第4讲激光测距技术及其应用

LINESCAN测量仪
仪器内部简化结构
39
便携式接触网导线几何参数检测系统
40
便携式接触网导线几何参数检测系统 2、检测仪器总体结构框图
与微机通信， 显示测量结果 SCI接口 RS232 SCI接口 RS232 扩展 总线 磨耗面宽度测 量输入 CAP 系统电源、 复位、时钟
倾角传感器
IIC
实时时钟
简要说明
45ps/90ps/180ps/360ps 2通道（共用1路start，2路stop） Ⅰ 短时间测量：0ps～10us Ⅱ 长时间测量：180ns～210ms 8种测量模式，高达10次多触发能力 2.7V～5.5V
温度范围 芯片工艺
应用场合
-40°C～85°C 0.6微米CMOS工艺，LQFP44封装
6
激光测距技术
检测难点：
s ct
激光光束在空气中的传播速度约 ，要想使测距分 辨率达到1mm，则电路计算激光传播时间的精度必须达到3ps。 国外研制出了名为‘Time to Digital Converter’芯片
(TDC)，专门用于测量高精度的时间差。现在的工艺水平已经
可以将时间的测量误差确定在几十ps内。
激光测距、相位测量、超声波定位、温度测量等
9
激光测距技术
2、相位激光测距
相位激光测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅 度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据 调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。
10
激光检测技术
激光相位法测距系统参数的确立：
cf


c 2lf

s
l
TI公司TMS320F2812 DSP
数据 总线 GPIO PWM
外扩SRAM
AD
AD采集电机 运转信息
AD采集激光 测距数据
液晶＋按键
控制步进 电机旋转
41
便携式接触网导线几何参数检测系统 3、核心部件选择
Banner LT3NI 激光测距传感器 DSP仿真器
步进电机
步进电机细分器
DSP控制板SEED-DEC2812
34
便携式接触网导线几何参数检测系统 2、导线参数计算原理
E
导线
E
导线

