俞炳杰 胡雄偉 上海鐵路局科研所

近年來，我局時速250 km 客運(yùn)專線以及時速350 km 高速鐵路相繼投入運(yùn)營。而根據(jù)鐵道部《關(guān)于明確軌尺使用要求的通知》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，v＞250 km/h 線路必須使用0級軌距尺進(jìn)行測量，現(xiàn)在普遍使用的機(jī)械式軌距尺以及1 級數(shù)顯式軌距尺都已不能滿足客運(yùn)專線和高速鐵路的檢測精度要求。路局科研所、工務(wù)處等單位聯(lián)合提出研發(fā)并生產(chǎn)符合鐵道部技術(shù)要求的新型0 級數(shù)顯式軌距尺課題，期待以低成本、高標(biāo)準(zhǔn)的方式解決現(xiàn)場需求。

1 0 級軌距尺技術(shù)要求與現(xiàn)有產(chǎn)品情況

1.1 技術(shù)要求

《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺》（TB/T 1924-2008）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對0 級數(shù)顯式軌距測量尺提出了全面的要求，其中最主要的技術(shù)要求為測量示值誤差及重復(fù)性要求（具體見表1）。

表1 測量示值誤差及重復(fù)性要求 單位：mm

除表1 這些要求外，標(biāo)準(zhǔn)還對測量范圍、尺身材料、工作電源等多方面技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了要求。相關(guān)的規(guī)定請參考該標(biāo)準(zhǔn)，在此不再贅述。

1.2 現(xiàn)有產(chǎn)品情況

目前，國內(nèi)已有幾款同類型的數(shù)顯式軌距測量尺，其精度和功能基本上能滿足相應(yīng)提速和客運(yùn)專線的使用要求，但也存在較多缺點(diǎn)和不足，主要有以下幾點(diǎn)：（1）顯示屏小、數(shù)值易跳動，強(qiáng)光照射時造成的讀數(shù)困難；（2）尺身強(qiáng)度較低、易變形；（3）防水、防振等防護(hù)性較低；（4）因?yàn)槭直O(shè)計不合理、操作不便造成的測量準(zhǔn)確性與人為因素相關(guān)性較大；（5）價格昂貴，售后服務(wù)不便。

2 0 級軌距尺總體研制

0 級數(shù)顯式軌距尺的研制將包括數(shù)顯式電子測量模塊研制、尺身機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分。兩部分的研制都應(yīng)以滿足《鐵標(biāo)》要求，同時避免現(xiàn)有產(chǎn)品使用中的缺點(diǎn)為目標(biāo)。

2.1 數(shù)顯式電子測量模塊研制

根據(jù)《鐵標(biāo)》對測量精度、穩(wěn)定性等方面的要求，數(shù)顯式電子測量模塊將主要由高精度的位移和傾角傳感器、AD 采樣單元、顯示屏、MCU、電源處理等器件組成。

2.1.1 傳感器選型

軌距、查照、護(hù)背的測量通過位移傳感器采樣數(shù)據(jù)得到，水平（超高）的測量通過傾角傳感器采樣數(shù)據(jù)并經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到。根據(jù)鐵標(biāo)相關(guān)章節(jié)，傳感器指標(biāo)要求見表2。

表2 傳感器指標(biāo)要求

根據(jù)以上要求經(jīng)過選型比較，位移傳感器采用高精度導(dǎo)電塑料直線位移傳感器。該型位移傳感器外型小巧，精度高，價格相對便宜，受環(huán)境影響小，模擬量輸出，完全滿足要求。傾角傳感器采用傾角傳感器SCA103T。該傳感器是目前世界上靜態(tài)精度最高、抗震性最好的以單晶硅材料制造的傾角傳感器，長期穩(wěn)定性好，溫度特性優(yōu)良，抗沖擊能力強(qiáng)。所選傳感器的精度指標(biāo)見表3。

表3 所選傳感器精度指標(biāo)

