向成45°的夹角，该纵向位移测量端面的长度70mm；所述竖向位移测量端面与辅助测量主体的后端面竖向成45°的夹角，该竖向位移测量端面的长度为70mm。

如图3所示，所述监测控制装置包括mcu单元及与其相连接的电源模块、升压控制模块、采样模块、时钟单元、eeprom单元、看门狗单元、tf卡存储单元、flash存储单元、4g通讯单元、串口通讯单元，升压控制模块为三组并分别与三组激光测距模块相连接，用于控制三组激光测距模块工作，三组激光测距模块对辅助测量模块的纵向位移测量端面、横向位移测量端面、竖向位移测量端面进行测距并将测距结果反馈给采集模块，采集模块对测量数据进行ad转换后传给mcu单元，mcu单元通过内部算法计算钢轨横向、纵向、竖向的位移变化并将测量结果通过4g通讯单元至上位机。

下面对监测控制装置中的各个部分分别进行说明

所述电源模块负责电源部分管理，本系统既可以使用蓄电池作为供电电源，也可以使用太阳能组件作为供电电源，该电源模块能够将外部供电电源进行电压转换，为系统中的各个部分提供工作电源，转换效率高达93％以上。

所述升压控制模块：负责外部激光测距装置的供电控制，升压控制模块为三组，每组支持24v/6w的电源输出，且供电输出可以由mcu进行控制。

所述mcu单元以cortex-m3架构为核心，主频最高可达72mhz，64kb的ram空间，512kb的flash存储空间，可以满足单芯片运行。

所述采样模块作为系统最重要的信号转换单元，负责将采集到的模拟信号转换成数字信号，并将其传输到mcu单元。采样模块采用ad公司的ad7792，这款a/d转换器适合高精度测量应用。内置一个低噪声16位σ-δ型adc。

所述时钟单元采用高精度的rtc芯片，具有精确的温度补偿单元，确保时钟能够在-40～80℃全温度范围内精度可以达到小于15s/月，通过i2c总线与mcu连接。

所述eeprom单元采用512kbit空间的eeprom存储芯片对系统参数进行存储，通过i2c总线与mcu连接。

所述看门狗单元通过定时喂狗确保系统运行正常，当程序死锁时，看门狗会启动系统复位，从而保证系统运行的稳定性。

所述tf卡存储单元支持2gb的tf卡存储单元，可以保证能够存储1年的分钟及小时数据。

所述flash存储单元采用2mb空间的flash存储芯片可以保存程序升级下载的缓冲区，确保程序远程下载的稳定性。

所述4g通讯单元：采用4g模块进行网络传输，实现数据上报与远程监控。

所述串口通讯单元支持9600bps的调试速率，便于设备的维护与参数设置。

在本系统中，mcu单元设有钢轨位移监测软件，对激光测距装置采集的信号计算钢轨横向、纵向、竖向的位移变化，其计算原理为：

通过辅助测量模块角度(45°)的设计，通过三角关系，tan45°＝1，将钢轨纵向和竖向位移的变化，转换到横向位移的变化。而且通过横向位移面的位移变化对纵向和竖向位移的实际变化进行补偿。设：x横向测量位移(采样值)，y纵向测量位移(采样值)，z竖向测量位移(采样值)，则：

横向实际位移x1为：x1＝-x，

纵向实际位移y1为：y1＝y+x

竖向实际位移z1为：z1＝z+x

通过以上计算，便可精确得到钢轨横向、纵向、竖向的位移变化。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

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