轨道激光起拨测量仪的研制和应用

轨道激光起拨测量仪的研制和应用

邹森涛

西安市轨道交通集团有限公司运营分公司 陕西西安 710016

摘要：目前在线路维修作业中，对于起道和拨道往往是靠弦线及目测进行作业，这样精确度往往不高而且作业效率低。随着高速铁路及城市轨道的跨越式发展，现在很多线路都是夜间维修天窗，这样对于线路的起道和拨道作业往往是一大挑战，因为在夜间照明不足的情况下，无法精确的进行起道和拨道作业。在综合考虑这些因素之后，应研制一款轨道激光起拨测量仪，它可以应用于任何环境作业，更适用于夜间作业。

关键词： 轨道 激光 测量 仪器

1国内外现状

目前在轨道维修领域主要通过现场人工目测结合弦线起道拨道作业，该方法存在如下问题：

1.1精确度不高

现场起道拨道作业往往是作业负责人站在远处目测，两名工人在一定距离内使用液压起拨道机进行作业，由于目测者与作业人员有一定距离，当起道拨道量足够时，目测者打手势喊停时，作业人员往往不能立即停止，这样很容易造成起道拨道超量，由于采用目测起拨道，精确度往往不高。

1.2作业环境影响

随着高速铁路及城市轨道交通的跨越式发展，现在很多线路都是夜间维修天窗，这样对于线路的起道和拨道作业往往是一大挑战，因为在夜间照明不足的情况下，目测起道拨道作业非常不便。而水准仪和经纬仪测量，在夜间又无法良好的使用。

1.3劳动强度大

通过弦线测量拨道作业，需要三人配合作业。在作业过程中，两名作业人员需要沿途拉抻弦线，一人用钢尺测量数据，然后才能根据数据进行拨道作业，工作强度较大。

2现状调查

我们通过对现场调查分析，发现不管是铁路还是城市轨道交通行业都存在夜间天窗起道、拨道作业质量较差的问题，起道拨道优良率不高，经调查发现影响起道拨道作业质量的主要原因有：

（1）夜间天窗作业照明不足；

（2）采用拉弦线及目测进行起道拨道作业，工作效率低且精确度往往不高；

（3）水准仪和经纬仪操作复杂，携带不便，更无法在夜间使用，且在线路上使用经纬仪，下道不及时的情况下影响人身安全。

3目标可行性分析

通过对实际情况的调查，我们研制轨道激光起拨测量仪主要有三方面有利因素。

（1）起道拨道作业是由于受“夜间环境”和“精确度”两项因素造成的，克服它们将使优良率得到最大程度的提高；

（2）研制人员对施工现场具有丰富的经验，解决问题能力强，所以研制轨道激光起拨测量仪有一定得基础；

（3）随着现代科学技术的发展，激光技术已经发展成熟，可以在相关成熟技术的基础上进行进一步研究及借鉴，未来激光仪器的应用将更加广泛。

所以研制轨道激光起拨测量仪是可行的，由于激光的单色性好、方向性强等特点，与传统测量方式相比，轨道激光起拨测量仪不仅可以日夜作业、而且能提高测量精度，显著减少重量和功耗，将很大程度上提高线路维修质量和工作效率。

4仪器方案的确定

仪器的主要原理是：主仪器通过光学原理产生直径不大于2mm的可见光斑，通过光斑在测量尺上的投影读取数据，

4.1方案制定

我们结合实际情况确定了两种方案:（1）LED灯发出的光，通过一个聚光组件和一个放大组件被聚在一个点上，从而产生可见光斑，通俗一点就是一个不散光的手电筒（枪械瞄准器原理）；（2）采用激光发射器，在工作时向目标射出一束很细的激光，从而产生激光光斑（普通激光笔原理）。

4.2方案对比

（1）第一种方案的优点主要为：原理简单，制作方便，价格便宜；缺点为：方向性不好，光斑直径在20米以内才能保证小于2mm；

（2）第二种方案的优点主要为：激光具有普通光所不具有的特点即单色性好、相干性好、方向性好；缺点为：原理复杂，光斑直径在150米以内能保证小于2mm的特殊激光发射器价格昂贵。在这里我们对激光的单色性好、相干性好、方向性好做一解释，①单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源；②相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好，激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现；③方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线 ，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1000公里以上。

4.3方案确定

通过对比分析，我们决定采用激光作为研制主仪器的方向。为了解决特殊用途激光发射器价格昂贵的问题，我们将采用光学准直原理对普通激光器进行准直，从而达到仪器参数要求，使光斑直径在150米以内能保证小于2mm，以便用于精确测量。

需解决的技术性难题：普通激光发射器光斑直径一般在30米范围内才能保证不大于2mm，这就需要对普通激光发射器进行准直，从而使光斑直径达到理想效果。

所以需要我们研究影响激光光斑大小的因素，光斑大小受多种因素的影响。 其中最重要的因素有：

• 衍射

• 激光模式 (M²)

