33--軌距尺的智能化與創(chuàng)新

1、軌距尺的智能化與創(chuàng)新邵長勝 趙要武 張卓欣（北京鐵路局天津工務段，天津300010）摘要：智能型軌距尺采用高精度直線位移傳感器和傾角傳感器來對軌距和水平進行測量，與其他數顯軌距尺不同的是活動測頭采用滾動測量技術，能連續(xù)不間斷地采集數據并自動判斷、鎖定軌距最小值，使軌距測量更具科學性。通過本項創(chuàng)新不但提高了檢測精度，而且也解決了活動測頭的磨損問題，是軌距尺結構方面的一項創(chuàng)新，實現了智能化，達到了部頒0級軌距尺的規(guī)程要求，滿足了高速鐵路軌道線路的檢測需要。關鍵詞：軌距尺，智能化，創(chuàng)新，測量精度1、引言隨著鐵路列車的提速和高速列車的開行,對線路設備不論是維修質量還是設備檢查精度都提出了更高的標準。特

2、別是對軌道幾何尺寸測量的主要量具軌距尺提出了“分級管理”的要求,以滿足高速列車開行的需要。然而，目前所使用的軌距尺均為刻度顯示，在日常使用中由于受其結構和人為主觀判斷等因素影響，導致測量數值精度低、誤差大，已無法滿足當前高速鐵路發(fā)展的需要。對此，鐵道部于2008年重新修訂了TB/T19242008標準軌距鐵路軌距尺和中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程JJG219-2008鐵路軌距尺檢定規(guī)程。對軌距尺的生產和檢定提出了新的標準和要求。同時，鐵道部還要求對160KM/h以上區(qū)段盡快普及數字式的新型軌距尺。鑒于上述情況，近幾年國內有關軌距尺生產廠家投入了大量的資金開發(fā)研制新型數顯式軌距尺。通過幾年的努力

3、，已有幾種數顯軌距尺面市進行試用，但只是處于試驗和改進階段。這些數顯軌距尺從技術上和結構上大致雷同，只是在測量數字顯示上采用了高精度的傳感器，在提高檢測精度上做了改進，但從結構和測量方法方面還是延用刻度式滑動測量方法，仍存在著活動測頭磨耗大、人為讀數找點誤差大、檢定過程繁瑣等問題。所以，需要對軌距尺進行智能化的創(chuàng)新。2、智能軌距尺的基本構造及獨特設計2.1結構設計智能軌距尺由機械軌距尺基礎件、傾斜角傳感器、位移傳感器、數據微處理器及OLED顯示裝置電池盒四部分構成。其中，電池盒設計在提手握手內，給傳感器和位移傳動導向機構貢獻出了寶貴的空間，使得提手可以從容的安放在整尺的重心部位，電子顯示開關安

4、放在提手上，便于現場操作，整尺結構簡潔、操作方便、方便攜帶。智能軌距尺主要結構示意（見圖1）:圖11、活動測頭 2、活動端搭軌鐵 3、活動端搭軌鐵座 4、位移傳感器連接塊 5、位移傳感器 6、數據微處理器及OLED顯示盒（含傾斜角傳感器） 7、提手(電池盒) 8、鋰離子電池 9、扳手 10、固定端搭軌鐵座 11、固定端搭軌鐵 12、固定測頭 13、位移傳動導向機構2.2滾動測頭設計該設計也是本裝置的一個創(chuàng)新點，與其他數顯軌距尺不同的是該軌距尺的活動測頭采用滾動測量技術，能連續(xù)不間斷地采集數據并自動判斷、鎖定軌距最小值，使軌距測量更具科學性。通過本項技術不但提高了檢測精度，而且也解決了活動測頭的

5、磨損問題，是軌距尺結構方面的一項創(chuàng)新，降低了活動測頭的機械磨耗，并且完成了自動鎖定軌距的目的，提高了檢測精度和速度，方便了現場施工人員檢測(見圖2、3)。圖2 滾動側頭圖3 滾動測量示意 3、工作原理智能軌距尺主要是為了滿足高速鐵路線路的檢測、維修而設計的，采用了高精度的傾斜角傳感器、位移傳感器和高性能微處理器以及智能軟件，可以測量鐵路線路的軌距、水平（超高）和道岔的查照間隔、護背距離等參數。在設計制造中強化了技術指標、使用環(huán)境、電池和功耗，以及操作方便性。傾角傳感器采用微電子加工技術（Micro electronic mechanics systems 縮寫MEMS），利用微機械硅電容與集成

