SGC-0 型數顯式軌距尺的研制

俞炳杰 胡雄偉 上海鐵路局科研所

近年來，我局時速250 km 客運專線以及時速350 km 高速鐵路相繼投入運營。而根據鐵道部《關于明確軌尺使用要求的通知》等相關標準的規定，v＞250 km/h 線路必須使用0級軌距尺進行測量，現在普遍使用的機械式軌距尺以及1 級數顯式軌距尺都已不能滿足客運專線和高速鐵路的檢測精度要求。路局科研所、工務處等單位聯合提出研發并生產符合鐵道部技術要求的新型0 級數顯式軌距尺課題，期待以低成本、高標準的方式解決現場需求。

1 0 級軌距尺技術要求與現有產品情況

1.1 技術要求

《標準軌距鐵路軌距尺》（TB/T 1924-2008）的行業標準對0 級數顯式軌距測量尺提出了全面的要求，其中最主要的技術要求為測量示值誤差及重復性要求（具體見表1）。

表1 測量示值誤差及重復性要求 單位：mm

除表1 這些要求外，標準還對測量范圍、尺身材料、工作電源等多方面技術指標進行了要求。相關的規定請參考該標準，在此不再贅述。

1.2 現有產品情況

目前，國內已有幾款同類型的數顯式軌距測量尺，其精度和功能基本上能滿足相應提速和客運專線的使用要求，但也存在較多缺點和不足，主要有以下幾點：（1）顯示屏小、數值易跳動，強光照射時造成的讀數困難；（2）尺身強度較低、易變形；（3）防水、防振等防護性較低；（4）因為手柄設計不合理、操作不便造成的測量準確性與人為因素相關性較大；（5）價格昂貴，售后服務不便。

2 0 級軌距尺總體研制

0 級數顯式軌距尺的研制將包括數顯式電子測量模塊研制、尺身機械結構設計兩部分。兩部分的研制都應以滿足《鐵標》要求，同時避免現有產品使用中的缺點為目標。

2.1 數顯式電子測量模塊研制

根據《鐵標》對測量精度、穩定性等方面的要求，數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、護背的測量通過位移傳感器采樣數據得到，水平（超高）的測量通過傾角傳感器采樣數據并經過轉換得到。根據鐵標相關章節，傳感器指標要求見表2。

表2 傳感器指標要求

根據以上要求經過選型比較，位移傳感器采用高精度導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，長期穩定性好，溫度特性優良，抗沖擊能力強。所選傳感器的精度指標見表3。

表3 所選傳感器精度指標

2.1.2 采樣單元設計

采樣單元設計是整個研制中比較重要的。為了使傳感器發揮最佳的性能，不使用傾角傳感器的數字輸出，而是使用其模擬量輸出，設置大片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，傳輸導線線徑適當增粗并加強屏蔽。高精度模數轉換單元，采用TI 公司的ADS1222 轉換芯片來完成AD 采樣，建立長度和傾角兩個差分通道，Δ-Σ 型24 位模數轉換，轉換后經過數字濾波單元與MCU 進行串口通信傳輸數據。在MCU 用戶程序處理中，我們連續對傾角通道的模擬量采集70 次，長度通道10 次。經過數字濾波等一系列處理后，形成最終的顯示值。數字濾波采用限幅平均濾波法，對每次采樣到的新數據先進行限幅處理，再送入隊列進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。我們將采用單獨的DC/DC 模塊對傳感器和采樣單元進行供電。采樣單元原理見圖1。

圖1 采樣單元原理圖

2.1.3 顯示單元設計

考慮到作業環境的溫、濕度等諸多因素以及現有同類產品的不足，顯示屏采用有OLED 顯示器，其優點在于使用溫度范圍寬（-40℃～80℃）、低功耗、抗震能力強、自發光、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品改善很多。顯示屏功耗在所有像素全部點亮的情況下為600 mW。為避免這樣的功耗對電源質量產生影響，我們使用獨立的DC/DC 模塊對顯示屏供電。

