SGC-0 型数显式轨距尺的研制

2011-06-21 07:21俞炳杰胡雄伟上海铁路局科研所
上海铁道增刊 2011年3期
关键词:轨距倾角标定

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。

猜你喜欢
轨距倾角标定
地球轴倾角的改斜归正
激光倾角仪在CT引导下经皮肺穿刺活检中的应用
车轮外倾角和前束角匹配研究
使用朗仁H6 Pro标定北汽绅宝转向角传感器
角度补偿轨距尺的研究与开发
600/1 067 mm变轨距动车组转向架研发可行性分析
基于匀速率26位置法的iIMU-FSAS光纤陀螺仪标定
船载高精度星敏感器安装角的标定
uCOSⅡ操作系统下桥式起重机轨距偏差检测装置设计与实现
基于Harris-张正友平面标定法的摄像机标定算法