6、電路技術，實現分辨率小于0.007°%,非線性度小于0.015%的高靈敏度傾角傳感器。敏感元件與處理電路集成在一個封裝的電路中，電路還包含兩個微處理器（Micro-computer），一個用于處理驅動滿足規(guī)程規(guī)定使用溫度要求的OLED顯示，另一個用于處理傾斜角傳感器和位移傳感器信號，溫度補償、電源管理、電子軌距尺多種智能功能。傾角傳感器與顯示系統(tǒng)整體具有：高穩(wěn)定性，高分辨率，低噪聲；內置溫度傳感器（數字SPI輸出）；溫度補償與線性度補差；超強的糾錯能力與保護措施；數位自測，奇偶校驗和電源管理與自動關斷功能。3.1軌距測量原理通過拉動扳手帶動導桿做長度方向的移動，使得連接在導桿前端的活

7、動測頭及其聯接的位移傳感器拉桿與固定在尺身上的位移傳感器外殼產生相對運動，位移傳感器給出對應的電信號，由此實現將軌距尺滑動測頭與固定測頭之間所對應的軌距測量值的電檢測。位移傳感器的信息傳輸給數據微處理器，通過電子顯示面版切換按鍵，實現軌距、查照、護背等不同測量需求。微處理器內置溫度傳感器實時將當前溫度傳輸給數據微處理器，數據微處理器將接收到的各種信息經線性度修正與溫度補償運算后將當前的軌距信息顯示在OLED液晶屏上，從而達到測量軌距的目的。溫度補償程序的作用是：由于尺身為鋁合金材質，其線脹系數與軌道上影響軌距最直接的軌枕的線脹系數相差很大，這樣就會在不同溫度下測量出的軌距產生很大誤差，為了消除

8、因溫度而產生的誤差，特設置溫度傳感器實時監(jiān)控溫度的變化，并將其傳輸給數據微處理器，數據微處理器根據當前的溫度將位移傳感器傳來的軌距信息進行修正，以保證軌距尺在不同溫度下測出軌距的準確性。軌距測量采用量程100mm的高耐磨長壽命（大于500萬次）的直線位移傳感器，其線性度優(yōu)于0.1，包括機械系統(tǒng)誤差全行程誤差0.2mm。測量實際軌距的變化部分（和標準值比，如1435mm），最終結果標準值變化值。根據實際情況，在143513911348之間進行量程變換。智能軌距測量電路框圖如圖4所示：圖4 智能超高測量電路框圖軌距系統(tǒng)采用intel8031單片機，程序存儲在2764中，臨時數據存儲在6264中，并

9、行接口及驅動電路負責控制液晶顯示屏顯示數據，接受按鈕進行調節(jié)和預制。電源采用直流7.4V供電。單片機部分穩(wěn)壓出一個直流5V。74ls373負責地址鎖存，74ls138負責地址譯碼，并為其他所有需要控制的部件提供片選信號。3.2超高（水平）測量原理超高（水平）測量采用高分辨率、高精度傾斜角傳感器及數據微處理器組成，量程±8°，其分辨率：0.007°，全量程測量誤差0.008°。超高（水平）測量利用正弦函數計算，原理如圖所示： 兩股鋼軌間的超高實際上就是兩股鋼軌頂面形成的平面與水平面夾角A所對應的直角邊的高度，即超高值=1505×sinAh-超高（

10、水平）；q-傾斜角智能超高測量電路框圖如圖5所示：圖5 智能超高測量電路框圖水平系統(tǒng)采用intel8031單片機，程序存儲在2764中，臨時數據存儲在6264中，并行接口及驅動電路負責控制顯示屏顯示數據，接受按鈕進行調節(jié)和預制。電源采用直流7.4V供電。單片機部分穩(wěn)壓出一個直流5V。74ls373負責地址鎖存，74ls138負責地址譯碼，并為其他所有需要控制的部件提供片選信號。3.3數據采集與處理采用高分辨率、高精度模數轉換器和高性能微處理器采集和處理數據，同時采用差動比例測量和軟件修正方法實現測量數據的溫度修正。智能軌距尺電子測量程序由下列模塊構成：初始化程序；數據采集程序（傾角、位移、溫度

11、）；數字濾波程序；溫度計算程序；溫度補償計算程序；線性校正程序；超高計算程序；超高顯示程序；按鍵功能程序；參數存儲程序；多個運算子程序。4、測量范圍、技術指標4.1測量范圍；顯示分辨力標準軌距1435±35mm；查照間隔1391±10mm；護背距離1348±10mm；顯示分辨0.01mm超高：對應檢定器 ±185mm；顯示分辨0.01mm溫度：-49°C99°C，顯示分辨1°C4.2測量誤差軌距：全量程0.2mm；超高：水平零位±0.15mm；全量程誤差±0.3mm；調頭累計誤差0.3mm；主要檢測項目的

12、測量范圍和準確度如下：- 檢測項目 測量范圍 檢測精度 顯示分辨軌 距 14101470 mm ±0.25mm 0.01mm查照間隔 13811401 mm ±0.30mm 0.01mm護背距離 13381358 mm ±0.30mm 0.01mm水 平 ±0.15mm 0.01mm超 高 ±185mm ±0.3mm 0.01mm超高調頭 0.3mm -4.3電源性能電源采用兩節(jié)大容量鋰離子充電電池，可在額定電壓的-15%+25%間正常工作。在0±環(huán)境下，可連續(xù)工作不少于50小時，欠電報警后可連續(xù)工作不少于8小時。5、適用環(huán)

