一种钢轨几何面型的检测系统及其检测方法

技术领域

本发明实施例涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种钢轨几何面型的检测系统及其检测方法。

背景技术

钢轨表面检测方案可分为静态检测和动态检测两大类。静态检测主要采用轨头磨损测量仪、断面记录仪等几何测量仪器对轨面进行接触式测量，该方案要求人工测量，操作繁琐、效率有限。动态检测主要采用以光电检测技术为基础的测量系统对轨道轮廓进行实时测量，该系统通常包括激光器、光学传感器、计算存储设备等，目前已应用的光学传感器采用点阵CCD或线阵CCD，该系统的测量速度要求CCD的响应频率小、数据处理速度高，导致整套测量系统成本较高，且测量精度受CCD像素大小和轮廓提取算法精度影响。由于列车的运行速度很快，测量系统的测量频率将直接影响轨面几何参数测量的连续程度。

随着铁路运输的密度、速度、里程不断提高，对钢轨的检测提出更高的要求。钢轨的几何轮廓随着轮轨摩擦接触发生形变，产生安全隐患，需要定期进行钢轨打磨，保证轨面的变形量在安全区间，并减小轮轨匹配的摩擦损耗，从而降低运营风险和运行成本。目前，钢轨的轨面几何参数检测还存在检测设备成本高，检测精度低的问题。

发明内容

本发明提供了一种钢轨几何面型的检测系统及其检测方法，通过检测钢轨顶面和内侧面的平面角度变化，实现钢轨的面型检测，具有响应速度快、数据处理简单、测量精度高等特点。

第一方面，本申请提供了一种钢轨几何面型的检测系统，检测系统包括控制模块和角度探测模块，所述控制模块与所述角度探测模块电连接；所述角度探测模块包括激光光源、分光单元、顶面探测单元和内侧面探测单元；

所述激光光源用于出射准直光束，所述分光单元位于所述准直光束的光轴上，所述准直光束经所述分光单元分束为传播方向不同的第一光束和第二光束；

所述顶面探测单元包括沿第一方向依次设置的第一探测器、第一立体偏振分光镜、第一透镜和第一1/4波片，所述内侧面探测单元包括沿第二方向依次设置的第二探测器、第二立体偏振分光镜、第二透镜和第二1/4波片；

所述第一立体偏振分光镜的反射面位于所述第二光束的光轴上，所述第二光束经所述顶面探测单元调光后照射在钢轨的顶面；所述第二立体偏振分光镜的反射面位于所述第一光束的光轴上，所述第一光束经所述内侧面探测单元调光后照射在钢轨的内侧面；