铅垂线
纵
m
O
l
D



源自文库横

水平线
O
激光扫描 始/终线

C I
F
B
A

H
G
h1
a、正视图
b、侧视图
35
便携式接触网导线几何参数检测系统 3、钢轨检测原理
O
扫描激光
A
6 5 4 3 2 5 4 3 2 1 1 6
B
钢轨检测
36
测量方法
激光扫描 测距 激光测距
可测量参数
导高和拉出值 轨距和外轨超高 导高和拉出值
精度
激光测距精度： ±3mm 导高：±2mm 拉出值：±5mm 精度：±20mm 精度：0.05mm
31
超声波测距 CCD测量接 触导线残高
导高和拉出值 导线磨耗
便携式接触网导线几何参数检测系统 3、国外几种导线磨耗检测系统
线火花烧损，使接触导线的额定截面损耗。
危害： 影响正常的供电、导致无线电干扰、加速接触导线磨 损、降低导线机械强度，严重的造成断线事故。 检测难度：
投入力量最多、研究时间最长、收效最小。
27
便携式接触网导线几何参数检测系统
二、设计目的和设计要求
检测意义：
1、静态测量：为工程施工和维修提供参考数据。 2、动态测量：为研究接触导线悬挂质量和机车 受流状态提供分析数据。 本设计目的：
便携式接触网导线几何参数检测系统 4、导线磨耗检测原理
接触线
磨耗面
E R A
C
F
R
接触线
h1 h2
B
E A B
F
磨耗面
激光束
A' E'
B' F'
阈值
磨耗面宽 度脉冲
N
激光出射点 O
37
便携式接触网导线几何参数检测系统 5、限界扫描原理
38
便携式接触网导线几何参数检测系统
五、检测仪器设计
1、检测仪器结构设计
42
便携式接触网导线几何参数检测系统
六、激光限界检测系统
1、初期试验平台搭建
被测目标 反光镜 LT3NI 步进电机
激光束旋转扫描
43
便携式接触网导线几何参数检测系统
2、激光传感器标定实验
44
便携式接触网导线几何参数检测系统
激光传感器标定原始数据
AD7892标定激光传感器－20051025 目标距离（ mm） 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 AD采集的电压值 （mV） 929.6651 929.6631 980.8344 1055.098 1124.015 1207.811 1302.112 1417.800 1498.202 1562.736 1637.451 1716.906 1802.857 目标距离 （mm） 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 室温21℃ AD采集的电压值 （mV） 2807.374 2890.710 2978.751 3074.146 3161.602 3248.023 3329.299 3407.849 3486.560 3565.976 3641.267 3729.988 3813.306
名称
1、WIRE CHECK-A2 系统（意），MEDES （西），ATON（荷）， WWS系统（德） 2、SURCAT系统
测量方法
照明－ 摄像－ 图像处理
磨耗测量精度
±0.2mm
国家
意大利
测量导线 残高 激光扫描
±0.1mm
法国
3、日本导线磨耗 检测系统
±0.2mm
日本
32
便携式接触网导线几何参数检测系统
设计‚便携式接触网导线几何参数检测系统‛，配合
供电段接触网检修人员快速检测接触网导线的高度、拉 出值和磨耗状态。
28
便携式接触网导线几何参数检测系统
三、国内外资料调研
检测方法：人工直接测量，便携检测仪和
检测车巡检。 非接触测量仪器： 超声波测量、激光扫描、图像处理法、 CCD成像测导线磨耗。 现有便携检测仪缺点：使用不方便，功能不全。
2、接触网导线
功能：由牵引变电所向电力机车输送电能；
电压：承受27.5kV的电压；
电流：承载几百至几千安的电流； 承力：承受电力机车受电弓几十米每秒的 滑动摩擦； 主要参数：导高、拉出值和磨耗；
使用环境：露天架设，环境恶劣，需经常
测量和检修；
23
便携式接触网导线几何参数检测系统
相位激光测距仪
激光三角法测距 2、激光测距仪的特点
测程远、测量精度高、结构小巧、携带方便；
快速、非接触式距离测量、激光对点准确； 受气象条件影响较大。 3、激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术。
4
激光测距技术
1、脉冲激光测距
脉冲激光测距原理：
脉冲激光 发射 Laser 滤波片 滤波片 时间延 迟检测
29
便携式接触网导线几何参数检测系统
1、现有常规检测手段
游标卡尺测量导线磨耗
便携式仪器检测
30
便携式接触网导线几何参数检测系统 2、国内几种接触导线检测仪器
名称
1、JJS激光接触 网速测仪 （研究中） 2、DJJ多功能 激光接触网 检测仪 3、TJC超声波接触 网测量仪 4、YDMC便携 式导线磨耗 带电测量仪
信息： 按照2008年，激光测距仪全球销量排名如下：
1. 美国图雅得Trueyard
2. 德国奥尔法ORPHA 3. 美国博士能BUSHNELL 4. 加拿大纽康NEWCON 5. 日本尼康NIKON测距仪 6. 德国奥卡OPTI-LOGIC测距仪
