33--轨距尺的智能化与创新

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1、轨距尺的智能化与创新邵长胜 赵要武 张卓欣（北京铁路局天津工务段，天津300010）摘要：智能能型轨距距尺采用用高精度度直线位位移传感感器和倾倾角传感感器来对对轨距和和水平进进行测量量，与其其他数显显轨距尺尺不同的的是活动动测头采采用滚动动测量技技术，能能连续不不间断地地采集数数据并自自动判断断、锁定定轨距最最小值，使使轨距测测量更具具科学性性。通过过本项创创新不但但提高了了检测精精度，而而且也解解决了活活动测头头的磨损损问题，是是轨距尺尺结构方方面的一一项创新新，实现现了智能能化，达达到了部部颁0级级轨距尺尺的规程程要求，满满足了高高速铁路路轨道线线路的检检测需要要。关键词：轨轨距尺，智智能

2、化，创创新，测测量精度度1、引言随着铁路列列车的提提速和高高速列车车的开行行,对线线路设备备不论是是维修质质量还是是设备检检查精度度都提出出了更高高的标准准。特别别是对轨轨道几何何尺寸测测量的主主要量具具轨距距尺提出出了“分级管管理”的要求求,以满满足高速速列车开开行的需需要。然然而，目目前所使使用的轨轨距尺均均为刻度度显示，在在日常使使用中由由于受其其结构和和人为主主观判断断等因素素影响，导导致测量量数值精精度低、误误差大，已已无法满满足当前前高速铁路路发展的的需要。对此，铁道部于2008年重新修订了TB/T19242008标准轨距铁路轨距尺和中华人民共和国国家计量检定规程JJG219-20

3、08铁路轨距尺检定规程。对轨距尺的生产和检定提出了新的标准和要求。同时，铁道部还要求对160KM/h以上区段尽快普及数字式的新型轨距尺。鉴于上述情情况，近近几年国国内有关关轨距尺尺生产厂厂家投入入了大量量的资金金开发研研制新型型数显式式轨距尺尺。通过过几年的的努力，已已有几种种数显轨轨距尺面面市进行行试用，但只是处于试验和改进阶段。这些数显轨距尺从技术上和结构上大致雷同，只是在测量数字显示上采用了高精度的传感器，在提高检测精度上做了改进，但从结构和测量方法方面还是延用刻度式滑动测量方法，仍存在着活动测头磨耗大、人为读数找点误差大、检定过程繁琐等问题。所以，需要对轨距尺进行智能化的创新。2、智能

4、轨轨距尺的的基本构构造及独独特设计计2.1结构构设计智能轨距尺尺由机械械轨距尺尺基础件件、倾斜斜角传感感器、位位移传感感器、数数据微处处理器及及OLEED显示示装置电电池盒四四部分构构成。其其中，电电池盒设设计在提提手握手手内，给给传感器器和位移移传动导导向机构构贡献出出了宝贵贵的空间间，使得得提手可可以从容容的安放放在整尺尺的重心心部位，电电子显示示开关安安放在提提手上，便便于现场场操作，整尺结构简洁、操作方便、方便携带。智能轨距尺尺主要结结构示意意（见图1）:图11、活动测测头 22、活动动端搭轨轨铁 3、活活动端搭搭轨铁座座 44、位移移传感器器连接块块 5、位移传传感器 6、数数据微处

5、处理器及及OLEED显示示盒（含含倾斜角角传感器器） 7、提手(电池盒盒) 88、锂离离子电池池 9、扳扳手 100、固定定端搭轨轨铁座 11、固定定端搭轨轨铁 122、固定定测头 13、位位移传动动导向机机构2.2滚动动测头设设计该设计也是是本装置置的一个个创新点点，与其其他数显显轨距尺尺不同的的是该轨轨距尺的的活动测测头采用用滚动测测量技术术，能连连续不间间断地采采集数据据并自动动判断、锁锁定轨距距最小值值，使轨轨距测量量更具科科学性。通通过本项项技术不但但提高了了检测精精度，而而且也解解决了活活动测头头的磨损损问题，是是轨距尺尺结构方方面的一一项创新新，降低低了活动动测头的的机械磨磨耗，