其中，所述第一方向与所述第一光束的光轴方向平行，所述第二方向与所述第二光束的光轴方向平行。

可选的，检测系统还包括位置探测模块，所述控制模块包括同步信号采集单元和处理/存储单元；

所述同步信号采集单元分别与所述处理/存储单元、所述位置探测模块、所述顶面探测单元和所述内侧面探测单元电连接。

可选的，所述位置探测模块包括MEMS三轴加速度计。

可选的，所述分光单元包括立体分光镜或者半透半反镜。

可选的，所述第一探测器位于所述第一透镜的焦点上，所述第二探测器位于所述第二透镜的焦点上。

第二方面，本发明实施例还提供了一种钢轨几何面型的检测方法，应用于第一方面提供的检测系统，所述检测方法包括：

控制激光光源出射准直光束；

接收第一探测器探测到的钢轨顶面的顶面角度参数；

接收第二探测器探测到的钢轨内侧面的内侧面角度参数；

根据所述顶面角度参数和所述内侧面角度参数，确定所述钢轨顶面的面型。

可选的，所述检测系统还包括控制模块和位置探测模块，所述控制模块包括同步信号采集单元和处理/存储单元；

接收第一探测器探测到的钢轨顶面的顶面角度参数之后，还包括：

接收位置探测模块输出的参考坐标系中的单位向量坐标；

根据所述顶面角度参数和所述内侧面角度参数，确定所述钢轨顶面的面型，包括：

根据所述顶面角度参数、标准顶面角度修正参数以及顶面坐标变换公式，获得所述钢轨顶面在所述参考坐标系中的顶面法向量坐标；

根据所述顶面法向量坐标，确定所述钢轨顶面的倾角；

根据所述内侧面角度参数、标准内侧面角度修正参数以及内侧面坐标变换公式，获得所述钢轨内侧面在所述参考坐标系中的内侧面法向量坐标；

根据所述内侧面法向量坐标，确定所述钢轨内侧面的倾角。

可选的，在所述顶面坐标变换公式中，所述钢轨顶面的法向量表示为：

；

其中，（X,Y,Z）为参考坐标系中加速度计输出的单位向量坐标，（X

可选的，在所述内侧面坐标变换公式中，所述钢轨内侧面的法向量表示为：

；

其中，（X，Y，Z）为参考坐标系中加速度计输出的单位向量坐标，（X

可选的，在根据所述顶面法向量坐标，确定所述钢轨顶面的倾角之后，所述检测方法还包括：

根据所述钢轨顶面的倾角与标准顶面倾角的比较结果，确定所述钢轨顶面的磨损程度。

在根据所述内侧面法向量坐标，确定所述钢轨内侧面的倾角之后，所述检测方法还包括：

根据所述钢轨内侧面的倾角与标准内侧面倾角的比较结果，确定所述钢轨内侧面的磨损程度。

综上，本申请提供的一种钢轨几何面型的检测系统，激光光源出射的准直光束经分光单元分束为传播方向不同的第一光束和第二光束，部分第二光束经第一立体偏振分光镜反射后依次透过第一透镜和第一1/4波片后照射在钢轨的顶面，再经钢轨的顶面反射后进入第一探测器，部分第一光束经第二立体偏振分光镜反射后依次透过第二透镜和第二1/4波片照射在钢轨的内侧面，在经钢轨的内侧面反射后进入第二探测器，选用四象限探测器作为位置感光器件，利用第一光束和第二光束同时实现钢轨顶面和内侧面的平面角参数测量，当轨面发生磨耗，会引起测量光束的角度发生偏转，探测器通过感知激光光斑的位置变化实现平面角度测量，实现钢轨的面型检测，该测量系统具有响应速度快、数据处理简单、测量精度高、成本低等特点。

附图说明

图1是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的检测系统的示意图；

图2是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的检测系统的应用示意图；

图3是发明实施例提供的另一种钢轨几何面型的检测系统的示意图；

图4是发明实施例提供的另一种钢轨几何面型的检测系统的示意图；

图5是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的光路检测原理示意图；

图6是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的检测方法的示意图；

图7是发明实施例提供的另一种钢轨几何面型的检测方法的示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例基于激光自准直原理，提供了一种包含激光测角传感器的钢轨几何面型检测系统，通过测量轨面的平面角来判断轨面的磨耗程度。图1是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的检测系统的示意图，图2是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的检测系统的应用示意图。结合图1和图2所示，本发明实施例提供的一种钢轨几何面型的检测系统包括角度探测模块10和控制模块20，控制模块20与角度探测模块10电连接；角度探测模块10包括激光光源11、分光单元12、顶面探测单元13和内侧面探测单元14；激光光源11用于出射准直光束S0，分光单元12位于准直光束S0的光轴上，准直光束S0经分光单元12分束为传播方向不同的第一光束S1和第二光束S2。顶面探测单元13包括沿第一方向（如图中Z方向所示）依次设置的第一探测器131、第一立体偏振分光镜132、第一透镜133和第一1/4波片134，内侧面探测单元14包括沿第二方向（如图中X方向所示）依次设置的第二1/4波片141、第二透镜142、第二立体偏振分光镜143和第二探测器144；第一立体偏振分光镜132的反射面位于第二光束S2的光轴上，第二光束S2经调光后顶面探测单元13照射在钢轨的顶面；第二立体偏振分光镜143的反射面位于第一光束S1的光轴上，第一光束S1经内侧面探测单元14调光后照射在钢轨的内侧面。其中，第一方向（如图中Z方向所示）与第一光束S1的光轴方向平行，第二方向（如图中X方向所示）与第二光束S2的光轴方向平行。

具体的，结合图2所示，检测系统设置在图2中的虚线框的安装位置处，轮对与钢轨为刚性连接，本发明实施例提供的钢轨几何面型的检测系统固定在悬架上，车体的两侧悬架各安装一套测量系统，分别测量左右钢轨几何面型。结合图1所示，测量系统采用激光器作为激光光源11，用于出射准直光束S0，其具有单色性好、相干性高、方向性强等优势，如采用473nm蓝光激光器、532nm绿光激光器、671nm红光激光器、1064nm红外激光器等。在准直光束S0的光轴上设置分光单元12，利用分光单元12分光的方式将准直光束S0分束成传播方向相互垂直的第一光束S1和第二光束S2，如图中所示，第一光束S1的光轴方向与图中Z方向平行，第二光束S2的光轴方向与图中X方向平行。

通过在第二光束S2的光轴上设置顶面探测单元13，在第一光束S1的光轴上设置内侧面探测单元14，顶面探测单元13中第一探测器131和内侧面探测单元14中的第二探测器144采用四象限探测器，其具有成本低的优势，同时四象限探测器输出模拟量，系统的测量频率受采集电路的采样频率限制，四象限探测器的采样频率可达到100MHz以上，相比于现有技术中的CCD相机的方案，大幅提升了检测系统的检测效率。

