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1、轨距尺的智智能化与创新邵长胜 赵要武 张卓欣欣（北京铁路路局天津工工务段，天天津3000010）摘要：智能能型轨距尺尺采用高精精度直线位位移传感器器和倾角传传感器来对对轨距和水水平进行测测量，与其其他数显轨轨距尺不同同的是活动动测头采用用滚动测量量技术，能能连续不间间断地采集集数据并自自动判断、锁锁定轨距最最小值，使使轨距测量量更具科学学性。通过过本项创新新不但提高高了检测精精度，而且且也解决了了活动测头头的磨损问问题，是轨轨距尺结构构方面的一一项创新，实实现了智能能化，达到到了部颁00级轨距尺尺的规程要要求，满足足了高速铁铁路轨道线线路的检测测需要。关键词：轨轨距尺，智智能化，创创新，测量量
2、精度1、引言随着铁路列列车的提速速和高速列列车的开行行,对线路路设备不论论是维修质质量还是设设备检查精精度都提出出了更高的的标准。特特别是对轨轨道几何尺尺寸测量的的主要量具具轨距尺尺提出了“分级管理理”的要求,以满足高高速列车开开行的需要要。然而，目目前所使用用的轨距尺尺均为刻度度显示，在在日常使用用中由于受受其结构和和人为主观观判断等因因素影响，导导致测量数数值精度低低、误差大大，已无法法满足当前前高速铁路发发展的需要要。对此，铁道道部于20008年重重新修订了了TB/T1922420088标准轨距距铁路轨距距尺和中中华人民共共和国国家家计量检定定规程JJJG2199-20008铁路轨轨距尺
3、检检定规程。对对轨距尺的的生产和检检定提出了了新的标准准和要求。同同时，铁道道部还要求对1660KM/h以上区区段尽快普普及数字式式的新型轨轨距尺。鉴于上述情情况，近几几年国内有有关轨距尺尺生产厂家家投入了大大量的资金金开发研制制新型数显显式轨距尺尺。通过几几年的努力力，已有几几种数显轨轨距尺面市市进行试用用，但只是是处于试验验和改进阶段段。这些数数显轨距尺从技术上上和结构上上大致雷同同，只是在在测量数字字显示上采采用了高精精度的传感感器，在提提高检测精精度上做了了改进，但但从结构和和测量方法法方面还是是延用刻度度式滑动测测量方法，仍存存在着活动动测头磨耗耗大、人为为读数找点点误差大、检检定过
4、程繁繁琐等问题题。所以，需要要对轨距尺尺进行智能能化的创新新。2、智能轨轨距尺的基基本构造及独特特设计2.1结构构设计智能轨距尺尺由机械轨轨距尺基础础件、倾斜斜角传感器器、位移传传感器、数数据微处理理器及OLEDD显示装置置电池盒四四部分构成成。其中，电电池盒设计计在提手握握手内，给给传感器和和位移传动动导向机构构贡献出了了宝贵的空空间，使得得提手可以以从容的安安放在整尺尺的重心部部位，电子子显示开关关安放在提提手上，便便于现场操操作，整尺尺结构简洁洁、操作方方便、方便便携带。智能轨距尺尺主要结构构示意（见图1）:图11、活动测测头 2、活活动端搭轨轨铁 3、活动动端搭轨铁铁座 44、位移传传
5、感器连接接块 5、位移传传感器 6、数数据微处理理器及OLEDD显示盒（含含倾斜角传传感器） 7、提手(电池盒) 88、锂离子子电池 9、扳扳手 110、固定定端搭轨铁铁座 11、固定定端搭轨铁铁 112、固定定测头 133、位移传传动导向机机构2.2滚动动测头设计计该设计也是是本装置的的一个创新新点，与其其他数显轨轨距尺不同同的是该轨轨距尺的活活动测头采采用滚动测测量技术，能能连续不间间断地采集集数据并自自动判断、锁锁定轨距最最小值，使使轨距测量量更具科学学性。通过过本项技术术不但提高高了检测精精度，而且且也解决了了活动测头头的磨损问问题，是轨轨距尺结构构方面的一一项创新，降低了活动测头的机
6、械磨耗，并且完成了自动锁定轨距的目的，提高了检测精度和速度，方便了现场施工人员检测(见图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为为了满足高高速铁路线线路的检测测、维修而而设计的，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电电子加工技技术（Miicro elecctronnic mmechaanicss systtems 缩写MEEMS），利利用微机械械硅电容与与集成电路路技术，实
7、实现分辨率率小于0.007%,非线线性度小于于0.0115%的高高灵敏度倾倾角传感器器。敏感元元件与处理理电路集成成在一个封封装的电路路中，电路路还包含两两个微处理理器（Miicro-compputerr），一个个用于处理理驱动满足足规程规定定使用温度度要求的OOLED显显示，另一一个用于处处理倾斜角角传感器和和位移传感感器信号，温温度补偿、电电源管理、电电子轨距尺多种种智能功能能。倾角传传感器与显显示系统整整体具有：高稳定性性，高分辨辨率，低噪噪声；内置置温度传感感器（数字字SPI输输出）；温温度补偿与与线性度补补差；超强强的纠错能能力与保护护措施；数位自测测，奇偶校校验和电源源管理与自自动
