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(zhǎng)勝 趙要武 張卓欣（北京鐵路局天津工務(wù)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(lái)對(duì)軌距和水平進(jìn)行測(cè)量，與其他數(shù)顯軌距尺不同的是活動(dòng)測(cè)頭采用滾動(dòng)測(cè)量技術(shù)，能連續(xù)不間斷地采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)判斷、鎖定軌距最小值，使軌距測(cè)量更具科學(xué)性。通過(guò)本項(xiàng)創(chuàng)新不但提高了檢測(cè)精度，而且也解決了活動(dòng)測(cè)頭的磨損問(wèn)題，是軌距尺結(jié)構(gòu)方面的一項(xiàng)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了智能化，達(dá)到了部頒0級(jí)軌距尺的規(guī)程要求，滿足了高速鐵路軌道線路的檢測(cè)需要。關(guān)鍵詞：軌距尺，智能化，創(chuàng)新，測(cè)量精度1、引言隨著鐵路列車的提速和高速列車的開行,對(duì)線路設(shè)備不論是維修質(zhì)量還是設(shè)備檢查精度都提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。特

2、別是對(duì)軌道幾何尺寸測(cè)量的主要量具軌距尺提出了“分級(jí)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(jié)構(gòu)和人為主觀判斷等因素影響，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)值精度低、誤差大，已無(wú)法滿足當(dāng)前高速鐵路發(fā)展的需要。對(duì)此，鐵道部于2008年重新修訂了TB/T19242008標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺和中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG219-2008鐵路軌距尺檢定規(guī)程。對(duì)軌距尺的生產(chǎn)和檢定提出了新的標(biāo)準(zhǔn)和要求。同時(shí)，鐵道部還要求對(duì)160KM/h以上區(qū)段盡快普及數(shù)字式的新型軌距尺。鑒于上述情況，近幾年國(guó)內(nèi)有關(guān)軌距尺生產(chǎn)廠家投入了大量的資金開發(fā)研制新型數(shù)顯式軌距尺。通過(guò)幾年的努力

3、，已有幾種數(shù)顯軌距尺面市進(jìn)行試用，但只是處于試驗(yàn)和改進(jìn)階段。這些數(shù)顯軌距尺從技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上大致雷同，只是在測(cè)量數(shù)字顯示上采用了高精度的傳感器，在提高檢測(cè)精度上做了改進(jìn)，但從結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法方面還是延用刻度式滑動(dòng)測(cè)量方法，仍存在著活動(dòng)測(cè)頭磨耗大、人為讀數(shù)找點(diǎn)誤差大、檢定過(guò)程繁瑣等問(wèn)題。所以，需要對(duì)軌距尺進(jìn)行智能化的創(chuàng)新。2、智能軌距尺的基本構(gòu)造及獨(dú)特設(shè)計(jì)2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能軌距尺由機(jī)械軌距尺基礎(chǔ)件、傾斜角傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)微處理器及OLED顯示裝置電池盒四部分構(gòu)成。其中，電池盒設(shè)計(jì)在提手握手內(nèi)，給傳感器和位移傳動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)貢獻(xiàn)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(guān)安

4、放在提手上，便于現(xiàn)場(chǎng)操作，整尺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作方便、方便攜帶。智能軌距尺主要結(jié)構(gòu)示意（見圖1）:圖11、活動(dòng)測(cè)頭 2、活動(dòng)端搭軌鐵 3、活動(dòng)端搭軌鐵座 4、位移傳感器連接塊 5、位移傳感器 6、數(shù)據(jù)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(cè)頭 13、位移傳動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2.2滾動(dòng)測(cè)頭設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)也是本裝置的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，與其他數(shù)顯軌距尺不同的是該軌距尺的活動(dòng)測(cè)頭采用滾動(dòng)測(cè)量技術(shù)，能連續(xù)不間斷地采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)判斷、鎖定軌距最小值，使軌距測(cè)量更具科學(xué)性。通過(guò)本項(xiàng)技術(shù)不但提高了檢測(cè)精度，而且也解決了活動(dòng)測(cè)頭的

5、磨損問(wèn)題，是軌距尺結(jié)構(gòu)方面的一項(xiàng)創(chuàng)新，降低了活動(dòng)測(cè)頭的機(jī)械磨耗，并且完成了自動(dòng)鎖定軌距的目的，提高了檢測(cè)精度和速度，方便了現(xiàn)場(chǎng)施工人員檢測(cè)(見圖2、3)。圖2 滾動(dòng)側(cè)頭圖3 滾動(dòng)測(cè)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(cè)、維修而設(shè)計(jì)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(cè)量鐵路線路的軌距、水平（超高）和道岔的查照間隔、護(hù)背距離等參數(shù)。在設(shè)計(jì)制造中強(qiáng)化了技術(shù)指標(biāo)、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(shù)（Micro electronic mechanics systems 縮寫MEMS），利用微機(jī)械硅電容與集成

