專利名稱：一種非接觸式ccd高速動(dòng)態(tài)檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及鐵路交通管理類，特別涉及一種非接觸式CCD高速動(dòng)態(tài)檢測裝置。
背景技術(shù)：
目前接觸線磨損、鋼軌踏面磨損和軌距等參數(shù)的檢測，仍采用傳統(tǒng)的檢測方法，在接觸線斷電、占用施工天窗的情況下去測量接觸線的磨耗程度及鋼軌的各項(xiàng)指標(biāo)。在鐵路運(yùn)營十分緊張的情況下，這種耗費(fèi)大量人力物力，而且抽樣點(diǎn)少導(dǎo)致人為誤差大的做法已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)代鐵路發(fā)展的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種非接觸式CCD高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，該裝置采用了適合檢測高速運(yùn)動(dòng)物體外形尺寸的場效應(yīng)電荷耦合線陣列CCD高速攝像頭以及LED發(fā)光二極管陣列光源，使得檢測采集密度很高，檢測結(jié)果精確。
本實(shí)用新型目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成本實(shí)用新型由攝像頭、照明光源、計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備組成，其中的攝像頭與照明光源分別與計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備連接。
攝像頭采用的是場效應(yīng)電荷耦合線陣列CCD高速攝像頭，照明光源采用的是靜態(tài)LED超高亮發(fā)光二極管組成的面陣列光源。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是，可以在檢測過程中接觸網(wǎng)不停電、不占用天窗、不打亂復(fù)雜的運(yùn)輸秩序，列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下就可進(jìn)行檢測，而且檢測結(jié)果精確。
附圖概述附

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本實(shí)用新型檢測原理圖；附圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中軌道檢測原理圖；附圖4為實(shí)施例用戶軟件系統(tǒng)模塊示意圖；附圖5為實(shí)施例攝像流程示意圖；
附圖6為實(shí)施例圖像解析流程示意圖；附圖7為實(shí)施例GPS定位流程示意圖；具體技術(shù)方案
以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對本實(shí)用新型特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解如圖1-7所示，附圖中的總參考標(biāo)號1-12分別表示接觸線1、攝像機(jī)2、攝像機(jī)3、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)4、測控計(jì)算機(jī)5、LED光源6、車底7、主光軸8、水平面9、鋼軌10、鋼軌內(nèi)側(cè)11、鋼軌外側(cè)12。
實(shí)施例1本實(shí)施例是針對鐵路接觸線磨損的非接觸式動(dòng)態(tài)檢測。
本實(shí)施例由兩臺適合檢測高速運(yùn)動(dòng)物體外形尺寸的場效應(yīng)電荷耦合線陣列CCD高速攝像機(jī)2、3、LED發(fā)光二極管面陣列光源6、測控計(jì)算機(jī)5、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)4組成，其中兩臺高速攝像機(jī)2、3和LED發(fā)光二極管光源6與測控計(jì)算機(jī)5通過網(wǎng)卡相連，所述的網(wǎng)卡包括LED光源控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、GPS數(shù)據(jù)采集卡等等，測控計(jì)算機(jī)5與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)4連接構(gòu)成了計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備。整個(gè)裝置控制原理流程如圖4-7所示。
本實(shí)施例共設(shè)置了兩臺計(jì)算機(jī)，前臺是測控計(jì)算機(jī)5，負(fù)責(zé)CCD攝像機(jī)2、3、數(shù)據(jù)采集卡的協(xié)調(diào)工作，以及接觸線1的輪廓圖像采集；后臺是數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)4，主要負(fù)責(zé)接觸線的輪廓圖像的解析，兩臺計(jì)算機(jī)之間通過網(wǎng)卡連接。
線陣列CCD攝像機(jī)2、3所需要的攝像控制信號以及攝像機(jī)的圖像輸出信號需要專門的數(shù)據(jù)采集卡和測控計(jì)算機(jī)5連接。
