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1、工装设备 机车车辆工艺 第4期2005年8月 文章编号:100726034(2005)0420030203线阵CCD摄像技术在接触导线磨耗检测中的应用青 莉,高晓蓉(西南交通大学理学院,四川成都610031)摘 要:阐述了线阵CCD基本结构和原理,介绍了国内外几种利用线阵CCD进行磨耗检测的技术及相关原理。关键词:线阵CCD;接触导线;磨耗检测+中图分类号:U225.41文献标识码:B 在电气化铁路中,电力机车通过受电弓从接触电荷是光生电子,从而实现光积分
2、。各个光敏元中网获取电能。接触线变形、振动并由此引起交替的所积累的光电荷与该光敏元所接收到的光照度成正应力变化、机车运行方式、取流状态等多种因素使接比,也与光积分时间成正比。在光积分结束的时刻,触线既有机械磨损又有电气磨损,当磨耗面达到一转移栅上的电压提高,形成电子通道;而CCD对应定程度时将导致断线。综合接触线磨耗方面的研究的电极也同时处在高电压状态,然后降低梳状电极情况,各国已开始利用CCD成像技术来检测接触导电压,这样便确定了光电子流向,于是各光敏元件中线的磨耗。由于线阵CCD测量精度高、扫描频率所积累的
3、光生电荷并行地转移到移位寄存器中[1]高,对于高速运动物体也能形成高分辨率的图像,(CCD基本单元)。当光电荷转移完毕后,转移栅电所以在铁路接触线磨耗动态检测中备受青睐。位降低,使电子通道消失,而梳状电极电压回复到原[2]来的高电压状态,以迎接下一次光积分周期。同时,1 线阵CCD的工作原理在CCD上加时钟脉冲,将存储的电荷迅速从CCD中线阵CCD图像传感器由1列感光单元(光敏元转移,并在输出端串行输出。这个过程重复进行就件)与1列CCD并行构成,在它们之间有1个转移得到相继的行输出,从而读出电荷图形。为避免在
4、控制栅,每个感光单元都与1个电荷耦合元件相对电荷转移到输出端的过程中产生寄生的光积分,应,单行结构如图1所示(双行再并排1个单行结构CCD上必须加一层不透光的覆盖层,以避免光照。即可)。每个感光单元是1个耗尽型的MOS电容器,具有1个梳状公共电极,以及被称为沟阻的高浓2 检测系统度P型区,使各个感光单元在电气上彼此隔离。目前采用线阵CCD检测导线磨耗都是通过对接触导线合理照明,采用图像处理分析的方法得到接触线在CCD上的成像位置,从而计算出接触导线的磨耗。[3-4]2.1 采用1套CCD检测该检测装置主要是应用
5、在国内接触导线磨耗便图1 线形CCD图像传感器结构携式测量中。该遥测仪主要由检测装置和地面接收 光照在光敏单元上,在光敏元内产生电子—空装置两部分组成。检测装置由光学成像系统、CCD穴对,由于在梳状电极上加高电位,光敏元收集的光线列及驱动电路、视频处理电路、红外发射电路及稳功率电源等组成,其结构框图如图2。收稿日期:2005-04-20 测量时光学照明系统产生一束平行光,从接触作者简介:青莉(1977-),女,四川成都人,西南交通大学理学院在读研究生,研究方向:光电检测及信息处理。线侧面平行射入,导线经过光
6、学成像系统成像在30线阵CCD摄像技术在接触导线磨耗检测中的应用CCD线阵面上,并在相应像元中获得一定宽度的脉冲信号,该信号经视频处理后变成二值化信号,经调制后发射出去,地面接收装置将接收的特征信号解调后经单片机系统计算出导线残留高度及磨耗百分比,直接显示数据。具体检测光路原理图见图3。图4 两个CCD检测的三角测量原理个CCD光轴的交点为原点建立一个平面直角坐标系,x轴平行于基线。CCD1的中心位于点S1,CCD2的中心位于点S2,
7、S1S2
8、=d0为基线长度,即2个CCD中心的安装距离。OS1与x轴的交角为
9、α0,OS2与x轴的交角为β0,安装时约定为α0=β0。点M在2个CCD上成像的像高分别为h1、h2,且设定h1在光轴OS1之上为正,在OS1之下为负(同理设置h2),MA与x轴夹角为α,MB与x轴夹角为β,MA与OS1图3 光路图夹角为γ1,MB与OS2夹角为γ2,2CCD镜头焦距均当接触线残高经过光学物镜成像在CCD光敏为f,所以根据几何关系有:面上时,CCD相应像元上将获得一系列光电脉冲。γ1=arctan(h1/f)(1)由于光电二极管尺寸是恒定的,因此输出脉冲的个γ2=arctan(h2/f)(2)数
10、就代表接触线残高,其空间几何关系为:α=α0-γ1,β=β0-γ2(3)Hx=nL0d=AB=d0+AS1+BS2=d0+f·(sinγ1/sinα+Hx为接触线像高,n为像高所占像元数,L0为sinγ2/sinβ)(4)像元沿阵列方向尺寸。被测导线的最大高度为10.0因此接触线上任意一点M的二维坐标中的x,～13.2mm,根据光学系统的放大倍数就可以确定y分别为:最大像高Hmax,再
