張麗波，李 乾，傅勤毅

（中南大學(xué)，交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙，410075）

鋼軌的平直度通常是指垂直于鋼軌基準(zhǔn)線的平面內(nèi)的不平順度。鋼軌的不平順對噪音、振動(dòng)、安全和輪軌沖擊荷載均有很大影響[1]，直接影響列車的運(yùn)行速度、安全性和舒適性。

目前國內(nèi)工務(wù)段使用的鋼軌平直度檢測手段是使用1 m的鋼尺緊貼鋼軌的軌面和側(cè)面，再使用塞尺進(jìn)行量取，經(jīng)驗(yàn)豐富的工人甚至直接用肉眼去目測，這種檢測方法存在測量點(diǎn)數(shù)少、測量精度低、測量結(jié)果受工人情緒影響、測量數(shù)據(jù)只能用手工在紙上保存的缺點(diǎn)[2]。隨著我國鐵路的大面積提速，以及高速鐵路、客運(yùn)專線的發(fā)展，鋼軌平直度測量的精度控制和整條線路不平順數(shù)據(jù)的綜合分析越來越重要，依靠現(xiàn)有的人工檢測辦法顯然已經(jīng)不能滿足對鋼軌平直度檢測精度和檢測效率的需求。因此，開發(fā)便攜式的、高精度的鋼軌平直度檢測儀器就勢在必行。

1 鋼軌平直度檢測儀工作原理

鋼軌平直度檢測儀工作時(shí)，儀器固定于一側(cè)鋼軌的頂面，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)測量元件（激光傳感器）移動(dòng)。激光傳感器的檢測原理主要是利用激光三角反射原理：由傳感器探頭發(fā)射出的激光，通過特殊的透鏡被匯聚成一個(gè)直徑極小的激光束，此光束被測量表面反射到一個(gè)分辨率極高的CCD探測器上，通過CCD所感應(yīng)到光束位置的不同，可精確測量被測物體位置的變化[3]。

根據(jù)激光傳感器的運(yùn)動(dòng)，掃描出鋼軌表面的平直度輪廓，并把電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳送給上位機(jī)（PDA），PDA對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并把鋼軌的平直度以圖形的形式顯示在PDA屏幕上。PDA對下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)以一定格式的名字保存在PDA自帶的數(shù)據(jù)庫中，可以通過PDA查詢鋼軌平直度的歷史記錄，檢查前面路段的平直度是否合格。PDA軟件還提供儀器標(biāo)定、管理公務(wù)信息、管理線路信息以及提供超限報(bào)表的功能。

2 鋼軌平直度檢測儀設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）適用于現(xiàn)場作業(yè)方式和作業(yè)環(huán)境，可以測量不同型號鋼軌以及不同線型（直線、曲線和緩和曲線）的鋼軌行車面和導(dǎo)向面平直度，并達(dá)到現(xiàn)場檢測精度和測量范圍要求。（2）能現(xiàn)場實(shí)時(shí)分析并顯示數(shù)據(jù)，直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。（3）可根據(jù)需要提取和查看已檢測數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。（4）儀器具有較高的智能化水平，人機(jī)友好界面，操作簡單，方便攜帶，一名操作人員即可輕松完成測量。

2.2 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)著重考慮研制便攜緊湊的機(jī)械主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高精度、自動(dòng)化的快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開發(fā)智能友好的操控界面及高效的PDA軟件。

在檢測方案上由于接觸式測量的檢測精度受鋼軌表面質(zhì)量的影響較大，所以優(yōu)先采用非接觸測量方式。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案上，采用32 bitARM微控制器為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與傳統(tǒng)8 bit單片機(jī)相比，具有運(yùn)算速度快，外圍設(shè)備模塊豐富，易于進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，控制驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性高，能滿足高精度、自動(dòng)化、快速并且可靠的數(shù)據(jù)采集要求。

PDA一般采用較高主頻的CPU，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，而且基于嵌入式操作系統(tǒng)，PDA擁有較好的人機(jī)界面，方便用戶使用，也為程序的開發(fā)帶來很大的方便，因此使用PDA作為檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)械主體

機(jī)械主體包括測量梁、定位裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和微型直線導(dǎo)軌及滑塊；驅(qū)動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、動(dòng)滑輪組、定滑輪組、鋼絲及傳感器的引出排線組成。

定位裝置安裝于測量梁的兩端，微型直線導(dǎo)軌安裝于測量梁內(nèi)，激光傳感器安裝在微型直線導(dǎo)軌的滑塊上；驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪安裝在測量梁的一端并相聯(lián)，定滑輪組、電源及數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)安裝在測量梁的另一端。