进一步，利用偏振分光镜的分光原理，第二光束S2中的S偏振光经第一立体偏振分光镜132反射后再经第一透镜133汇聚后透过第一1/4波片134照射在钢轨顶面，部分S偏振光被钢轨顶面反射后依次透过第一1/4波片134、第一透镜133再次进入第一立体偏振分光镜132，由于S偏振光两次经过第一1/4波片134，S偏振光的偏振方向发生90°旋转，变为P偏振光，P偏振光透过第一立体偏振分光镜132后射向第一探测器131，后进入第一探测器131的感光面，第一探测器131基于激光自准直原理，输出钢轨顶面的平面角度（α

由于采用立体偏振分光镜和1/4玻片，可以有效避免测量光束回射到激光器中，降低由于回返激光引起激光器发出的测量光强度不稳定现象。

其中，以立体偏振分光镜的反射面为参考平面，光线的偏振矢量在这个平面内，则称为P偏振光，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏振光。

本申请选用四象限探测器作为位置感光器件，利用第一光束S1和第二光束S2同时实现钢轨顶面和内侧面的平面角参数测量，当轨面发生磨耗，会引起测量光束的角度发生偏转，传感器中的探测器通过感知激光光斑的位置变化实现平面角度测量，具有响应速度快、数据处理简单、测量精度高等特点。

一种可行的实施方式，本发明实施例还提供了一种钢轨几何面型的检测系统，图3是发明实施例提供的另一种钢轨几何面型的检测系统的示意图。结合图2和图3所示，该检测系统还包括控制模块20和位置探测模块30，控制模块20包括同步信号采集单元21和处理/存储单元22；同步信号采集单元21分别与处理/存储单元22、位置探测模块30、顶面探测单元13和内侧面探测单元14电连接。

具体的，结合图2-图3所示，在列车行进过程中，安装在车体悬架上的测量系统实时监测钢轨几何面型，由于列车的运动，使得测量系统与钢轨的姿态不断变化，基于此，在测量系统中设置位置探测模块30，可选的，位置探测模块30包括MEMS三轴加速度计。采用MEMS三轴加速度计为测量系统提供标准参考坐标系，同步信号采集单元21实时采集顶面探测单元13和内侧面探测单元14内两个探测器和MEMS加速度计输出的测量信号，处理/存储单元22经过滤波和坐标换算后获得轨面的轨面参数。其中，轨面参数指的是钢轨顶面和内侧面在标准参考坐标系内与坐标轴的夹角，即平面角。结合图5所示，由于激光自准直测角的大小与测量距离L无关，使得钢轨顶面和内侧面与透镜之间的距离L变化对测量面的平面角度（α，β）测量无影响，因此，列车行进过程中，有利于减小车体振动对传感器在水平和垂直方向的影响，保证钢轨几何面型的测量结果准确性以及测量精度。

图4是发明实施例提供的另一种钢轨几何面型的检测系统的示意图。一种可行的实施方式，分光单元12包括立体分光镜，如图1和图3所示；一种可行的实施方式，分光单元包括半透半反镜，如图4所示。半透半反镜指的是入射光束在镜片的入射平面部分透过，部分反射。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种钢轨几何面型的检测方法，应用于上述实施例提供的检测系统。图5是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的光路检测原理示意图；图6是发明实施例提供的一种钢轨几何面型的检测方法的示意图。结合图1、图2、图5和图6所示，本发明实施例提供的钢轨几何面型的检测方法包括：

S101、控制激光光源出射准直光束。

S102、接收第一探测器探测到的钢轨顶面的顶面角度参数。

其中，钢轨顶面的顶面角度参数指的是钢轨顶面的平面角度。

S103、接收第二探测器探测到的钢轨内侧面的内侧面角度参数。

其中，钢轨顶面的内侧面角度参数指的是钢轨内侧面的平面角度。

具体的，结合图1、图2、图5和图6所示，在钢轨几何面型检测过程中，控制模块20控制激光光源11出射准直光束S0，经分光单元12分束成传播方向垂直的第一光束S1和第二光束S2，利用偏振分光镜的分光原理，第二光束S2中的S偏振光经第一立体偏振分光镜132反射后再经第一透镜133汇聚后透过第一1/4波片134照射在钢轨顶面，部分S偏振光被钢轨顶面反射后依次透过第一1/4波片134、第一透镜133再次进入第一立体偏振分光镜132，由于S偏振光两次经过第一1/4波片134，S偏振光的偏振方向发生90°旋转，变为P偏振光，P偏振光透过第一立体偏振分光镜132后射向第一探测器131，后进入第一探测器131的感光面，第一探测器131基于激光自准直原理，输出钢轨顶面的平面角度（α