6、并并且完成成了自动动锁定轨轨距的目目的，提提高了检检测精度度和速度度，方便便了现场场施工人人员检测测(见图图2、3)。图2 滚动侧头图3 滚动测量示意 3、工作原原理智能轨距尺尺主要是是为了满满足高速速铁路线线路的检检测、维维修而设设计的，采用了高精度的倾斜角传感器、位移传感器和高性能微处理器以及智能软件，可以测量铁路线路的轨距、水平（超高）和道岔的查照间隔、护背距离等参数。在设计制造中强化了技术指标、使用环境、电池和功耗，以及操作方便性。倾角传感器器采用微微电子加加工技术术（Miicroo ellecttronnic mecchannicss sysstemms 缩缩写MEEMS），利利用微

7、机机械硅电电容与集集成电路路技术，实实现分辨辨率小于于0.0007%,非非线性度度小于00.0115%的的高灵敏敏度倾角角传感器器。敏感感元件与与处理电电路集成成在一个个封装的的电路中中，电路路还包含含两个微处处理器（MMicrro-ccompputeer），一一个用于于处理驱驱动满足足规程规规定使用用温度要要求的OOLEDD显示，另另一个用用于处理理倾斜角角传感器器和位移移传感器器信号，温温度补偿偿、电源源管理、电电子轨距距尺多种种智能功功能。倾倾角传感感器与显显示系统统整体具具有：高高稳定性性，高分分辨率，低低噪声；内置温温度传感感器（数数字SPPI输出出）；温温度补偿偿与线性性度补差差；

8、超强强的纠错错能力与与保护措措施；数位自自测，奇奇偶校验验和电源源管理与与自动关关断功能能。3.1轨距距测量原原理通过拉动扳扳手带动动导杆做做长度方方向的移移动，使使得连接接在导杆杆前端的的活动测测头及其其联接的的位移传传感器拉拉杆与固固定在尺尺身上的的位移传传感器外外壳产生生相对运运动，位位移传感感器给出出对应的的电信号号，由此此实现将将轨距尺尺滑动测测头与固固定测头头之间所所对应的的轨距测测量值的的电检测测。位移移传感器器的信息息传输给给数据微微处理器器，通过过电子显显示面版版切换按按键，实实现轨距距、查照照、护背背等不同同测量需需求。微微处理器器内置温温度传感感器实时时将当前前温度传传输

9、给数数据微处处理器，数数据微处处理器将将接收到到的各种种信息经经线性度度修正与与温度补补偿运算算后将当当前的轨轨距信息息显示在在OLEED液晶晶屏上，从从而达到到测量轨轨距的目目的。温温度补偿偿程序的的作用是是：由于于尺身为为铝合金金材质，其其线胀系系数与轨轨道上影影响轨距距最直接接的轨枕枕的线胀胀系数相相差很大大，这样样就会在在不同温温度下测测量出的的轨距产产生很大大误差，为为了消除除因温度度而产生生的误差差，特设设置温度度传感器器实时监监控温度度的变化化，并将将其传输输给数据据微处理理器，数数据微处处理器根根据当前前的温度度将位移移传感器器传来的的轨距信信息进行行修正，以以保证轨轨距尺在在

10、不同温温度下测测出轨距距的准确确性。轨距测量采采用量程程1000mm的的高耐磨磨长寿命命（大于于5000万次）的直线位移传感器，其线性度优于0.1，包括机械系统误差全行程误差0.2mm。测量实际轨距的变化部分（和标准值比，如1435mm），最终结果标准值变化值。根据实际情况，在143513911348之间进行量程变换。智能轨距测测量电路路框图如如图4所示：图4 智智能超高高测量电电路框图图轨距系统采采用inntell80331单片片机，程程序存储储在27764中中，临时时数据存存储在662644中，并并行接口口及驱动动电路负负责控制制液晶显显示屏显显示数据据，接受受按钮进进行调节节和预制制。电

11、源源采用直直流7.4V供供电。单单片机部部分稳压压出一个个直流55V。774lss3733负责地地址锁存存，744ls1138负负责地址址译码，并并为其他他所有需需要控制制的部件件提供片片选信号号。3.2超高高（水平平）测量量原理超高（水平平）测量量采用高高分辨率率、高精精度倾斜斜角传感感器及数数据微处处理器组组成，量量程8，其分分辨率：0.0007，全全量程测测量误差差0.0008。超高（水水平）测测量利用用正弦函函数计算算，原理理如图所所示： 两股股钢轨间间的超高高实际上上就是两两股钢轨轨顶面形形成的平平面与水水平面夹夹角A所所对应的的直角边边的高度度，即超超高值=15005sinnAh-