本實(shí)施例采用的照明光源6是以靜態(tài)LED超高亮發(fā)光二極管組成的面陣列光源為單位，合成面積為1.0m×2.4m的具有聚光效應(yīng)的照明光源，此處合成面積的選擇可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行變動(dòng)。在列車運(yùn)動(dòng)方向上將照明光源6以一定的傾斜角擺放于車頂?shù)钠脚_上(此時(shí)需考慮安全高度)，傾斜角度的選擇應(yīng)該使其對應(yīng)于接受反射光的CCD攝像頭。由于受攝像機(jī)鏡頭景深的限制，不能在上下位移100cm的接觸線進(jìn)行精確測量，可以采用數(shù)組同樣的攝像頭同時(shí)采樣，各取上下一段來補(bǔ)償景深的不足。
在接觸線1中心位置下兩邊車頂以一定的角度安裝兩個(gè)CCD高速攝像機(jī)2、3，也可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置多個(gè)攝像機(jī)，通常以2-8個(gè)為宜。
所述的接觸線1指的是，為電力機(jī)車提供牽引力的帶電架空導(dǎo)線，機(jī)車通過受電弓與之接觸引導(dǎo)電流。
通常接觸線1沿軌距中心線±0.4米呈之字型架設(shè)，電竿距離50米，時(shí)速108公里列車運(yùn)行時(shí)接觸線水平方向運(yùn)動(dòng)的秒速為0.5米；強(qiáng)側(cè)風(fēng)引起接觸線水平方向運(yùn)動(dòng)的秒速為0.1米；重力作用下接觸線的垂直高度有0.2米的落差，那么接觸線垂直方向運(yùn)動(dòng)的秒速為0.1米；接觸線受到受電弓垂直方向撞擊，產(chǎn)生垂直方向沿接觸線傳播的縱波，到達(dá)攝像機(jī)上方時(shí)雖然頻率不變，但振幅已經(jīng)變小，接觸線垂直方向運(yùn)動(dòng)的秒速不大于0.2米接觸線1在運(yùn)動(dòng)中左右搖擺幅度為中心線兩邊各45cm左右，鐵軌和站臺上下最大落差為100cm左右。接觸線1在使用狀態(tài)中由于不斷摩擦，底部近似于一個(gè)光滑的銅鏡。將攝像機(jī)2、3的攝像頭聚焦于一個(gè)指定的位置，該位置應(yīng)該為接觸線1的最小可能高度，聚焦所攝取的有效寬度為90cm，90cm為拍攝的最小寬度，再小就拍不到所有狀態(tài)，再大就是浪費(fèi)，會使得求出的接觸線1磨損值精度降低。當(dāng)光反射到接觸線1后反射入CCD攝像頭2、3，檢測到的電荷信號就可以轉(zhuǎn)換成圖像信號，由相應(yīng)的圖像采集卡采集后經(jīng)軟件處理。因而如果攝像頭2、3入射光是接觸線1的反射光，圖像就是接觸線1的輪廓。
根據(jù)接觸線圖像輪廓線的灰度，把輪廓線分成數(shù)段，用每段像素的灰度值建立二次函數(shù)，進(jìn)而求出二次函數(shù)的極值點(diǎn)和拐點(diǎn)，凸顯圖像邊緣和圖像中的棱線，精確定位磨損的底部和殘剩部分的位置，這樣也就精確求出殘剩高度。根據(jù)攝像機(jī)中接觸線的成像位置，對輪廓線進(jìn)行誤差補(bǔ)償。根據(jù)相鄰電線竿間接觸線的連續(xù)測量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出接觸線與軌道中心線的夾角，根據(jù)夾角再次對輪廓線進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
目前市場上能見到解析精度達(dá)到8192×1像素單色線陣列CCD器件的掃描速度可以達(dá)到50KHZ。如果以CCD攝像機(jī)作為參照物，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對性原理，時(shí)速108公里的列車運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于接觸線在X-Y平面內(nèi)以小于1米/秒的速度運(yùn)動(dòng)，假如CCD攝像機(jī)的電子快門時(shí)間為50微秒，則接觸線在X-Y平面內(nèi)移動(dòng)50微米，圖像的邊緣是清晰的，同時(shí)時(shí)速108公里列車運(yùn)行時(shí)，沿前進(jìn)方向每隔1.5mm可采樣一點(diǎn)，因此結(jié)果是采集密度高，可信度強(qiáng)。
線陣列CCD是以金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)為基本單元的場效應(yīng)電荷耦合器件，CCD是英文Charge Coupled Devices的縮寫。金屬-氧化物＝半導(dǎo)體(MOS)為基本單元排列成單一的列就構(gòu)成了線陣列CCD。電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。當(dāng)光入射到線陣列CCD表面光子的能量大于發(fā)生本征吸收的條件或者波長符合雜質(zhì)吸收的條件就引起光電效應(yīng)，產(chǎn)生電荷。線陣列CCD主要工作是產(chǎn)生電荷、存儲、傳輸和檢測電荷信號。如果入射光是物體的反射光，檢測到的電荷信號就可以轉(zhuǎn)換成圖像信號，例如入射光是接觸線的反射光，圖像就是接觸線的輪廓。
本實(shí)施例同樣適用于城市地鐵、輕軌的接觸線非接觸式檢測。