13、境及技術指標確定依據溫度環(huán)境：由元器件溫度指標和環(huán)境溫度試驗確定。利用單片機進行給定溫度段的智能補償處理。通過環(huán)境溫度試驗，可在-30°C+55°C溫度下工作?？拐鹉芰Γ?00mm高處自由跌落后能正常工作。濕度環(huán)境：可在+40°C，93%RH濕度下工作，傳感器和儀表的電子元器件全部密封（膠封、塑封），關鍵部位強化密封。亮暗環(huán)境：高對比度發(fā)光顯示，可在白天、夜間以及隧道中使用。5.1位移傳感器量程：100 mm電阻：5 KW非線性誤差：±0.1輸出范圍：05V使用溫度：-60+150接口電路采用比例測量方案，消除基準電壓和位移電阻的溫度漂移對測量結果的影響

14、。尺身材料熱脹冷縮引起軌距測量數值的變化，由軟件計算進行修正。5.2傾角傳感器測量范圍：±8°頻率響應：8Hz零位誤差：±0.005°（校準以后）靈敏度：280mV/°靈敏度誤差：± 0.05非線性誤差：± 0.1（校準以后）零位溫度系數：± 0.002°/°C靈敏度溫度系數：± 0.013%/°C分辨率：0.0013°長期穩(wěn)定性： <0.004°采用差動測量和軟件修正方法實現測量數據的溫度修正。5.3位移（軌距）測量的不確定度位移（軌距）測量部分由

15、位移傳感器、基準電壓源和14位A/D轉換器組成?；鶞孰妷涸吹臏囟绕埔延杀壤郎y量原理消除。位移傳感器的非線性誤差± 0.1，絕對誤差100×0.10.1mm 14位A/D轉換器的積分非線性誤差2LSB，相對值2/2140.012，絕對值100×0.0120.012 mm尺身材料熱脹冷縮引起軌距測量誤差± 0.01，絕對誤差1505×0.010.15mm 所以，位移（軌距）測量的總不確定度為 mm5.4水平（超高）測量的不確定度水平（超高）測量部分由傾角傳感器、差分放大器、16位A/D轉換器和基準電壓源組成。后三個單元的溫度漂移由測量過程中的自動

16、校準措施消除。傾角傳感器的零位誤差±0.005°，相當于超高誤差1505sin0.0050.13 mm傾角傳感器的非線性誤差± 0.1，絕對誤差185×0.10.185mm差分放大器增益誤差±20ppm，絕對誤差20/106×1850.0037 mm差分放大器和16位A/D轉換器的積分非線性誤差±15ppm，相對值2×15/106 ×2160.5LSB，或2×15/1060.003，絕對值185×0.0030.0055 mm 所以，水平（超高）測量的總不確定度為 mm6、應用效果樣尺已

17、在提速線路的工務段上推廣試用，用戶反映效果良好，同其他軌距尺相比在各方面性能上都有較大突破。高精度位移傳感器、傾斜角傳感器和滾動軸承技術的引進，實現了軌距、水平的數字智能化的測量。檢定人員只需對91、48、1435、水平0位四點進行標定即可完成一次檢定工作，提高了工作效率。達到了測量精度高、速度快、范圍廣的目的，同時降低了機械磨耗，減小了維修投入。圖6 現場使用照片該軌距尺經鐵道部標準計量所檢驗，滿足中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程JJG219-2008鐵路軌距尺新規(guī)程的要求，滿足部頒0級軌距尺檢定規(guī)程標準的要求，能對160km/h的高速線路實施檢測。通過成果的應用，改變了過去傳統(tǒng)的刻度式軌距尺

18、的測量方式，對確保和提高線路、道岔維修養(yǎng)護質量具有重要作用，特別是對線路、道岔動態(tài)下的檢測維修能提供準確的科學依據，能有效地消滅軌道幾何尺寸不良等病害，提高了旅客的舒適度，滿足了線路、道岔維修質量實現“0”誤差的要求，防止了重復作業(yè)和無效勞動。另外，采用的OLED顯示屏顯示清晰，而且具有背光和延時自動關機的功能，尤其是在高低溫、濕熱、雨淋等環(huán)境工作中經得住考驗，適用于全天候作業(yè)。7、結束語該智能軌距尺是對傳統(tǒng)鐵道軌距尺的一次革命性的突破，通過4點校準即可完成一次測量，讓操作者快而準的找到軌距的最小值和水平（超高）數值。活動測頭滾動摩擦取代滑動摩擦，提高了測量精度，降低了機械磨損。其符合了我國鐵路跨越式