數顯式站臺限界測量尺研制

胡雄偉 上海鐵路局科研所

在跨越式發展大背景下，鐵路對限界管理要求越來越高，站臺的限界測量作業量也隨之越來越大，因此，對限界測量設備的測量精度和作業效率的要求也越來越高。目前，國內站臺限界測量主要采用Z字形木質尺和L形鋁質游標刻度尺。測量過程中存在操作復雜、結構不穩定、作業效率低、人為測量誤差大等缺陷，不能滿足鐵路站臺限界測量和管理工作的需要。SZXC-A型數顯式站臺尺是采用單片機技術、信號傳感技術、信號處理技術等綜合而成的電子產品，采用高精度位移和傾角傳感器，可以對鐵路客貨運站臺限界值進行高精度測量。

1 數顯式站臺限界測量尺總體設計

1.1 測量原理

圖1 測量模型圖

針對現有站臺限界測量尺的優缺點，并結合現場條件和用戶需求，該測量計算原理采用相對比較簡單的三角形測量原理。先測量獲得直角三角形的斜邊和一個內角，然后換算兩條直角邊，即將可伸縮式中空腔體結構尺身的任意一端固定在內側鋼軌上，另一端搭架在站臺上，然后由CPU采集桿尺長度和尺身傾斜角度，并根據三角形原理計算出站臺上表面相對內側鋼軌軌頂面的鉛錘高度（簡稱豎高）和站臺帽側面到軌道中心鉛垂線的水平橫向距離（簡稱橫距）。相對傳統測量尺，這樣的測量方式方便快捷，圖1為測量模型。

該站臺尺采用單軌測量模式，因線路存在超高，采用三角形測量原理計算橫距和豎高時，必須考慮超高的影響。

（1）無超高情況

線路無超高時，線路中心鉛垂線與軌頂平面中心法線重合，測量簡化圖如圖2所示。此時鉛垂線和法線夾角約為0，假定尺身長度為L，尺身傾斜角度為A，則橫距H=L×cosA+753，豎高G=L×sinA+30；（注：30為軌頂面到尺身轉軸處高度）。

圖2 無超高時測量簡化圖

（2）外軌超高情況

線路存在外軌超高時，線路中心鉛垂線與軌頂平面中心法線不重合，測量簡化圖如圖3所示。此時鉛垂線和法線夾角約為B度，假定尺身長度為L，尺身傾斜角度為A，則橫距H=L×cosA+753×cosB+30×sinB，豎高G=L×sinA+30×cosB。

（3）內軌超高情況

線路存在內軌超高時，線路中心鉛垂線與軌頂平面中心法線不重合，測量簡化圖如圖4所示。此時鉛垂線和法線夾角約為B度，假定尺身長度為L，尺身傾斜角度為A，則橫距

綜上分析可知，豎高G和橫距H的計算公式可以統一為：H=L×cosA+753×cosB+30×sinB；G=L×sinA+30×cosB，其中，外軌超高時，B取正，內軌超高時，B取負。

圖3 外超高時測量簡化圖

圖4 內超高時測量簡化圖

表1 修正值選擇表（簡化）

1.2 結構設計

為提高作業效率和實用性，并兼顧高低站臺測量范圍，站臺尺整體結構采用可伸縮式的中空腔體結構，尺身由主尺和副尺兩部分組成。整尺機械結構設計如圖5所示。

圖5 整尺機械結構圖

測量作業時，首先將固定于主尺的帶磁性的仿形支座吸合在內側鋼軌上，然后拉伸出副尺，使副尺上的L型鉸鏈尺貼合于站臺面，然后調節微調手輪使L形鉸鏈尺上的水準泡保持水平，CPU根據采集的傳感器數據計算出站臺上表面相對內側鋼軌軌面的鉛錘高度和站臺帽側面到軌道中心的水平橫距，最后在電子顯示器上進行讀數。

（1）測量導向機構

測量狀態下，必須考慮受力對測量精度的影響，尺身整體受力主要考慮自身重力和操作時的下壓力，因而導向機構采用兩塊滑塊，減小結構形變，同時在導軌末端添加尼龍支撐槽以提保證主副尺的導向精度。