2.1.4 數顯裝置軟、硬件設計

軟件方面充分考慮操作、顯示、測量數據處理、校準等各方面功能。另外軟件在實現基本功能的同時，還做了多方面的優化：

（1）對較易產生波動的模數轉換通道進行軟件濾波處理，保證顯示值穩定。

（2）增加長時間無操作自動關機功能，具有更好的節電性能。

（3）增加傾角傳感器簡單標定功能。當受外力碰撞或短時大溫差變化造成水平（傾角）讀數超差時，可使用簡單標定功能在量程內的任意測試點完成簡單標定，恢復正確讀數。

（4）溫度補償功能。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償是必要的。系統實時采樣環境溫度，確定系統所處溫度環境。通過大量的高低溫實驗，總結出系統溫度修正公式，然后將修正公式寫入測量程序，使系統能根據其自身溫度對測量數值進行溫度補償。

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

圖2 軟件流程圖

2.2 尺身機械結構研制

根據對現有同類軌距尺、作業環境和現場使用要求的調研，總結出針對機械結構方面的設計思路:(1)提高尺身強度，增強環境適應性；(2)測量機構優化，消除外界因素對精度的影響；(3)提高防護性能，主要包括絕緣、防水和抗震方面的性能；(4)外觀美化設計。

根據以上幾點形成的具體設計如下：

（1）采用高強度尺身材料。為了提高尺身強度，我們采用碳纖維復合材料，并采用方管形結構使尺身重量減輕，強度和剛性達到鋼材的3 倍以上，使用過程中不易變形，提高了系統的穩定性。

（2）測量機構的獨特設計。我們放棄了同類產品中采用的活動測頭懸臂結構，設置測頭導向軸、直線軸承以及彈簧復位機構，使測量機構在各種受力模式下都能保證精度，操作方便靈活，測量機構設計見圖3 所示。ABS 材質的端套包覆電路板、傳感器和電池部件，有效地減少了外露部件，減小外界環境因素對測量精度的影響。

（3）防水、防振等相關防護性設計。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）。考慮到防水和防震性能，優化了端套拼接設計，將扣合處設置在側面，增加緊固點并使用防松件。按鍵面板采用薄膜按鍵開關貼附于絕緣端套上，膠面牢固防水，按鍵定義直觀、合理，操作簡便。

（4）獨特的耐磨搭軌片設計。在兩測頭搭軌面增設標準厚度的搭軌片，這項設計即保護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，而且搭軌片的材質有ABS、陶瓷等多種非金屬材料，可供用戶選擇。

（5）外觀設計美觀大方，見圖4 所示。

圖3 活動測頭結構設計圖

圖4 外觀美化效果圖

3 標定（校準）與現場試用

3.1 標定方法

根據《標準軌距鐵路軌距尺檢定規程》對軌距尺檢定器的技術要求，選用石家莊GJQ-0 型高精度鐵路軌距尺檢定器作為標定臺，對軌距尺進行標定。

軌距尺的測量數據包括軌距、查照間隔、護背距離以及水平（超高），其中軌距、查照和護背都是長度值，且測量時兩端測量機構的受力方向不一樣，因此需要分別標定，以減少影響。同時，按照檢定規程的環境溫度要求，標定方法如下：

（1）軌距標定：采用兩點標定，即1 435.00 mm 和1 470.00 mm 兩點。

（2）查照標定：采用一點標定方式，即標定1 391.00 mm 點。

（3）護背標定：采用一點標定方式，即標定1 348.00 mm 點。

（4）水平（超高）標定：采用三點標定方式，即標定0.00 mm、100.00 mm、-100.00 mm 點。

3.2 現場校準

水平基準的現場校準：現場校準方法是通過兩次相反方向測量同一個水平基點（基點可在量程內任意選取），然后軟件對測量數據進行分析后就能做到修正水平零點。該功能修正水平零點，不修正線性度。當現場測量前因機械結構在搬運過程中受碰擦、撞擊或短時溫差變化大導致水平（超高）掉頭誤差較大（大于0.30 mm）時，可進行水平基準的現場校準。

3.3 現場試用

2011 年4 月，《SGC-0 型數顯式軌距測量尺》在上海鐵路局技術監督所進行了檢定。檢測結果表明，該型軌距尺的測量精度完全符合國家《標準軌距鐵路軌距尺檢定規程》（JJG219-2008）及相關技術標準規定的技術要求。

自2011 年3 月起，SGC-0 型數顯式軌距測量尺分別在上海工務段、寧波工務段和上海局工務檢測所進行了現場應用。應用結果表明，該型軌距尺功能齊全，操作靈活便利，OLED 顯示器數據清晰直觀，測試數據穩定，測量精度高，受到工區使用人員的歡迎。