19
激光检测技术
专题报告1：
便携式接触网导线几何参数检测系统
Messdaten berechnete Punkte 45
40
35
30
25
[mm]
20 15 10 5 0 1 101 201 301 401 501 601 701 * 0.1 [m m ] 801 901 1001 1101 1201 1301 1401
17
激光检测技术
二维激光测量系统
18
激光检测技术
反射脉冲 激光 APD 波峰检测
DSP系统控制、信 号处理、显示输出
模拟 控制
5
激光测距技术
激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模） 电源 物镜 发射望远系统 小孔光阑 接收光学系统 干涉滤光片 光电探测器 低噪声宽带放大器 整形电路
发射系统
脉 冲 激 光 测 距 仪
接收系统
门控电路
时钟脉冲振荡器 计数显示器
45
便携式接触网导线几何参数检测系统
求解拟盒曲线
Matlab拟合函数
标定后的拟合函数：
y 0.8322 x 571.2398
46
便携式接触网导线几何参数检测系统 4、采样轮廓信息复原
135° 90° 45°
窗帘轨道
180°
360°
225°
315°
三脚支架 遮挡处
扫描房屋轮廓复原图
47
便携式接触网导线几何参数检测系统 5、激光限界检测仪器
《传感器及其应用》
讲师：彭朝勇 2011.4.19
1
激光测距技术
第4讲 激光测距技术及其应用
2
激光测距技术 目 录
一、激光测距概述
1、脉冲激光测距
2、相位激光测距
3、激光三角法测距
二、激光测距应用专题
便携式接触网导线几何参数检测系统
3
激光测距技术
一、激光测距概述
1、激光测距仪的类型 脉冲激光测距仪
四、激光扫描测量原理
系统测量原理
33
便携式接触网导线几何参数检测系统 1、仪器工作原理
手捧仪器，站在枕木上，面向铁路线路方向。 启动仪器，等待数秒使系统工作稳定后，开启激光 扫描按钮，使激光束旋转扫描一周。 激光测距内外钢轨和导线到测量仪器的距离，以及
对应的角度
计算出实际导线高度、拉出值、轨距和外轨超高。 对扫描导线时雪崩光电二极管接收到的光电转换信 号进行处理，得到导线磨耗面宽度。 输出显示测量结果。
c 3 10 8 l 15m 6 2f 2 10 10
11
激光检测技术
系统总体框图
12
激光测距技术
数字检相电路波形变换图
13
激光测距技术
中频相位差信号处理：
14
激光检测技术
3、激光三角法测距
15
激光检测技术
激光三角法测量原理
16
激光检测技术
便携式车轮外形测量系统
Prüfmessung auf DIN-Profil E1423-135 mit OPTIMESS 48 CHPVS, OMS15007-2504, Soll Sh: 28.00 [mm] Ist: 27.94 Soll Sd: 32.60 [mm] Ist: 32.58 Soll Qr: 10.80 [mm] Ist: 10.77
线在定位点处相对于线路中心的距离，称为拉出值。
‘之’字布线目的：延长受电弓的使用寿命，使滑板 磨耗均匀。
25
便携式接触网导线几何参数检测系统 接触导线磨耗（磨耗，Catenary Wire Wear ）
不同磨损程度的接触导线
26
便携式接触网导线几何参数检测系统 接触导线磨耗
产生原因： 电力机车受电弓与接触导线间相互摩擦以及离
3、接触网导线几何参数
拉出值
接触导线
接触网导线‘之’字布线
24
导线高度
便携式接触网导线几何参数检测系统
接触网导线高度（导高，Contact Wire Height ）
定义：接触导线高度是指在悬挂点处，
接触导线与两轨顶面连线的垂直距离。
高度范围：最低5370mm ，最高6450mm。 接触网导线拉出值（拉出值，Pull Out Value ） 定义：接触导线在线路的直线区段被布置成‘之’字 形，在曲线区段被布置成折线。直线区段上，接触导
c 2f


S

l 2

l c 2 4 f
l 越小， f 则越大， f 越大对电路系统的要求就越高
，又增加了检测装置的成本。因此我们在满足检测精度
的前题下，适当增大检测距离，可降低对器件的要求。 如果选择调制信号频率，即本振频率
f L ＝10.000MHz 。此时该设计的检测范围为：
c f c 2lf
2005年12月15日
20
便携式接触网导线几何参数检测系统
目
录
接触网导线参数 设计目的和设计要求 国内外资料调研 系统测量原理 系统具体设计 实验及现场演示
21
便携式接触网导线几何参数检测系统
一、接触网导线参数
1、接触网（ Catenary）
电力机车受流
22
便携式接触网导线几何参数检测系统
7
激光测距技术
采用TDC芯片的脉冲激光测距仪
激光驱动 单元
激 光 器
晶振 总线
单片机 SST89E564RD
TDC502
分光片 反 光 板 接收1 接收2 STOP START
控制
RS232
液晶 显示
按键 输入
8
激光测距技术
表 TDC502主要技术特点（5V，25°C） 技术参数
典型精度 测量通道 测量范围 测量模式 供电电压