SGC-0 型数显式轨距尺的研制

俞炳杰 胡雄伟 上海铁路局科研所

近年来，我局时速250 km 客运专线以及时速350 km 高速铁路相继投入运营。而根据铁道部《关于明确轨尺使用要求的通知》等相关标准的规定，v＞250 km/h 线路必须使用0级轨距尺进行测量，现在普遍使用的机械式轨距尺以及1 级数显式轨距尺都已不能满足客运专线和高速铁路的检测精度要求。路局科研所、工务处等单位联合提出研发并生产符合铁道部技术要求的新型0 级数显式轨距尺课题，期待以低成本、高标准的方式解决现场需求。

1 0 级轨距尺技术要求与现有产品情况

1.1 技术要求

《标准轨距铁路轨距尺》（TB/T 1924-2008）的行业标准对0 级数显式轨距测量尺提出了全面的要求，其中最主要的技术要求为测量示值误差及重复性要求（具体见表1）。

表1 测量示值误差及重复性要求 单位：mm

除表1 这些要求外，标准还对测量范围、尺身材料、工作电源等多方面技术指标进行了要求。相关的规定请参考该标准，在此不再赘述。

1.2 现有产品情况

目前，国内已有几款同类型的数显式轨距测量尺，其精度和功能基本上能满足相应提速和客运专线的使用要求，但也存在较多缺点和不足，主要有以下几点：（1）显示屏小、数值易跳动，强光照射时造成的读数困难；（2）尺身强度较低、易变形；（3）防水、防振等防护性较低；（4）因为手柄设计不合理、操作不便造成的测量准确性与人为因素相关性较大；（5）价格昂贵，售后服务不便。

2 0 级轨距尺总体研制

0 级数显式轨距尺的研制将包括数显式电子测量模块研制、尺身机械结构设计两部分。两部分的研制都应以满足《铁标》要求，同时避免现有产品使用中的缺点为目标。

2.1 数显式电子测量模块研制

根据《铁标》对测量精度、稳定性等方面的要求，数显式电子测量模块将主要由高精度的位移和倾角传感器、AD 采样单元、显示屏、MCU、电源处理等器件组成。

2.1.1 传感器选型

轨距、查照、护背的测量通过位移传感器采样数据得到，水平（超高）的测量通过倾角传感器采样数据并经过转换得到。根据铁标相关章节，传感器指标要求见表2。

表2 传感器指标要求

根据以上要求经过选型比较，位移传感器采用高精度导电塑料直线位移传感器。该型位移传感器外型小巧，精度高，价格相对便宜，受环境影响小，模拟量输出，完全满足要求。倾角传感器采用倾角传感器SCA103T。该传感器是目前世界上静态精度最高、抗震性最好的以单晶硅材料制造的倾角传感器，长期稳定性好，温度特性优良，抗冲击能力强。所选传感器的精度指标见表3。

表3 所选传感器精度指标

2.1.2 采样单元设计

采样单元设计是整个研制中比较重要的。为了使传感器发挥最佳的性能，不使用倾角传感器的数字输出，而是使用其模拟量输出，设置大片GND 覆铜围绕传感器。为减小电源的耦合噪声，在电源与地间并入一个100 nf 的滤波电容，并使该电容尽量靠近电源引脚。另外在模拟输出引脚上设置RC 低通滤波器以减小时钟噪声的影响。尽量缩短位移传感器与采样单元间的传输距离，传输导线线径适当增粗并加强屏蔽。高精度模数转换单元，采用TI 公司的ADS1222 转换芯片来完成AD 采样，建立长度和倾角两个差分通道，Δ-Σ 型24 位模数转换，转换后经过数字滤波单元与MCU 进行串口通信传输数据。在MCU 用户程序处理中，我们连续对倾角通道的模拟量采集70 次，长度通道10 次。经过数字滤波等一系列处理后，形成最终的显示值。数字滤波采用限幅平均滤波法，对每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理，确保全量程非线性度0.0015%。采样单元包含测温功能，整体功耗控制在2.25 mW。我们将采用单独的DC/DC 模块对传感器和采样单元进行供电。采样单元原理见图1。

图1 采样单元原理图

2.1.3 显示单元设计

考虑到作业环境的温、湿度等诸多因素以及现有同类产品的不足，显示屏采用有OLED 显示器，其优点在于使用温度范围宽（-40℃～80℃）、低功耗、抗震能力强、自发光、无视角问题、高亮度等。我们选用分辨率为256×64 像素2.8 英寸的显示器，并在用户程序建立时制作加大、加粗字体的字库，显示效果较同类其它产品改善很多。显示屏功耗在所有像素全部点亮的情况下为600 mW。为避免这样的功耗对电源质量产生影响，我们使用独立的DC/DC 模块对显示屏供电。

