基于PDA的钢轨平直度检测仪的设计与实现

张丽波，李 乾，傅勤毅

（中南大学，交通运输工程学院，长沙，410075）

钢轨的平直度通常是指垂直于钢轨基准线的平面内的不平顺度。钢轨的不平顺对噪音、振动、安全和轮轨冲击荷载均有很大影响[1]，直接影响列车的运行速度、安全性和舒适性。

目前国内工务段使用的钢轨平直度检测手段是使用1 m的钢尺紧贴钢轨的轨面和侧面，再使用塞尺进行量取，经验丰富的工人甚至直接用肉眼去目测，这种检测方法存在测量点数少、测量精度低、测量结果受工人情绪影响、测量数据只能用手工在纸上保存的缺点[2]。随着我国铁路的大面积提速，以及高速铁路、客运专线的发展，钢轨平直度测量的精度控制和整条线路不平顺数据的综合分析越来越重要，依靠现有的人工检测办法显然已经不能满足对钢轨平直度检测精度和检测效率的需求。因此，开发便携式的、高精度的钢轨平直度检测仪器就势在必行。

1 钢轨平直度检测仪工作原理

钢轨平直度检测仪工作时，仪器固定于一侧钢轨的顶面，步进电机带动测量元件（激光传感器）移动。激光传感器的检测原理主要是利用激光三角反射原理：由传感器探头发射出的激光，通过特殊的透镜被汇聚成一个直径极小的激光束，此光束被测量表面反射到一个分辨率极高的CCD探测器上，通过CCD所感应到光束位置的不同，可精确测量被测物体位置的变化[3]。

根据激光传感器的运动，扫描出钢轨表面的平直度轮廓，并把电信号转化成数字信号传送给上位机（PDA），PDA对收到的数据进行处理，并把钢轨的平直度以图形的形式显示在PDA屏幕上。PDA对下位机传送的数据以一定格式的名字保存在PDA自带的数据库中，可以通过PDA查询钢轨平直度的历史记录，检查前面路段的平直度是否合格。PDA软件还提供仪器标定、管理公务信息、管理线路信息以及提供超限报表的功能。

2 钢轨平直度检测仪设计

2.1 设计目标

（1）适用于现场作业方式和作业环境，可以测量不同型号钢轨以及不同线型（直线、曲线和缓和曲线）的钢轨行车面和导向面平直度，并达到现场检测精度和测量范围要求。（2）能现场实时分析并显示数据，直接用于指导现场作业。（3）可根据需要提取和查看已检测数据，并建立相应的数据库。（4）仪器具有较高的智能化水平，人机友好界面，操作简单，方便携带，一名操作人员即可轻松完成测量。

2.2 总体设计

总体设计着重考虑研制便携紧凑的机械主体结构，设计高精度、自动化的快速数据采集系统，开发智能友好的操控界面及高效的PDA软件。

在检测方案上由于接触式测量的检测精度受钢轨表面质量的影响较大，所以优先采用非接触测量方式。

在数据采集系统方案上，采用32 bitARM微控制器为核心的嵌入式数据采集系统，与传统8 bit单片机相比，具有运算速度快，外围设备模块丰富，易于进行系统扩展，控制驱动能力强，系统可靠性高，能满足高精度、自动化、快速并且可靠的数据采集要求。

PDA一般采用较高主频的CPU，数据处理能力强，而且基于嵌入式操作系统，PDA拥有较好的人机界面，方便用户使用，也为程序的开发带来很大的方便，因此使用PDA作为检测系统的数据处理系统。

3 功能实现

3.1 机械主体

机械主体包括测量梁、定位装置、驱动装置和微型直线导轨及滑块；驱动装置由步进电机、驱动轮、动滑轮组、定滑轮组、钢丝及传感器的引出排线组成。

定位装置安装于测量梁的两端，微型直线导轨安装于测量梁内，激光传感器安装在微型直线导轨的滑块上；驱动装置的电机和驱动轮安装在测量梁的一端并相联，定滑轮组、电源及数据采集、处理系统安装在测量梁的另一端。

又如“你想成为复合肥锦鲤吗？”锦鲤年年有，今年特别多！愿成锦鲤者，坐躺福利中！我们联合十大复合肥厂家为#复合肥锦鲤#准备了一点小心意！转发并关注@复合肥锦鲤，我们将在X月X日抽取10名幸运锦鲤，送上十大厂家提供的免费复合肥各60吨！如此大的福利，身为锦鲤的你准备好了吗？今年我们一起信小呆！