8、关断功功能。3.1轨距距测量原理理通过拉动扳扳手带动导导杆做长度度方向的移移动，使得得连接在导导杆前端的的活动测头头及其联接接的位移传传感器拉杆杆与固定在在尺身上的的位移传感感器外壳产产生相对运运动，位移移传感器给给出对应的的电信号，由由此实现将将轨距尺滑滑动测头与与固定测头头之间所对对应的轨距距测量值的的电检测。位位移传感器器的信息传传输给数据据微处理器器，通过电电子显示面面版切换按按键，实现现轨距、查查照、护背背等不同测测量需求。微微处理器内内置温度传传感器实时时将当前温温度传输给给数据微处处理器，数数据微处理理器将接收收到的各种种信息经线线性度修正正与温度补补偿运算后后将当前的的轨距信息
9、息显示在OOLED液液晶屏上，从从而达到测测量轨距的的目的。温温度补偿程程序的作用用是：由于于尺身为铝铝合金材质质，其线胀胀系数与轨轨道上影响响轨距最直直接的轨枕枕的线胀系系数相差很很大，这样样就会在不不同温度下下测量出的的轨距产生生很大误差差，为了消消除因温度度而产生的的误差，特特设置温度度传感器实实时监控温温度的变化化，并将其其传输给数数据微处理理器，数据据微处理器器根据当前前的温度将将位移传感感器传来的的轨距信息息进行修正正，以保证证轨距尺在在不同温度度下测出轨轨距的准确确性。轨距测量采采用量程1000mm的高高耐磨长寿寿命（大于于500万万次）的直线位移移传感器，其线性度优于0.1，包
10、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框框图如图44所示：图4 智智能超高测测量电路框框图轨距系统采采用inttel80031单片片机，程序序存储在22764中中，临时数数据存储在在62644中，并行行接口及驱驱动电路负负责控制液液晶显示屏屏显示数据据，接受按按钮进行调调节和预制制。电源采采用直流77.4V供供电。单片片机部分稳稳压出一个个直流5VV。74lls3733负责地址址锁存，774ls1138负责责地址译码码，并为其其他所有需需要控制的
11、的部件提供供片选信号号。3.2超高高（水平）测测量原理超高（水平平）测量采采用高分辨辨率、高精精度倾斜角角传感器及及数据微处处理器组成成，量程88，其分辨辨率：0.0007，全量量程测量误误差0.0008。超高（水水平）测量量利用正弦弦函数计算算，原理如如图所示： 两股股钢轨间的的超高实际际上就是两两股钢轨顶顶面形成的的平面与水水平面夹角角A所对应应的直角边边的高度，即即超高值=15055sinAAh-超高（水水平）；q-倾倾斜角智能超高测测量电路框框图如图55所示：图5 智智能超高测测量电路框框图水平系统采采用inttel80031单片片机，程序序存储在22764中中，临时数数据存储在在62
12、644中，并行行接口及驱驱动电路负负责控制显显示屏显示示数据，接接受按钮进进行调节和和预制。电电源采用直直流7.44V供电。单单片机部分分稳压出一一个直流55V。744ls3773负责地地址锁存，774ls1138负责责地址译码码，并为其其他所有需需要控制的的部件提供供片选信号号。3.3数据据采集与处处理采用高分辨辨率、高精精度模数转转换器和高高性能微处处理器采集集和处理数数据，同时时采用差动动比例测量量和软件修修正方法实实现测量数数据的温度度修正。智能轨距尺尺电子测量量程序由下下列模块构构成：初始化程序序；数据采采集程序（倾倾角、位移移、温度）；数字滤波波程序；温温度计算程程序；温度度补偿计
13、算算程序；线线性校正程程序；超高高计算程序序；超高显显示程序；按键功能能程序；参参数存储程程序；多个个运算子程程序。4、测量范范围、技术术指标4.1测量量范围；显显示分辨力力标准轨距11435335mm；查照间隔隔1391110mmm；护背距距离1344810mmm；显示示分辨0.01mmm超高：对应应检定器 185mmm；显示示分辨0.01mmm温度：-449C99C，显示分分辨1C4.2测量量误差轨距：全量量程0.22mm；超高：水平平零位0.15mmm；全量程程误差0.3mm；调头累计计误差0.3mm；主要检测项项目的测量范围围和准确度如下下：- 检测项项目 测量范围围 检测测精度 显示
14、分辨辨轨 距 141014470 mmm 0.25mm 00.01mmm查照间隔 1138114011 mm 0.30mm 00.01mmm护背距离 1333813358 mm 0.30mm 00.01mmm水 平 0.155mm 0.01mmm超 高 185mmm 0.3mmm 00.01mmm超高调头 0.3mmm -4.3电源源性能电源采用两两节大容量锂锂离子充电电电池，可可在额定电电压的-115%+25%间间正常工作作。在0环境下，可可连续工作作不少于550小时，欠欠电报警后后可连续工工作不少于于8小时。5、适用环环境及技术术指标确定定依据温度环境：由元器件件温度指标标和环境温温度试验