6、電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(gè)封裝的電路中，電路還包含兩個(gè)微處理器（Micro-computer），一個(gè)用于處理驅(qū)動(dòng)滿足規(guī)程規(guī)定使用溫度要求的OLED顯示，另一個(gè)用于處理傾斜角傳感器和位移傳感器信號(hào)，溫度補(bǔ)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(nèi)置溫度傳感器（數(shù)字SPI輸出）；溫度補(bǔ)償與線性度補(bǔ)差；超強(qiáng)的糾錯(cuò)能力與保護(hù)措施；數(shù)位自測(cè)，奇偶校驗(yàn)和電源管理與自動(dòng)關(guān)斷功能。3.1軌距測(cè)量原理通過(guò)拉動(dòng)扳手帶動(dòng)導(dǎo)桿做長(zhǎng)度方向的移動(dòng)，使得連接在導(dǎo)桿前端的活

7、動(dòng)測(cè)頭及其聯(lián)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(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，位移傳感器給出對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)將軌距尺滑動(dòng)測(cè)頭與固定測(cè)頭之間所對(duì)應(yīng)的軌距測(cè)量值的電檢測(cè)。位移傳感器的信息傳輸給數(shù)據(jù)微處理器，通過(guò)電子顯示面版切換按鍵，實(shí)現(xiàn)軌距、查照、護(hù)背等不同測(cè)量需求。微處理器內(nèi)置溫度傳感器實(shí)時(shí)將當(dāng)前溫度傳輸給數(shù)據(jù)微處理器，數(shù)據(jù)微處理器將接收到的各種信息經(jīng)線性度修正與溫度補(bǔ)償運(yùn)算后將當(dāng)前的軌距信息顯示在OLED液晶屏上，從而達(dá)到測(cè)量軌距的目的。溫度補(bǔ)償程序的作用是：由于尺身為鋁合金材質(zhì)，其線脹系數(shù)與軌道上影響軌距最直接的軌枕的線脹系數(shù)相差很大，這樣就會(huì)在不同溫度下測(cè)量出的軌距產(chǎn)生很大誤差，為了消除

8、因溫度而產(chǎn)生的誤差，特設(shè)置溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度的變化，并將其傳輸給數(shù)據(jù)微處理器，數(shù)據(jù)微處理器根據(jù)當(dāng)前的溫度將位移傳感器傳來(lái)的軌距信息進(jìn)行修正，以保證軌距尺在不同溫度下測(cè)出軌距的準(zhǔn)確性。軌距測(cè)量采用量程100mm的高耐磨長(zhǎng)壽命（大于500萬(wàn)次）的直線位移傳感器，其線性度優(yōu)于0.1，包括機(jī)械系統(tǒng)誤差全行程誤差0.2mm。測(cè)量實(shí)際軌距的變化部分（和標(biāo)準(zhǔn)值比，如1435mm），最終結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值變化值。根據(jù)實(shí)際情況，在143513911348之間進(jìn)行量程變換。智能軌距測(cè)量電路框圖如圖4所示：圖4 智能超高測(cè)量電路框圖軌距系統(tǒng)采用intel8031單片機(jī)，程序存儲(chǔ)在2764中，臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在6264中，并

9、行接口及驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)控制液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)，接受按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)和預(yù)制。電源采用直流7.4V供電。單片機(jī)部分穩(wěn)壓出一個(gè)直流5V。74ls373負(fù)責(zé)地址鎖存，74ls138負(fù)責(zé)地址譯碼，并為其他所有需要控制的部件提供片選信號(hào)。3.2超高（水平）測(cè)量原理超高（水平）測(cè)量采用高分辨率、高精度傾斜角傳感器及數(shù)據(jù)微處理器組成，量程±8°，其分辨率：0.007°，全量程測(cè)量誤差0.008°。超高（水平）測(cè)量利用正弦函數(shù)計(jì)算，原理如圖所示： 兩股鋼軌間的超高實(shí)際上就是兩股鋼軌頂面形成的平面與水平面夾角A所對(duì)應(yīng)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(cè)量電路框圖如圖5所示：圖5 智能超高測(cè)量電路框圖水平系統(tǒng)采用intel8031單片機(jī)，程序存儲(chǔ)在2764中，臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在6264中，并行接口及驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)控制顯示屏顯示數(shù)據(jù)，接受按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)和預(yù)制。電源采用直流7.4V供電。單片機(jī)部分穩(wěn)壓出一個(gè)直流5V。74ls373負(fù)責(zé)地址鎖存，74ls138負(fù)責(zé)地址譯碼，并為其他所有需要控制的部件提供片選信號(hào)。3.3數(shù)據(jù)采集與處理采用高分辨率、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高性能微處理器采集和處理數(shù)據(jù)，同時(shí)采用差動(dòng)比例測(cè)量和軟件修正方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度修正。智能軌距尺電子測(cè)量程序由下列模塊構(gòu)成：初始化程序；數(shù)據(jù)采集程序（傾角、位移、溫度