3.2 数据采集系统

数据采集系统是以ARM微处理器为核心的嵌入式数据采集系统，激光传感器经过信号调理电路和微处理器相连接。传感器的信号经过数据采集系统采集后通过蓝牙无线通信将数据传送至PDA，由PDA进行数据处理。系统结构如图1。

图1 数据采集系统结构图

（1）接口电路：将激光传感器的信号传送给CPU，建立传感器与CPU之间的数据通讯。

（2）输出驱动电路：控制驱动步进电机的正反转，实现传感器的自动往返测量。

（3）蓝牙模块：将UART转换成蓝牙，实现与PDA的数据无线通信。

（4）辅助电路：包括系统的复位电路、时钟晶振电路以及调试电路等。

（5）电源电路：为CPU及其外围模块提供工作电源。

3.3 PDA软件的实现

通过对PDA上检测软件的操作控制系统进行测量、标定等工作，并对收到的传感器数据进行处理，实时显示测量结果以及检测面的不平顺波形，判断是否超限，指导现场的维修工作。

3.3.1 通信模块

采用32 bitARM微处理器作为单片机数据采集系统的主控制器，该处理器自带UART串口通信模块；采用iPAQhx2400系列PDA，该PDA内部集成RS232、蓝牙和WIFI等接口。

RS232是通用的串行通信方式，无论是从电路的设计和还是串行通信的编程，都有着很多成熟的方案。但是RS232是有线通信方式，通信设备之间必须通过电缆连接，这对移动设备的操作会造成很大的不便。

蓝牙不受红外通信的点对点以及中间不能被其它物体阻隔等限制，能够很好的解决RS232和红外通信的问题。因此，钢轨平直度检测系统使用蓝牙作为数据采集系统和PDA的通信方式。

蓝牙的传输协议RFCOMM中支持虚拟串口协议，在PDA上生成了一个虚拟串口，所以对蓝牙的操作完全跟串口的操作一样。只要正确设置串口的端口号即可。

3.3.2 数据库操作模块

Windows Mobile下常用的数据库SQLite简单易用，访问速度快，同时提供了丰富的数据库接口以及完善的功能，小型、快速和最小化管理的设计思想使得SQLite的使用和管理十分的方便。SQLite的代码完全开放，且无任何的版权的限制。所以，在钢轨平直度检测系统中使用SQLite来实现数据的操作和管理。

SQLite提供了将近80个API函数供开发人员调用，但是仅仅通过使用少数的几个函数就可以完成对数据库的连接、查询和插入等操作。

4 测试与实验

在实验室条件下测试了数据的正确性和重复性，实验方法为在0级平尺上放置10块不等厚度的量块，然后用钢轨平直度检测仪进行1 m基长的检测，经过3次实验，表明钢轨平直度检查仪的测量误差在0.05 mm以内，重复性在0.01 mm以内，达到了设计要求。其实验结构如表1。

实验结果表明，本文设计的钢轨平直度检测仪检测结果与手工测量值基本符合，与同类厂家的检测结果相比，测量数据基本相同，多次测量重复性好，其检测结果的准确性和重复性获得了工务段现场工人的认可。

在操作性上，PDA操作界面简单，使用方便，能够实时显示数据的波形、最大最小值及其位置，指导现场维修，便于现场人员操作使用。

表1 重复性实验数据

5 结束语

本文设计的基于Windows Mobile的PDA钢轨平直度检测仪采用PDA作为钢轨平直度检测的数据处理系统，增强了检测系统的数据处理能力。高精度的激光传感器作为检测元件，提高了钢轨平直度检测数据的精度和可靠性。检测系统经过测试分析，其重复性精度在0.01 mm以内，系统采样间距为0.32 mm，检测数据可真实反映钢轨表面波形。目前，该平直度检测仪已经产品化，并在国内写某些铁路部门投入使用，现场测量数据可靠，使用方便，得到了用户的好评。

[1] 胡晴莽，杜军生，洪晓东. 钢轨平直度测量原理及技术应用探讨[J] . 攀钢技术，2000（3）：67-71.

[2] 韩世卓. 铁路无缝钢轨直线度测量装置[J] . 仪器仪表学报，2004，25（4）：190-191.

[3] 周小东. 基于Windows Mobile的钢轨平直度检测关键技术的研究 [D] . 长沙：中南大学，2006.