12、超高（水水平）；q-倾斜斜角智能超高测测量电路路框图如如图5所示：图5 智智能超高高测量电电路框图图水平系统采采用inntell80331单片片机，程程序存储储在27764中中，临时时数据存存储在662644中，并并行接口口及驱动动电路负负责控制制显示屏屏显示数数据，接接受按钮钮进行调调节和预预制。电电源采用用直流77.4VV供电。单单片机部部分稳压压出一个个直流55V。774lss3733负责地地址锁存存，744ls1138负负责地址址译码，并并为其他他所有需需要控制制的部件件提供片片选信号号。3.3数据据采集与与处理采用高分辨辨率、高高精度模模数转换换器和高高性能微微处理器器采集和和处理数

13、数据，同同时采用用差动比比例测量量和软件件修正方方法实现现测量数数据的温温度修正正。智能轨距尺尺电子测测量程序序由下列列模块构构成：初始化程序序；数据据采集程程序（倾倾角、位位移、温温度）；数字滤滤波程序序；温度度计算程程序；温温度补偿偿计算程程序；线线性校正正程序；超高计计算程序序；超高高显示程程序；按按键功能能程序；参数存存储程序序；多个个运算子子程序。4、测量范范围、技技术指标标4.1测量量范围；显示分分辨力标准轨距11435535mmm；查查照间隔隔13991100mm；护背距距离13348110mmm；显示示分辨00.011mm超高：对应应检定器器 1885mmm；显示示分辨00.0

14、11mm温度：-449C99C，显示示分辨11C4.2测量量误差轨距：全量量程0.2mmm；超高：水平平零位00.155mm；全量程程误差00.3mmm；调调头累计计误差00.3mmm；主要检测项项目的测量范范围和准准确度如如下：- 检测测项目 测量量范围 检测测精度 显显示分辨辨轨 距 1410014470 mm 0.255mm 0.01mmm查照间隔 1338114001 mmm 0.300mm 0.01mmm护背距离 1333813558 mm 0.300mm 0.01mmm水 平 0.115mmm 00.011mm超 高 1855mm 0.33mm 00.011mm超高调头 0.33m

15、m -4.3电源源性能电源采用两两节大容量量锂离子子充电电电池，可可在额定定电压的的-155%+25%间正常常工作。在在0环境下下，可连连续工作作不少于于50小小时，欠欠电报警警后可连连续工作作不少于于8小时时。5、适用环环境及技技术指标标确定依依据温度环境：由元器器件温度度指标和和环境温温度试验验确定。利利用单片片机进行行给定温温度段的的智能补补偿处理理。通过过环境温温度试验验，可在在-300C+55C温度下下工作。抗震能力：5000mm高高处自由由跌落后后能正常常工作。湿度环境：可在+40C，933%RHH湿度下下工作，传传感器和和仪表的的电子元元器件全全部密封封（胶封封、塑封封），关关键

16、部位位强化密密封。亮暗环境：高对比比度发光光显示，可可在白天天、夜间间以及隧隧道中使使用。5.1位移移传感器器量程：1000 mmm电阻：5 KW非线性误差差：0.1输出范围：055V使用温度：-60+1550接口电路采采用比例例测量方方案，消消除基准准电压和和位移电电阻的温温度漂移移对测量量结果的的影响。尺尺身材料料热胀冷冷缩引起起轨距测测量数值值的变化化，由软软件计算算进行修修正。5.2倾角角传感器器测量范围：8频率响应：8Hzz零位误差：0.0005（校校准以后后）灵敏度：2280mmV/灵敏度误差差： 00.055非线性误差差： 0.11（校校准以后后）零位温度系系数： 0.0002/

17、CC灵敏度温度度系数： 0.0013%/CC分辨率：00.00013长期稳定性性： 0.0004采用差动测测量和软软件修正正方法实实现测量量数据的的温度修修正。5.3位移移（轨距距）测量量的不确确定度位移（轨距距）测量量部分由由位移传传感器、基基准电压压源和114位AA/D转转换器组组成。基基准电压压源的温温度漂移移已由比比例测量量原理消消除。位移传感器器的非线线性误差差 0.11，绝绝对误差差10000.1100.1mmm 114位AA/D转转换器的的积分非非线性误误差2LLSB，相相对值2/221400.0112，绝绝对值10000.00120.0122 mmm尺身材料热热胀冷缩缩引起轨轨