11、）；數(shù)字濾波程序；溫度計(jì)算程序；溫度補(bǔ)償計(jì)算程序；線性校正程序；超高計(jì)算程序；超高顯示程序；按鍵功能程序；參數(shù)存儲(chǔ)程序；多個(gè)運(yùn)算子程序。4、測(cè)量范圍、技術(shù)指標(biāo)4.1測(cè)量范圍；顯示分辨力標(biāo)準(zhǔn)軌距1435±35mm；查照間隔1391±10mm；護(hù)背距離1348±10mm；顯示分辨0.01mm超高：對(duì)應(yīng)檢定器 ±185mm；顯示分辨0.01mm溫度：-49°C99°C，顯示分辨1°C4.2測(cè)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(diào)頭累計(jì)誤差0.3mm；主要檢測(cè)項(xiàng)目的

12、測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度如下：- 檢測(cè)項(xiàng)目 測(cè)量范圍 檢測(cè)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(hù)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(diào)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(shí)，欠電報(bào)警后可連續(xù)工作不少于8小時(shí)。5、適用環(huán)

13、境及技術(shù)指標(biāo)確定依據(jù)溫度環(huán)境：由元器件溫度指標(biāo)和環(huán)境溫度試驗(yàn)確定。利用單片機(jī)進(jìn)行給定溫度段的智能補(bǔ)償處理。通過(guò)環(huán)境溫度試驗(yàn)，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(guān)鍵部位強(qiáng)化密封。亮暗環(huán)境：高對(duì)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(cè)量方案，消除基準(zhǔn)電壓和位移電阻的溫度漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

14、。尺身材料熱脹冷縮引起軌距測(cè)量數(shù)值的變化，由軟件計(jì)算進(jìn)行修正。5.2傾角傳感器測(cè)量范圍：±8°頻率響應(yīng)：8Hz零位誤差：±0.005°（校準(zhǔn)以后）靈敏度：280mV/°靈敏度誤差：± 0.05非線性誤差：± 0.1（校準(zhǔn)以后）零位溫度系數(shù)：± 0.002°/°C靈敏度溫度系數(shù)：± 0.013%/°C分辨率：0.0013°長(zhǎng)期穩(wěn)定性： <0.004°采用差動(dòng)測(cè)量和軟件修正方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度修正。5.3位移（軌距）測(cè)量的不確定度位移（軌距）測(cè)量部分由

15、位移傳感器、基準(zhǔn)電壓源和14位A/D轉(zhuǎn)換器組成?；鶞?zhǔn)電壓源的溫度漂移已由比例測(cè)量原理消除。位移傳感器的非線性誤差± 0.1，絕對(duì)誤差100×0.10.1mm 14位A/D轉(zhuǎn)換器的積分非線性誤差2LSB，相對(duì)值2/2140.012，絕對(duì)值100×0.0120.012 mm尺身材料熱脹冷縮引起軌距測(cè)量誤差± 0.01，絕對(duì)誤差1505×0.010.15mm 所以，位移（軌距）測(cè)量的總不確定度為 mm5.4水平（超高）測(cè)量的不確定度水平（超高）測(cè)量部分由傾角傳感器、差分放大器、16位A/D轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源組成。后三個(gè)單元的溫度漂移由測(cè)量過(guò)程中的自動(dòng)

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

17、在提速線路的工務(wù)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(dòng)軸承技術(shù)的引進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了軌距、水平的數(shù)字智能化的測(cè)量。檢定人員只需對(duì)91、48、1435、水平0位四點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定即可完成一次檢定工作，提高了工作效率。達(dá)到了測(cè)量精度高、速度快、范圍廣的目的，同時(shí)降低了機(jī)械磨耗，減小了維修投入。圖6 現(xiàn)場(chǎng)使用照片該軌距尺經(jīng)鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量所檢驗(yàn)，滿足中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)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(jí)軌距尺檢定規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的要求，能對(duì)160km/h的高速線路實(shí)施檢測(cè)。通過(guò)成果的應(yīng)用，改變了過(guò)去傳統(tǒng)的刻度式軌距尺

18、的測(cè)量方式，對(duì)確保和提高線路、道岔維修養(yǎng)護(hù)質(zhì)量具有重要作用，特別是對(duì)線路、道岔動(dòng)態(tài)下的檢測(cè)維修能提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)，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(zhì)量實(shí)現(xiàn)“0”誤差的要求，防止了重復(fù)作業(yè)和無(wú)效勞動(dòng)。另外，采用的OLED顯示屏顯示清晰，而且具有背光和延時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)的功能，尤其是在高低溫、濕熱、雨淋等環(huán)境工作中經(jīng)得住考驗(yàn)，適用于全天候作業(yè)。7、結(jié)束語(yǔ)該智能軌距尺是對(duì)傳統(tǒng)鐵道軌距尺的一次革命性的突破，通過(guò)4點(diǎn)校準(zhǔn)即可完成一次測(cè)量，讓操作者快而準(zhǔn)的找到軌距的最小值和水平（超高）數(shù)值?；顒?dòng)測(cè)頭滾動(dòng)摩擦取代滑動(dòng)摩擦，提高了測(cè)量精度，降低了機(jī)械磨損。其符合了我國(guó)鐵路跨越式