2.1.2 采樣單元設(shè)計

采樣單元設(shè)計是整個研制中比較重要的。為了使傳感器發(fā)揮最佳的性能，不使用傾角傳感器的數(shù)字輸出，而是使用其模擬量輸出，設(shè)置大片GND 覆銅圍繞傳感器。為減小電源的耦合噪聲，在電源與地間并入一個100 nf 的濾波電容，并使該電容盡量靠近電源引腳。另外在模擬輸出引腳上設(shè)置RC 低通濾波器以減小時鐘噪聲的影響。盡量縮短位移傳感器與采樣單元間的傳輸距離，傳輸導(dǎo)線線徑適當(dāng)增粗并加強(qiáng)屏蔽。高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，采用TI 公司的ADS1222 轉(zhuǎn)換芯片來完成AD 采樣，建立長度和傾角兩個差分通道，Δ-Σ 型24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后經(jīng)過數(shù)字濾波單元與MCU 進(jìn)行串口通信傳輸數(shù)據(jù)。在MCU 用戶程序處理中，我們連續(xù)對傾角通道的模擬量采集70 次，長度通道10 次。經(jīng)過數(shù)字濾波等一系列處理后，形成最終的顯示值。數(shù)字濾波采用限幅平均濾波法，對每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理，再送入隊列進(jìn)行遞推平均濾波處理，確保全量程非線性度0.0015%。采樣單元包含測溫功能，整體功耗控制在2.25 mW。我們將采用單獨(dú)的DC/DC 模塊對傳感器和采樣單元進(jìn)行供電。采樣單元原理見圖1。

圖1 采樣單元原理圖

2.1.3 顯示單元設(shè)計

考慮到作業(yè)環(huán)境的溫、濕度等諸多因素以及現(xiàn)有同類產(chǎn)品的不足，顯示屏采用有OLED 顯示器，其優(yōu)點(diǎn)在于使用溫度范圍寬（-40℃～80℃）、低功耗、抗震能力強(qiáng)、自發(fā)光、無視角問題、高亮度等。我們選用分辨率為256×64 像素2.8 英寸的顯示器，并在用戶程序建立時制作加大、加粗字體的字庫，顯示效果較同類其它產(chǎn)品改善很多。顯示屏功耗在所有像素全部點(diǎn)亮的情況下為600 mW。為避免這樣的功耗對電源質(zhì)量產(chǎn)生影響，我們使用獨(dú)立的DC/DC 模塊對顯示屏供電。

2.1.4 數(shù)顯裝置軟、硬件設(shè)計

軟件方面充分考慮操作、顯示、測量數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)等各方面功能。另外軟件在實(shí)現(xiàn)基本功能的同時，還做了多方面的優(yōu)化：

（1）對較易產(chǎn)生波動的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行軟件濾波處理，保證顯示值穩(wěn)定。

（2）增加長時間無操作自動關(guān)機(jī)功能，具有更好的節(jié)電性能。

（3）增加傾角傳感器簡單標(biāo)定功能。當(dāng)受外力碰撞或短時大溫差變化造成水平（傾角）讀數(shù)超差時，可使用簡單標(biāo)定功能在量程內(nèi)的任意測試點(diǎn)完成簡單標(biāo)定，恢復(fù)正確讀數(shù)。

（4）溫度補(bǔ)償功能。0 級尺工作溫域范圍為-30°～60°，尺身熱膨脹和電子元器件的溫飄會影響測量精度，因此測量值的溫度補(bǔ)償是必要的。系統(tǒng)實(shí)時采樣環(huán)境溫度，確定系統(tǒng)所處溫度環(huán)境。通過大量的高低溫實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出系統(tǒng)溫度修正公式，然后將修正公式寫入測量程序，使系統(tǒng)能根據(jù)其自身溫度對測量數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

在軌距超高測量模式下，程序的循環(huán)刷新時間500 ms，反應(yīng)靈敏、顯示清晰。軟件流程圖見圖2 所示。

圖2 軟件流程圖

2.2 尺身機(jī)械結(jié)構(gòu)研制

根據(jù)對現(xiàn)有同類軌距尺、作業(yè)環(huán)境和現(xiàn)場使用要求的調(diào)研，總結(jié)出針對機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計思路:(1)提高尺身強(qiáng)度，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性；(2)測量機(jī)構(gòu)優(yōu)化，消除外界因素對精度的影響；(3)提高防護(hù)性能，主要包括絕緣、防水和抗震方面的性能；(4)外觀美化設(shè)計。

根據(jù)以上幾點(diǎn)形成的具體設(shè)計如下：

（1）采用高強(qiáng)度尺身材料。為了提高尺身強(qiáng)度，我們采用碳纖維復(fù)合材料，并采用方管形結(jié)構(gòu)使尺身重量減輕，強(qiáng)度和剛性達(dá)到鋼材的3 倍以上，使用過程中不易變形，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）測量機(jī)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計。我們放棄了同類產(chǎn)品中采用的活動測頭懸臂結(jié)構(gòu)，設(shè)置測頭導(dǎo)向軸、直線軸承以及彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)，使測量機(jī)構(gòu)在各種受力模式下都能保證精度，操作方便靈活，測量機(jī)構(gòu)設(shè)計見圖3 所示。ABS 材質(zhì)的端套包覆電路板、傳感器和電池部件，有效地減少了外露部件，減小外界環(huán)境因素對測量精度的影響。