2.1.4 数显装置软、硬件设计

软件方面充分考虑操作、显示、测量数据处理、校准等各方面功能。另外软件在实现基本功能的同时，还做了多方面的优化：

（1）对较易产生波动的模数转换通道进行软件滤波处理，保证显示值稳定。

（2）增加长时间无操作自动关机功能，具有更好的节电性能。

（3）增加倾角传感器简单标定功能。当受外力碰撞或短时大温差变化造成水平（倾角）读数超差时，可使用简单标定功能在量程内的任意测试点完成简单标定，恢复正确读数。

（4）温度补偿功能。0 级尺工作温域范围为-30°～60°，尺身热膨胀和电子元器件的温飘会影响测量精度，因此测量值的温度补偿是必要的。系统实时采样环境温度，确定系统所处温度环境。通过大量的高低温实验，总结出系统温度修正公式，然后将修正公式写入测量程序，使系统能根据其自身温度对测量数值进行温度补偿。

在轨距超高测量模式下，程序的循环刷新时间500 ms，反应灵敏、显示清晰。软件流程图见图2 所示。

图2 软件流程图

2.2 尺身机械结构研制

根据对现有同类轨距尺、作业环境和现场使用要求的调研，总结出针对机械结构方面的设计思路:(1)提高尺身强度，增强环境适应性；(2)测量机构优化，消除外界因素对精度的影响；(3)提高防护性能，主要包括绝缘、防水和抗震方面的性能；(4)外观美化设计。

根据以上几点形成的具体设计如下：

（1）采用高强度尺身材料。为了提高尺身强度，我们采用碳纤维复合材料，并采用方管形结构使尺身重量减轻，强度和刚性达到钢材的3 倍以上，使用过程中不易变形，提高了系统的稳定性。

（2）测量机构的独特设计。我们放弃了同类产品中采用的活动测头悬臂结构，设置测头导向轴、直线轴承以及弹簧复位机构，使测量机构在各种受力模式下都能保证精度，操作方便灵活，测量机构设计见图3 所示。ABS 材质的端套包覆电路板、传感器和电池部件，有效地减少了外露部件，减小外界环境因素对测量精度的影响。

（3）防水、防振等相关防护性设计。为提高绝缘性能，尺身喷涂绝缘涂料，端套使用ABS 材料，在DC500 V 电压下，两测头间绝缘电阻≥1 MΩ（t ≥1 min）。考虑到防水和防震性能，优化了端套拼接设计，将扣合处设置在侧面，增加紧固点并使用防松件。按键面板采用薄膜按键开关贴附于绝缘端套上，胶面牢固防水，按键定义直观、合理，操作简便。

（4）独特的耐磨搭轨片设计。在两测头搭轨面增设标准厚度的搭轨片，这项设计即保护了平行度要求较高的测头搭轨面，又方便大量测量工作后搭轨片的更换，而且搭轨片的材质有ABS、陶瓷等多种非金属材料，可供用户选择。

（5）外观设计美观大方，见图4 所示。

图3 活动测头结构设计图

图4 外观美化效果图

3 标定（校准）与现场试用

3.1 标定方法

根据《标准轨距铁路轨距尺检定规程》对轨距尺检定器的技术要求，选用石家庄GJQ-0 型高精度铁路轨距尺检定器作为标定台，对轨距尺进行标定。

轨距尺的测量数据包括轨距、查照间隔、护背距离以及水平（超高），其中轨距、查照和护背都是长度值，且测量时两端测量机构的受力方向不一样，因此需要分别标定，以减少影响。同时，按照检定规程的环境温度要求，标定方法如下：

（1）轨距标定：采用两点标定，即1 435.00 mm 和1 470.00 mm 两点。

（2）查照标定：采用一点标定方式，即标定1 391.00 mm 点。

（3）护背标定：采用一点标定方式，即标定1 348.00 mm 点。

（4）水平（超高）标定：采用三点标定方式，即标定0.00 mm、100.00 mm、-100.00 mm 点。

3.2 现场校准

水平基准的现场校准：现场校准方法是通过两次相反方向测量同一个水平基点（基点可在量程内任意选取），然后软件对测量数据进行分析后就能做到修正水平零点。该功能修正水平零点，不修正线性度。当现场测量前因机械结构在搬运过程中受碰擦、撞击或短时温差变化大导致水平（超高）掉头误差较大（大于0.30 mm）时，可进行水平基准的现场校准。

3.3 现场试用

2011 年4 月，《SGC-0 型数显式轨距测量尺》在上海铁路局技术监督所进行了检定。检测结果表明，该型轨距尺的测量精度完全符合国家《标准轨距铁路轨距尺检定规程》（JJG219-2008）及相关技术标准规定的技术要求。

自2011 年3 月起，SGC-0 型数显式轨距测量尺分别在上海工务段、宁波工务段和上海局工务检测所进行了现场应用。应用结果表明，该型轨距尺功能齐全，操作灵活便利，OLED 显示器数据清晰直观，测试数据稳定，测量精度高，受到工区使用人员的欢迎。