具体的，结合图1和图5所示，以内侧面探测单元14测量钢轨内侧面的平面角度（α

；（1）

同理，在YZ平面内，在Y方向的移动距离为y（图中未示出），且满足公式2：

；（2）

结合公式（1）和（2）可知，第二探测器144输出光斑位置为（α

需要说明的是，顶面探测单元13测量钢轨顶面的平面角度（α

S104、根据顶面角度参数和内侧面角度参数，确定钢轨顶面的面型。

具体的，控制模块20根据接收到的第一探测器131探测到的钢轨顶面的顶面角度参数以及第二探测器144探测到的钢轨内侧面的内侧面角度参数，即钢轨顶面的平面角度（α

在上述实施例的基础上，在列车行进过程中，安装在车体悬架上的测量系统实时监测钢轨几何面型，由于列车的运动，使得测量系统与钢轨的姿态不断变化，基于此，在测量系统中设置位置探测模块30，控制模块20包括同步信号采集单元21和处理/存储单元22。图7是发明实施例提供的另一种钢轨几何面型的检测方法的示意图。结合图3、图4和图7所示，本发明实施例提供的另一种钢轨几何面型的检测方法包括：

S201、控制激光光源出射准直光束。

S202、接收第一探测器探测到的钢轨顶面的顶面角度参数。

S203、接收第二探测器探测到的钢轨内侧面的内侧面角度参数。

继续参考上述实施例中图1所述。

S204、接收位置探测模块输出的参考坐标系中的单位向量坐标。

S205、根据顶面角度参数、标准顶面角度修正参数以及顶面坐标变换公式，获得钢轨顶面在参考坐标系中的顶面法向量坐标。

S206、根据顶面法向量坐标，确定钢轨顶面的倾角。

具体的，由于第一探测器131和第二探测器探144这两个探测角传感器的输出信号分别为钢轨顶面和内侧面的二维角度，理论上钢轨的轨面角度为上述两个输出信号的耦合，然而实际上由于第一探测器131以及第二探测器探144的坐标和MEMS三轴加速度计的坐标存在角度偏差，因此，需要在使用前对第一探测器131以及第二探测器探144的坐标进行标定。

示例性的，假设初始状态下，结合图3和图4所示，钢轨顶面的法向量与参考坐标系的Z轴平行，钢轨内侧面的法向量与参考坐标系的X轴平行。由于第一探测器131以及第二探测器探144的坐标和MEMS三轴加速度计的坐标存在姿态偏差，记录此时角度传感器中第一四象限探测器131输出的平面角度为（α

列车行进过程中，安装在车体悬架上的测量系统与钢轨的姿态不断变化，当钢轨平面倾角发生变化时，此时，同步信号采集单元21同时获取到MEMS三轴加速度计输出的参考坐标系中的单位向量坐标（X,Y,Z），第一探测器131输出的平面角度（α

处理/存储单元22经过信号处理和分析，根据平面角度（α

在顶面坐标变换公式中，钢轨顶面的法向量表示为：

；

其中，（X，Y，Z）为参考坐标系中加速度计输出的单位向量坐标，（X

进一步，处理/存储单元22根据钢轨顶面的法向量（X

其中，钢轨顶面与坐标系X轴夹角α

S207、根据内侧面角度参数、标准内侧面角度修正参数以及内侧面坐标变换公式，获得钢轨内侧面在参考坐标系中的内侧面法向量坐标。

S208、根据内侧面法向量坐标，确定钢轨内侧面的倾角。

具体的，处理/存储单元22经过信号处理，根据平面角度（α

在内侧面坐标变换公式中，钢轨内侧面的法向量表示为：

；

其中，（X，Y，Z）为参考坐标系中加速度计输出的单位向量坐标，（X

进一步，处理/存储单元22根据钢轨内侧面的法向量（X

其中，钢轨内侧面与坐标系Y轴夹角α

S209、根据钢轨顶面的倾角与标准顶面倾角的比较结果，确定钢轨顶面的磨损程度。

具体的，处理/存储单元22根据调取内部存储的标准顶面倾角范围，若计算获得的钢轨顶面的倾角（α

S210、根据钢轨内侧面的倾角与标准内侧面倾角的比较结果，确定钢轨内侧面的磨损程度。

具体的，处理/存储单元22根据调取内部存储的标准内侧面倾角范围，若计算获得的钢轨内侧面的倾角（α

本申请采用MEMS三轴加速度计为测量系统提供标准参考坐标系，同步信号采集单元实时采集顶面探测单元和内侧面探测单元内两个探测器和MEMS加速度计输出的测量信号，处理/存储单元经过滤波和坐标换算后获得轨面的轨面参数。由于采用激光自准直原理测角，使得钢轨顶面和内侧面与透镜之间的距离变化对测量面的平面角度（α，β）测量无影响，有利于减小列车行进过程中车体振动对传感器在水平和垂直方向的影响，保证钢轨几何面型的测量结果准确性以及测量精度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。