一、概述

为了监督检测在既有铁路营运线路上施工时可能造成轨面沉降变形的问题，采用激光辅助检测的方式，对需要监控的轨面进行24小时不间断监测，一旦发现轨面沉降超标，检测报警设备立刻向作业人员发出声光报警，确保施工和行车安全。

 图1

施工区段轨面沉降激光检测系统由激光发射设备（独立设置的激光发射器S1和S2）、激光接收设备（激光靶）、报警显示设备及太阳能电源设备组成。
设备采用独立安装的激光发生器S1和S2产生两支光束，用来相互校验光束的发射角是否偏离。在轨面高度正常时，激光束S1和S2在光靶上产生的光斑正好落在光靶的两个中心，当轨面下沉时，两个光斑中心点位置同时偏离光靶中心向上移动，光靶（激光接收器）的接收数据出现变化。通过对激光接收器的接收到的数据分析，可以得到轨面下沉偏离的数据，及时作出报警响应。轨面下沉检测的分辨精度为2mm，沉降超标报警值为10mm。
由于轨面沉降是在一定时间内缓慢进行的，接收的光通量数据变化是个缓慢积累过程，而光线被异物遮挡或列车通过时的光束相对位移产生的接收数据变化是突变形的，可以通过数据分析剔除这些干扰因素，实现准确的报警。    
报警形式：
1、 在轨面正常情况下，激光光束正中靶心，显示器显示绿色灯；
2、 激光束偏离靶心或光线受阻时，亮黄色灯指示；
3、 激光束偏离靶心或光线受阻10分钟（根据情况调整）以上，亮红色灯报警、同时发出声音报警。
4、 设备预留联网传输接口，可将轨面沉降信息发送到监管部门。
二、设备介绍
1、 激光发射设备如下图2示意

图2

 激光发射设备由以下部件组成：
（1）设置在路基上的水泥基础和基座，用以保证激光发射设备的稳固。
（2）激光发射器：包括激光发射管、机械调节装置、镜片、防尘隔热罩等。
  调节激光发射管的聚焦镜片，使激光束在小于100米的距离内直径不大于12毫米。
  调节激光发射管S1和S2输出的光束位置和角度，使之分别对准光靶中心，并使激光接收器的输出数据为最小的平衡状态。
  锁定激光发射器的机械装置，使光束位置和角度保持稳定。
  激光发射主要技术指标：
（1）激光功率：40mW
（2）激光波长：630nM（红色）
（3）激光安全等级：C1级（IEC标准）
（4）激光直流功耗：≤0.5W（3V）
（5）适用环境：温度-30℃～+65℃/湿度≤90％（25℃）
激光发射设备作为独立的部件，由太阳能电源供电。太阳能电源包括太阳能电池板和储能蓄电池。智能化的充放电管理，使太阳能电源能在连续阴雨20天以上的天候条件下保证10个激光发射设备正常工作。
太阳能电池功率：10W；储能蓄电池：12V-12Ah
2、 激光接收设备
激光接收器（激光靶）直接安装固定在沉降检测点的钢轨底部，输出信号通过电缆传输给报警控制设备。如下图3示意。

图3

轨面沉降激光检测示意如下图4说明：

图4

激光接收器是一组按坐标排列的光敏器件点阵，密封装配在一个整体内的感光部件。

激光接收器可有效地抑制白昼和夜晚背景光的干扰，只检出激光光斑的位移参数。
激光接收器对于光斑垂直位移的有效检测输出精度为2mm，如上图示意。
当两个激光发射器其中一个出现发射角度偏移（两个发射器同时偏离相同角度的概率极小）造成误报警时，可用肉眼观察光斑位置得到区分。
3、 报警及显示设备示意
报警及显示设备安装在施工工地附近，如下图5示意。设备的报警控制条件来自安装在检测部位的激光接收器输出的垂直位移信号。报警功能如下：
（1） 被检测设备位置正常时，激光光斑正中光靶中心，对应的各个LED显示单元均亮绿色。
（2） 当某个（或多个）检测点的激光接收器输出大于10mm位移的信号时，对应的LED显示单元亮黄色。
（3） 当某个或多个检测点的激光接收器没有被激光照射到时（激光线阻断或严重偏离），对应的LED显示单元亮红色，并发出声音报警。
（4） 当某个（或多个）检测点的激光接收器输出大于10mm位移的信号并且保持10分钟以上时，对应的LED显示单元亮红色，并发出声音报警。

三、轨面沉降激光检测设备电路原理框图

图6

图7

四、轨面沉降激光检测设备示意
单线施工区段轨面沉降激光检测设备设备布置和光束示意如下图8所示。实际光路情况见附图。
设备包括：
（1） 4套激光发射设备
（2） 2套激光接收设备（激光靶）以及连接到报警设备的橡胶电缆
（3） 1套报警显示设备
（4） 3套太阳能电源设备

图8

复线施工区段轨面沉降激光检测设备布置和光束示意如下图9所示。实际光路情况见附图。

设备包括：
（1）8套激光发射设备
（2）4套激光接收设备（激光靶）以及连接到报警设备的橡胶电缆
（3）1套由太阳能供电的声光报警设备
（4）2套太阳能电源及过轨电缆

 

图9