（2）貼近微調機構

由于測量尺斜搭于站臺和內側軌道之上，測量過程中如靠手拉動伸縮尺，難免會使尺身產生彈性變形而影響測量精度，故在主尺與副尺的導向之間設計了一個齒輪微調機構，以提高操作準確性和穩定性。

1.4 傳感器選型

針對現有站臺限界測量尺的優缺點，并結合現場條件和用戶需求，我們提出的主要技術要求如表2所示。

表2 站臺限界測量尺的主要技術要求（mm）

圖6 L形鉸鏈尺頭部的滾輪

根據測量原理可知，測量尺直接測量值和待測值之間要通過函數關系計算得到。將測量作業時測量簡化圖如圖6所示，由圖可知，直接測量值（L、α）和待測值f（h）、f(w)之間的函數關系如下：

L=長度直接測量值；α=角度直接測量值；結構尺寸：e=38.72 mm；b=21.21 mm；

由于直接測量值中帶有誤差，因此待測值函數f(h)及f(w)也必然受到影響而產生誤差。根據誤差傳遞定律可知，設站臺與軌面豎直高度待測值誤差為mh，直接測量值(L)的誤差分別為ml和mα，則存在下列函

表3 傳感器指標要求

根據以上傳感器指標要求，位移傳感器采用高精度磁柵傳感器，線性度誤差≤0.06%，重復精度≤0.013%，量程30 m。水平傾角傳感器采用高精度傾角傳感器SCA103T，測量范圍±15°，綜合精度小于 0.02°，最高分辨力為 0.004°，具有抗震性和長期穩定性好，溫度特性優良，抗沖擊能力強等特點。

1.5 電子測量模塊

根據現場條件和用戶測量需求，主要針對以下幾方面進行重點設計：

（1）精度。AD采樣位數以及基準電壓的穩定性是決定采樣精度的主要因素，根據指標要求，數顯裝置采用高位高精度AD采樣，并采用高精度的電壓基準芯片，提高基準電源穩定性，減小溫漂。

（2）高穩定性。為了提高采樣數值的穩定性，直接由電壓基準芯片給傳感器供電，同時，對傾角傳感器模擬輸出進行多重濾波處理，并進行差分方式采樣，以保證傳感器的采樣數值不因溫度、電源紋波以及輸入電壓變化而受影響。

（3）節能。硬件上選用超低功耗的MCU，而軟件上優化程序，并添加自動關機等輔助功能來降低功耗。

2 標定（校準）方法

站臺尺的測量數據包括高站臺和低站臺的豎高和橫距，因這些測量值都由尺身長度值和角度值換算得到，因此，在標定過程中需要對長度和角度的測量值分別進行標定，以減少測量誤差。標定方案如下：

長度標定：站臺豎直高度和水平距離是由尺身長度和角度值換算而來的，所以長度方面實際要標定的是桿尺的長度，因采用的高精度磁柵傳感器量程很大，且磁條存在微量的不均勻性，因而采用兩點標定，消除可能由于裝配和磁條不均勻性帶來的誤差。

角度標定：根據設計精度要求，需要采用兩個103 T傳感器覆蓋高低站臺兩段量程，所以需要高低站臺分別采用兩點位進行標定，標定裝置設計如圖7所示。

圖7 標定裝置設計圖

3 試用效果及應用前景

自2011年6月起，該型數顯式站臺限界測量尺在京滬高鐵昆山南站、杭州站和南京站進行了現場比對測試。測試結果表明該型站臺限界測量尺功能齊全，操作靈活便利，數據顯示清晰直觀，測量重復性和一致性好，測試數據穩定，測量精度高，室內測量誤差小于5 mm。

該站臺限界測量尺適合高速鐵路站臺的幾何參數的測量，同時還能兼顧一部分低站臺的限界測量，具有通用性強，高精度、高穩定性、高效耐用、操作簡便等特點，能滿足提速線路和客運專線鐵路線路限界檢查和施工的高精度測量需要，具有良好的推廣應用前景。