15、确确定。利用用单片机进进行给定温温度段的智智能补偿处处理。通过过环境温度度试验，可可在-300C+55C温度下工工作。抗震能力：500mmm高处自自由跌落后后能正常工工作。湿度环境：可在+440C，93%RH湿度度下工作，传传感器和仪仪表的电子子元器件全全部密封（胶胶封、塑封封），关键键部位强化化密封。亮暗环境：高对比度度发光显示示，可在白白天、夜间间以及隧道道中使用。5.1位移移传感器量程：1000 mmm电阻：5 KW非线性误差差：0.11输出范围：05VV使用温度：-60+1500接口电路采采用比例测测量方案，消消除基准电电压和位移移电阻的温温度漂移对对测量结果果的影响。尺尺身材料热热胀
16、冷缩引引起轨距测测量数值的的变化，由由软件计算算进行修正正。5.2倾角角传感器测量范围：8频率响应：8Hz零位误差：0.0005（校准准以后）灵敏度：2280mVV/灵敏度误差差： 0.05非线性误差差： 0.1（校准以以后）零位温度系系数： 0.0002/C灵敏度温度度系数： 0.0113%/C分辨率：00.00113长期稳定性性： 00.0044采用差动测测量和软件件修正方法法实现测量量数据的温温度修正。5.3位移移（轨距）测测量的不确确定度位移（轨距距）测量部部分由位移移传感器、基基准电压源源和14位位A/D转转换器组成成。基准电电压源的温温度漂移已已由比例测测量原理消消除。位移传感器器
17、的非线性性误差 0.1，绝对误误差10000.10.11mm 114位A/D转换器器的积分非非线性误差差2LSBB，相对值值2/22140.012，绝对值值10000.011200.0122 mm尺身材料热热胀冷缩引引起轨距测测量误差 0.011，绝对对误差115050.0110.15mmm 所所以，位移移（轨距）测测量的总不不确定度为为 mm5.4水平平（超高）测测量的不确确定度水平（超高高）测量部部分由倾角角传感器、差差分放大器器、16位位A/D转转换器和基基准电压源源组成。后后三个单元元的温度漂漂移由测量量过程中的的自动校准准措施消除除。倾角传感器器的零位误误差0.005，相相当于超高高
18、误差11505ssin0.0050.133 mm倾角传感器器的非线性性误差 0.1，绝对误误差18850.10.1185mmm差分放大器器增益误差差20pppm，绝绝对误差20/11061850.00037 mmm差分放大器器和16位位A/D转转换器的积积分非线性性误差115ppmm，相对值值215/1106 2160.5LSBB，或215/11060.0003，绝绝对值11850.000300.00555 mmm 所所以，水平平（超高）测测量的总不不确定度为为 mm6、应用效效果样尺已在提提速线路的的工务段上上推广试用用，用户反反映效果良良好，同其其他轨距尺尺相比在各各方面性能能上都有较较大
19、突破。高高精度位移移传感器、倾倾斜角传感感器和滚动动轴承技术术的引进，实实现了轨距距、水平的的数字智能能化的测量量。检定人人员只需对对91、448、14435、水水平0位四四点进行标标定即可完完成一次检检定工作，提提高了工作作效率。达达到了测量量精度高、速速度快、范范围广的目目的，同时时降低了机机械磨耗，减减小了维修修投入。图6 现场使用照片该轨距尺经经铁道部标标准计量所所检验，满满足中华华人民共和和国国家计计量检定规规程JJGG219-20088铁路轨距距尺新规规程的要求求，满足部部颁0级轨轨距尺检定定规程标准准的要求，能能对1600km/hh的高速线线路实施检检测。通过过成果的应应用，改变
20、变了过去传传统的刻度度式轨距尺尺的测量方方式，对确确保和提高高线路、道道岔维修养养护质量具具有重要作作用，特别别是对线路路、道岔动动态下的检检测维修能能提供准确确的科学依依据，能有有效地消灭灭轨道几何何尺寸不良良等病害，提提高了旅客客的舒适度度，满足了了线路、道道岔维修质质量实现“0”误差的要要求，防止止了重复作作业和无效效劳动。另另外，采用用的OLEED显示屏屏显示清晰晰，而且具具有背光和和延时自动动关机的功功能，尤其其是在高低低温、湿热热、雨淋等等环境工作作中经得住住考验，适适用于全天天候作业。7、结束语语该智能轨距距尺是对传传统铁道轨轨距尺的一一次革命性性的突破，通过4点校准即可完成一次
21、测量，让操作者快而准的找到轨距的最小值和水平（超高）数值。活动测头滚动摩擦取代滑动摩擦，提高了测量精度，降低了机械磨损。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快快速崛起，按按现在的发发展步伐，到到20122年底，我我国高速铁铁路里程将将达到1.3万公里里，这将超过过世界其他他国家高速速铁路里程程的总和。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：北京京铁路局天天津工务段段 邵长长胜 工工程师 电话：03317-779428865 路电：023422865