• 球差

（1）衍射

光具有波的性质，因此不可避免地会出现衍射现象，该现象存在于所有的光学系统中，能够决定这些系统在性能方面的理论限值。衍射会使光束在传播过程中发生横向扩展。如果在对某个准直激光光束进行聚焦时使用的是一个“理想” 透镜，那么光斑的大小将只受衍射作用的影响。计算光斑大小的公式如下：

这一等式可以用来计算由非球面透镜产生的光斑大小，衍射产生的最重要的影响是，它使光斑大小随焦距线性增加，但与光束的直径成反比。因此，如果某个特定透镜的输入激光光束直径增加，由于衍射变弱，光斑会变小。而且，如果对于某个特定激光光束，当焦距减小时，光斑也会变小。

（2）M²-激光模式参数

正如在上一个公式中看到的那样，焦点的大小与激光模式参数，即M²成正比。M²表示某条特定光束在传播过程中的发散速度，这个参数是用高级仪表测出的，激光器制造商的规格中也会提供这一参数。

（3）球差

球差会使光斑的尺寸增大，并将最佳聚焦点移到与计算出的有效焦距不同的位置上。球差是一个与多种因素有关的函数，这些因素包括透镜形状、朝向和折射率。

4.4激光准直

准直，就是给出一条标准的直线作为测量的基准线，从而使光斑直径达到理想效果，准直激光束的方法：

（1）倒置望远镜法；

（2）菲涅尔波带片法；

（3）相位板法；

（4）超细光束法。

经 过研究对比分析我们采用倒置望远镜法对激光进行准直，准直原理如下图所示：

组合型准直系统

准直系统简单的说就是由两个透镜组成，即两个不同焦距长度的共焦的凸透镜，或者一个凸透镜加一个凹透镜（凸透镜实焦点和凹透镜虚焦点重合），即类似于望远镜的构造，把扩束器倒过来就可以把光斑变小。

5仪器构造的确定

仪器的构造主要由三部分组成：主仪器、底座、测量尺

5.1主仪器结构

主仪器的功能主要是产生激光源，它由外瞄准器、激光调焦螺栓、圆水准器、刻度盘、定平螺栓、基座、水平制动螺栓、激光准直镜八部分组成，激光具有单色性好、相干性好、方向性好的特点，激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，所以利用激光测量起拨道作业，精确度将有很大的提高。

5.2底座结构

底座主要起到放置主仪器的作用，它主要由支架顶座、支架A、仪器固定螺栓、支架调高螺栓、支架B、刻度尺、水平对中微调螺栓、支架基座八部分组成，该仪器支架基座，采用双层钢板焊接而成，外层钢板厚度较大，内层钢板厚度较小，两层钢板之间均匀布满高强磁铁，与钢轨顶面能保持良好的磁力，通过磁铁吸力从而达到固定仪器的作用。相比采用普通螺栓固定的仪器，它安装使用方便，可以保证在来车时即时取下，从而减少了影响行车安全的因素。

5.3测量尺结构

测量尺主要起到读数的作用，它通过激光在尺面的光斑，读取数据，它由竖尺、调节螺栓、横尺、测量尺基座、旋转轴五部分组成。

6仪器的使用方法

6.1仪器的优点

（1）该仪器支架基座，采用双层钢板焊接而成，外层钢板厚度较大，内层钢板厚度较小，两层钢板之间均匀布满高强磁铁，与钢轨顶面能保持良好的磁力，通过磁铁吸力从而达到固定仪器的作用。相比采用普通螺栓固定的仪器，它安装使用方便，可以保证在来车时即使取下，从而减少了影响行车安全的因素。

（2）仪器激光发射器采用绿光，避免了影响行车信号。

（3）采用激光测量精度及作业效率较高。

6.2仪器的使用方法

（1）将主仪器与支架底座通过固定螺栓固定牢靠，固定时要通过主仪器角度刻度盘与支架顶座对中线将仪器对中。

（2）将仪器粘贴于钢轨顶面，通过底座水平对中微调螺栓及支架基座刻度尺，将仪器与钢轨顶面对中。也可以将仪器底座和测量尺底座统一以钢轨头部非作用边为基准，进行测量即可。

（3）对中后调节主仪器定平螺栓，使水准气泡居中。

（4）开启激光发射器，使测量尺在钢轨顶面来回移动，通过激光圆点在测量尺上的投影，就可以读出尺子上的读数，通过数值大小确定起道拨道量。

7结束语

轨道激光起拨测量仪的研制，改变了目前在线路维修作业中，对于起道和拨道往往是靠弦线及目测进行作业的现状，使起道拨道作业精确度得到了很大的提高。随着高速铁路及城市轨道的跨越式发展，现在很多线路都是夜间天窗，在夜间照明不足的情况下，轨道激光起拨测量仪的研制，使起道和拨道作业将不再是一大挑战，它可以适用于任何环境作业，更适用于夜间作业，在很大程度上提高了工作效率和作业质量。

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