（3）防水、防振等相關(guān)防護(hù)性設(shè)計。為提高絕緣性能，尺身噴涂絕緣涂料，端套使用ABS 材料，在DC500 V 電壓下，兩測頭間絕緣電阻≥1 MΩ（t ≥1 min）?？紤]到防水和防震性能，優(yōu)化了端套拼接設(shè)計，將扣合處設(shè)置在側(cè)面，增加緊固點(diǎn)并使用防松件。按鍵面板采用薄膜按鍵開關(guān)貼附于絕緣端套上，膠面牢固防水，按鍵定義直觀、合理，操作簡便。

（4）獨(dú)特的耐磨搭軌片設(shè)計。在兩測頭搭軌面增設(shè)標(biāo)準(zhǔn)厚度的搭軌片，這項設(shè)計即保護(hù)了平行度要求較高的測頭搭軌面，又方便大量測量工作后搭軌片的更換，而且搭軌片的材質(zhì)有ABS、陶瓷等多種非金屬材料，可供用戶選擇。

（5）外觀設(shè)計美觀大方，見圖4 所示。

圖3 活動測頭結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖4 外觀美化效果圖

3 標(biāo)定（校準(zhǔn)）與現(xiàn)場試用

3.1 標(biāo)定方法

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺檢定規(guī)程》對軌距尺檢定器的技術(shù)要求，選用石家莊GJQ-0 型高精度鐵路軌距尺檢定器作為標(biāo)定臺，對軌距尺進(jìn)行標(biāo)定。

軌距尺的測量數(shù)據(jù)包括軌距、查照間隔、護(hù)背距離以及水平（超高），其中軌距、查照和護(hù)背都是長度值，且測量時兩端測量機(jī)構(gòu)的受力方向不一樣，因此需要分別標(biāo)定，以減少影響。同時，按照檢定規(guī)程的環(huán)境溫度要求，標(biāo)定方法如下：

（1）軌距標(biāo)定：采用兩點(diǎn)標(biāo)定，即1 435.00 mm 和1 470.00 mm 兩點(diǎn)。

（2）查照標(biāo)定：采用一點(diǎn)標(biāo)定方式，即標(biāo)定1 391.00 mm 點(diǎn)。

（3）護(hù)背標(biāo)定：采用一點(diǎn)標(biāo)定方式，即標(biāo)定1 348.00 mm 點(diǎn)。

（4）水平（超高）標(biāo)定：采用三點(diǎn)標(biāo)定方式，即標(biāo)定0.00 mm、100.00 mm、-100.00 mm 點(diǎn)。

3.2 現(xiàn)場校準(zhǔn)

水平基準(zhǔn)的現(xiàn)場校準(zhǔn)：現(xiàn)場校準(zhǔn)方法是通過兩次相反方向測量同一個水平基點(diǎn)（基點(diǎn)可在量程內(nèi)任意選取），然后軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后就能做到修正水平零點(diǎn)。該功能修正水平零點(diǎn)，不修正線性度。當(dāng)現(xiàn)場測量前因機(jī)械結(jié)構(gòu)在搬運(yùn)過程中受碰擦、撞擊或短時溫差變化大導(dǎo)致水平（超高）掉頭誤差較大（大于0.30 mm）時，可進(jìn)行水平基準(zhǔn)的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

3.3 現(xiàn)場試用

2011 年4 月，《SGC-0 型數(shù)顯式軌距測量尺》在上海鐵路局技術(shù)監(jiān)督所進(jìn)行了檢定。檢測結(jié)果表明，該型軌距尺的測量精度完全符合國家《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺檢定規(guī)程》（JJG219-2008）及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求。

自2011 年3 月起，SGC-0 型數(shù)顯式軌距測量尺分別在上海工務(wù)段、寧波工務(wù)段和上海局工務(wù)檢測所進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該型軌距尺功能齊全，操作靈活便利，OLED 顯示器數(shù)據(jù)清晰直觀，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測量精度高，受到工區(qū)使用人員的歡迎。