激光技術(shù)在車輛直線電機(jī)氣隙測量中的應(yīng)用

1、激光技術(shù)在車輛直線電機(jī)氣隙測量中的應(yīng)用介紹了激光測距的原理及激光測距技術(shù)在城市軌道交通直線電機(jī)氣隙測量中的應(yīng)用，并提出了實(shí)際測量中相關(guān)問題的解決方法。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。 目前，新型的城市軌道交通車輛采用了直線電機(jī)(LIM)牽引方式，直線電機(jī)有別于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它將電機(jī)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)在軌道中央，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(yùn)動(dòng)，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(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的距離(以下稱作氣隙)應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi)，因此氣隙日常

2、測量維護(hù)是確保列車正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，由于氣隙測量是一個(gè)動(dòng)態(tài)測量，且受線路長度、線路條件、直線電機(jī)電磁場干擾強(qiáng)度等因素影響，實(shí)際測量難度較大，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(jì)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(shí)際應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化，半導(dǎo)體激光測量器具有測量精度高、體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動(dòng)電路簡單且不易受電磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)開始運(yùn)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)被測量物體反射后又被測。距儀接收，測距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間，光速和往返時(shí)間

3、的乘積的一半就是測距儀和被測量物體之間的距離，脈沖法測量距離的精度一般在1m，適合于測定距離較遠(yuǎn)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(jī)接收，光點(diǎn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)光測量原理；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(jìn)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距離。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(hào)線直線電機(jī)氣隙的測量主要采用三角法激光測距原理。2 測

4、量實(shí)施 車輛直線電機(jī)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(shí)時(shí)測量時(shí)若將測量裝置安裝在直線電機(jī)上則易受磁場干擾和列車運(yùn)行的影響，測量出來超標(biāo)點(diǎn)在線路中的精確定位難度較大，因此實(shí)際測量是采用分開測量的方法，即在線路中的某個(gè)點(diǎn)測量所經(jīng)過列車直線電機(jī)定子(相對于軌面)高度，另外運(yùn)用移動(dòng)測量設(shè)備測量線路感應(yīng)板(相對于軌面)高度，兩者之差即為直線電機(jī)氣隙值，該測量方法基本上能夠反應(yīng)出全線直線電機(jī)氣隙的水平，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中效果較為理想。以下就具體的測量方法作一介紹。2.1 定子高度測量 定子高度測量是將激光測量器預(yù)埋在車輛段出入線的軌道中央(可以將測量器布置成與感應(yīng)板等高，見圖1)。采用三角法激光測

5、距時(shí)，來自探頭的激光光束照射在直線電機(jī)定子底面，并形成光點(diǎn)，該光的一部分被反射，通過光學(xué)鏡頭到達(dá)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(diǎn)在陣列中的位置根據(jù)傳感器與被測表面的距離按比例改變，內(nèi)部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能識(shí)別出其位置并直接給出被測距離。該測量方法適用于任何具有漫反射表面的材料的測量，表面反射率的變化由集成電子儀器加以補(bǔ)償。圖1 激光測距傳感器的布置圖 系統(tǒng)測量時(shí)采用2套激光測距傳感器來實(shí)現(xiàn)電機(jī)底面沿電機(jī)長度方向的2條輪廓曲線的數(shù)據(jù)采集，從而測出在動(dòng)態(tài)環(huán)境下電機(jī)定子的高度，該測量方法亦稱在線測量，它能夠真實(shí)地反映定子的高度。圖2 三角法激光測距原理圖 采用預(yù)埋設(shè)備的方法，系統(tǒng)

6、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：中央控制管理系統(tǒng)、探測站(數(shù)據(jù)采集及前置處理設(shè)備)、車號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置、標(biāo)定裝置及其他輔助設(shè)備(圖3)?？紤]到方便操作、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等原則，探測站系統(tǒng)進(jìn)行集成配置，包括多套激光測距傳感器、車輪傳感器、主機(jī)系統(tǒng)、微波天線、分線箱、電纜及整體鋼枕系統(tǒng)等。圖3 控制結(jié)構(gòu)示意圖 整個(gè)數(shù)據(jù)處理方法基于一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，它自動(dòng)控制激光能量和CCD陣列的曝光時(shí)間。同時(shí)應(yīng)用同周期補(bǔ)光RSTC技術(shù)可以測量多種不同的表面，如光亮的金屬，黑色的橡膠和粗糙的油漆面等。 該測量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠在車輛運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)在線測量電機(jī)定子的高度，同時(shí)具有自動(dòng)

7、判別列車運(yùn)行方向、自動(dòng)測速、自動(dòng)計(jì)軸、計(jì)算列車數(shù)量，并根據(jù)設(shè)定的直線電機(jī)氣隙最小值，實(shí)現(xiàn)故障或超限的預(yù)警、報(bào)警。缺點(diǎn)是系統(tǒng)投資規(guī)模和占地空間較大。2.2感應(yīng)板高度測量 感應(yīng)板高度測量采用高度集成化的移動(dòng)測量設(shè)備(以下稱測量小車)，測量小車由激光測量編碼器定距、計(jì)算機(jī)圖形處理等多種技術(shù)結(jié)合而成，測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(diǎn)。操作者通過推動(dòng)小車，便可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前里程對應(yīng)的感應(yīng)板的高度，大大提高了工作效率并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。 與定子高度測量一樣，該系統(tǒng)也是采用三角法激光測距，監(jiān)測儀由2個(gè)激光傳感器組

8、成，分別測量感應(yīng)板的兩邊，通過位移傳感器等間距采樣并計(jì)算當(dāng)前的里程，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析后在顯示屏上顯示實(shí)時(shí)測量結(jié)果，測量小車采樣頻率高，可達(dá)到16kHz，測量精度0.04min，可進(jìn)行事件觸發(fā)(即發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)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。圖4 系統(tǒng)構(gòu)成圖圖5 主體示意圖 為了適應(yīng)全天候的氣候條件，尤其是避免白天強(qiáng)烈日照對激光頭采樣的影響，激光驅(qū)動(dòng)電路采用特殊設(shè)計(jì)使得激光頭的激光點(diǎn)強(qiáng)度能夠自適應(yīng)閉環(huán)，保證測量數(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(diǎn)是測量易受惡劣天氣

9、影響，且感應(yīng)板上有雜物時(shí)也會(huì)影響測量精度。 傳統(tǒng)測量法是采用人工方法對感應(yīng)板高度進(jìn)行抽樣測量，操作者將高度測量尺靠在軌道上，通過調(diào)節(jié)尺的游標(biāo)進(jìn)行測量，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(hào)線雙向全長達(dá)93.12km)，傳統(tǒng)的手工測量方法效率低，一天僅能測量約0.7km，工作強(qiáng)度高，而且是非連續(xù)測量，易造成漏檢的情況。激光測量小車的使用可以很好地替代手工測量，不但提高了工作效率，測量速度可達(dá)到3km/h，同時(shí)可以減輕操作者的工作強(qiáng)度和連續(xù)進(jìn)行測量，為感應(yīng)板管理人員提供了精確的技術(shù)參數(shù)，并便于測量數(shù)據(jù)的管理。最后將測得定子高度減去轉(zhuǎn)子(感應(yīng)板)高度即為直線電機(jī)氣隙值，從實(shí)測的數(shù)據(jù)表明廣州地鐵四號(hào)線直線電機(jī)氣隙值基本為11-12mm，滿足正常使用范圍要求。3 結(jié)束語 激光測距技術(shù)在廣州地鐵四號(hào)線直線電機(jī)車輛