實(shí)施例2本實(shí)施例是針對鋼軌內(nèi)側(cè)踏面磨損、軌距、軌道平整度和軌道傾斜角的非接觸式動(dòng)態(tài)檢測。
檢測基本原理同實(shí)施例1相同。如圖3所示，在檢測車車底7中軸線兩側(cè)對稱安裝兩臺CCD攝像機(jī)2、3，攝像機(jī)2、3的主光軸8同車底7的夾角為α，攝像機(jī)2、3拍攝到的圖像位置求出鋼軌外側(cè)12同車底7的夾角β1、β2，攝相機(jī)的視場角為ω、車底7和水平面9的夾角為θ，攝像機(jī)間距為d、鋼軌10軌頭成像高度分別為h1和h2。這些幾何參數(shù)已經(jīng)滿足了檢測鋼軌內(nèi)側(cè)11踏面磨損、軌距、軌道平整度和軌道傾斜角的要求。
檢測鋼軌內(nèi)側(cè)11踏面磨損線路曲線處鋼軌內(nèi)側(cè)11受到輪對的擠壓，磨損快，踏面變型大，圖3中左、右側(cè)鋼軌10的成像高度h1＞h2，由此可推算出鋼軌內(nèi)側(cè)踏面磨損的磨損程度。
軌距檢測圖3中鋼軌外側(cè)面邊緣在攝像機(jī)內(nèi)的成像位置是可知的，加上圖3供的其它參數(shù)和鋼軌的形狀參數(shù)，可求出軌距。
軌道平整度檢測和軌道傾斜角檢測由圖3中的θ、β1、β2角和其它已知條件，可推算出軌道傾斜角，由軌道傾斜角的變化率可計(jì)算出軌道平整度。
本實(shí)用新型在實(shí)際應(yīng)用中，在列車高速運(yùn)行(車速200-300公里/小時(shí))條件下，進(jìn)行車載動(dòng)態(tài)非接觸式鋼軌踏面磨損檢測、車載動(dòng)態(tài)非接觸式軌道動(dòng)態(tài)規(guī)矩檢測、車載動(dòng)態(tài)非接觸式軌道動(dòng)態(tài)道床平整度檢測、車載動(dòng)態(tài)非接觸式軌道動(dòng)態(tài)道床傾斜角檢測、車載動(dòng)態(tài)非接觸式車輛晃動(dòng)檢測等。作為能適應(yīng)列車高速運(yùn)行條件，以更快的速度、更高的精度，在不占用天窗、不打亂復(fù)雜的運(yùn)輸秩序的情況下完成鋼軌踏面磨損、道床平整度、道床傾斜角等方面的檢測，也可以對車輛晃動(dòng)方面進(jìn)行檢測，為鐵路運(yùn)輸安全提供工務(wù)方面的預(yù)測、預(yù)警，科學(xué)決策維護(hù)時(shí)間和規(guī)模提供可靠依據(jù)。
權(quán)利要求1.一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，其特征在于該裝置由攝像頭、照明光源、計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備組成，其中的攝像頭與照明光源分別與計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，其特征在于所述攝像頭采用的是場效應(yīng)電荷耦合線陣列CCD高速攝像系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，其特征在于所述照明光源采用的是靜態(tài)LED超高亮發(fā)光二極管組成的面陣列光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備由測控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，其特征在于所述的攝像頭和照明光源與測控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)卡相連，所述的網(wǎng)卡包括數(shù)據(jù)采集卡、GPS數(shù)據(jù)采集卡和LED光源控制卡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，其特征在于所述的照明光源是以靜態(tài)LED超高亮發(fā)光二極管組成的面陣列光源為單位，合成面積為1.0m×2.4m的具有聚光效應(yīng)的照明光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，其特征在于所設(shè)置的攝像頭為2-8個(gè)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及鐵路交通管理類，特別涉及一種非接觸式高速動(dòng)態(tài)檢測裝置，該裝置由攝像頭、照明光源、計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備組成，其中的攝像頭與照明光源分別與計(jì)算機(jī)測控處理設(shè)備連接，攝像頭采用的是場效應(yīng)電荷耦合線陣列CCD高速攝像系統(tǒng)，照明光源采用的是靜態(tài)LED超高亮發(fā)光二極管組成的面陣列光源，其優(yōu)點(diǎn)是，可以在檢測過程中接觸網(wǎng)不停電、不占用天窗、不打亂復(fù)雜的運(yùn)輸秩序，列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下就可進(jìn)行檢測。
文檔編號G01B9/00GK2849715SQ20052004701
公開日2006年12月20日 申請日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者湯友福, 朱挺 申請人:上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所