18、距测量量误差 0.001，绝绝对误差差155050.0010.115mmm 所所以，位位移（轨轨距）测测量的总总不确定定度为 mm5.4水平平（超高高）测量量的不确确定度水平（超高高）测量量部分由由倾角传传感器、差差分放大大器、116位AA/D转转换器和和基准电电压源组组成。后后三个单单元的温温度漂移移由测量量过程中中的自动动校准措措施消除除。倾角传感器器的零位位误差0.0005，相相当于超超高误差差15505ssin00.000500.133 mmm倾角传感器器的非线线性误差差 0.11，绝绝对误差差18850.1100.1885mmm差分放大器器增益误误差220pppm，绝绝对误差差200

19、/100618550.00337 mmm差分放大器器和166位A/D转换换器的积积分非线线性误差差155ppmm，相对对值2215/1066 21600.5LLSB，或或215/10660.0033，绝绝对值18550.00030.00555 mmm 所所以，水水平（超超高）测测量的总总不确定定度为 mm6、应用效效果样尺已在提提速线路路的工务务段上推推广试用用，用户户反映效效果良好好，同其其他轨距距尺相比比在各方方面性能能上都有有较大突突破。高高精度位位移传感感器、倾倾斜角传传感器和和滚动轴轴承技术术的引进进，实现现了轨距距、水平平的数字字智能化化的测量量。检定定人员只只需对991、448、

20、114355、水平平0位四四点进行行标定即即可完成成一次检检定工作作，提高高了工作作效率。达达到了测测量精度度高、速速度快、范范围广的的目的，同同时降低低了机械械磨耗，减减小了维维修投入入。图6 现场使用照片该轨距尺经经铁道部部标准计计量所检检验，满满足中中华人民民共和国国国家计计量检定定规程JJJG2219-20008铁路路轨距尺尺新规规程的要要求，满满足部颁颁0级轨轨距尺检检定规程程标准的的要求，能能对1660kmm/h的的高速线线路实施施检测。通通过成果果的应用用，改变变了过去去传统的的刻度式式轨距尺尺的测量量方式，对对确保和和提高线线路、道道岔维修修养护质质量具有有重要作作用，特特别是

21、对对线路、道道岔动态态下的检检测维修修能提供供准确的的科学依依据，能能有效地地消灭轨轨道几何何尺寸不不良等病病害，提提高了旅旅客的舒舒适度，满满足了线线路、道道岔维修修质量实实现“0”误差的的要求，防防止了重重复作业业和无效效劳动。另另外，采采用的OOLEDD显示屏屏显示清清晰，而而且具有有背光和和延时自自动关机机的功能能，尤其其是在高高低温、湿湿热、雨雨淋等环环境工作作中经得得住考验验，适用用于全天天候作业业。7、结束语语该智能轨距距尺是对对传统铁铁道轨距距尺的一一次革命命性的突突破，通通过4点点校准即即可完成成一次测测量，让操作作者快而而准的找找到轨距距的最小小值和水水平（超超高）数数值。

22、活动测测头滚动动摩擦取取代滑动动摩擦，提提高了测测量精度度，降低低了机械械磨损。其符合了我国铁路跨越式的发展要求，达到了方便、精确、美观、耐用的目的，使工务系统的线路维护工人从传统的检测方式转化到集电子化、数字化、智能化的高科技检测技术中来。我国高速铁铁路正在在快速崛崛起，按按现在的的发展步步伐，到到20112年底底，我国国高速铁铁路里程程将达到到1.33万公里里，这将将超过世世界其他他国家高高速铁路路里程的的总和。为满足这一趋势，该智能轨距尺在测量精度及制造维修成本上都体现出了特有的技术优势，既满足了铁道部对工务设备提出的新标准，又能迅速在高速铁路中普及，符合了当前发展趋势，具有较高的推广价值。作者联系方方式：北北京铁路路局天津津工务段段 邵邵长胜 工程程师 电话：03317-794428665 路电电：0223422865516