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3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以ARM微處理器為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，激光傳感器經(jīng)過信號調(diào)理電路和微處理器相連接。傳感器的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后通過藍(lán)牙無線通信將數(shù)據(jù)傳送至PDA，由PDA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）接口電路：將激光傳感器的信號傳送給CPU，建立傳感器與CPU之間的數(shù)據(jù)通訊。

（2）輸出驅(qū)動(dòng)電路：控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)往返測量。

（3）藍(lán)牙模塊：將UART轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)與PDA的數(shù)據(jù)無線通信。

（4）輔助電路：包括系統(tǒng)的復(fù)位電路、時(shí)鐘晶振電路以及調(diào)試電路等。

（5）電源電路：為CPU及其外圍模塊提供工作電源。

3.3 PDA軟件的實(shí)現(xiàn)

通過對PDA上檢測軟件的操作控制系統(tǒng)進(jìn)行測量、標(biāo)定等工作，并對收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果以及檢測面的不平順波形，判斷是否超限，指導(dǎo)現(xiàn)場的維修工作。

3.3.1 通信模塊

采用32 bitARM微處理器作為單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器，該處理器自帶UART串口通信模塊；采用iPAQhx2400系列PDA，該P(yáng)DA內(nèi)部集成RS232、藍(lán)牙和WIFI等接口。

RS232是通用的串行通信方式，無論是從電路的設(shè)計(jì)和還是串行通信的編程，都有著很多成熟的方案。但是RS232是有線通信方式，通信設(shè)備之間必須通過電纜連接，這對移動(dòng)設(shè)備的操作會造成很大的不便。

藍(lán)牙不受紅外通信的點(diǎn)對點(diǎn)以及中間不能被其它物體阻隔等限制，能夠很好的解決RS232和紅外通信的問題。因此，鋼軌平直度檢測系統(tǒng)使用藍(lán)牙作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PDA的通信方式。

藍(lán)牙的傳輸協(xié)議RFCOMM中支持虛擬串口協(xié)議，在PDA上生成了一個(gè)虛擬串口，所以對藍(lán)牙的操作完全跟串口的操作一樣。只要正確設(shè)置串口的端口號即可。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫操作模塊

Windows Mobile下常用的數(shù)據(jù)庫SQLite簡單易用，訪問速度快，同時(shí)提供了豐富的數(shù)據(jù)庫接口以及完善的功能，小型、快速和最小化管理的設(shè)計(jì)思想使得SQLite的使用和管理十分的方便。SQLite的代碼完全開放，且無任何的版權(quán)的限制。所以，在鋼軌平直度檢測系統(tǒng)中使用SQLite來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作和管理。

SQLite提供了將近80個(gè)API函數(shù)供開發(fā)人員調(diào)用，但是僅僅通過使用少數(shù)的幾個(gè)函數(shù)就可以完成對數(shù)據(jù)庫的連接、查詢和插入等操作。

4 測試與實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室條件下測試了數(shù)據(jù)的正確性和重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)方法為在0級平尺上放置10塊不等厚度的量塊，然后用鋼軌平直度檢測儀進(jìn)行1 m基長的檢測，經(jīng)過3次實(shí)驗(yàn)，表明鋼軌平直度檢查儀的測量誤差在0.05 mm以內(nèi)，重復(fù)性在0.01 mm以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的鋼軌平直度檢測儀檢測結(jié)果與手工測量值基本符合，與同類廠家的檢測結(jié)果相比，測量數(shù)據(jù)基本相同，多次測量重復(fù)性好，其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性獲得了工務(wù)段現(xiàn)場工人的認(rèn)可。

在操作性上，PDA操作界面簡單，使用方便，能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)的波形、最大最小值及其位置，指導(dǎo)現(xiàn)場維修，便于現(xiàn)場人員操作使用。

表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于Windows Mobile的PDA鋼軌平直度檢測儀采用PDA作為鋼軌平直度檢測的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，增強(qiáng)了檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。高精度的激光傳感器作為檢測元件，提高了鋼軌平直度檢測數(shù)據(jù)的精度和可靠性。檢測系統(tǒng)經(jīng)過測試分析，其重復(fù)性精度在0.01 mm以內(nèi)，系統(tǒng)采樣間距為0.32 mm，檢測數(shù)據(jù)可真實(shí)反映鋼軌表面波形。目前，該平直度檢測儀已經(jīng)產(chǎn)品化，并在國內(nèi)寫某些鐵路部門投入使用，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可靠，使用方便，得到了用戶的好評。

[1] 胡晴莽，杜軍生，洪曉東. 鋼軌平直度測量原理及技術(shù)應(yīng)用探討[J] . 攀鋼技術(shù)，2000（3）：67-71.

[2] 韓世卓. 鐵路無縫鋼軌直線度測量裝置[J] . 儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：190-191.

[3] 周小東. 基于Windows Mobile的鋼軌平直度檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究 [D] . 長沙：中南大學(xué)，2006.