数字化轨道水平测量系统的研究

朱洪涛，曾愈有

(南昌大学 机电工程学院，南昌 330031)

数字化轨道水平测量系统的研究

朱洪涛，曾愈有

(南昌大学 机电工程学院，南昌 330031)

轨道尺作为铁路工务常用轨道检测器具正逐渐向数字化、智能化方向发展。通过对数字化轨道水平测量系统的分析和研究，为数字化轨道尺的研制提供电子和软件设计参考。系统基于定点测量原理，采用高精度倾角传感器和高分辨率A/D转换器，并运用系统迁零、温度补偿、硬件和软件滤波、可靠性设计等措施保证测量精度和可靠性。

水平 轨道检测 数字化轨道尺 定点测量

随着铁路高速化、信息化的发展，对铁路轨道参数要求越来越高，机械式轨道检测技术已渐渐无法满足轨道检测的要求，而基于电子和微控制器技术的数字化轨道检测系统已成为当前发展趋势。数字化轨道检测技术具有精度高、测量效率高、使用方便、自动存储数据等优点。常见的数字化轨道检测技术有定点测量和连续测量两种方式。定点测量的检测仪器的典型代表是轨距尺、轨道测量仪等，采用连续测量原理的检测仪器有轨道检查仪等。铁路轨道一项重要参数是水平(曲线处称超高)，定义为铁路同一横截面上左右两轨顶面的高差。本文从轨道水平的测量系统的要求分析，探讨和设计了一套基于定点测量的轨道水平测量系统，以满足数字化轨道尺的水平检测要求。

1 轨道水平测量系统需求分析

如前所述轨道测量技术包括定点测量和连续测量。连续测量的特点是被测信号是连续变化的过程量，测量过程受滤波性能滞后和轨道飞边造成干扰信号等因素的影响。因此，基于连续测量的水平检测系统要求有:①精度要高;②系统动态品质好。定点测量的特点是被测水平信号是稳态值，因此不存在滤波滞后的问题，可很好地滤除随机噪声，且系统动态品质要求不高。数字化轨道尺采用定点测量原理，测量灵活，具有针对性，可以获得较高的测量精度和测量稳定性。由于数字化轨道尺的使用场合、使用方式、外观形状等因素要求轨道水平测量系统体积小，价格低，功耗小。本轨道水平测量系统针对铁道部对0级准确度数显轨距尺[1-2]的要求来设计(见表1)。

表1 轨道水平测量系统参数设计指标 mm

2 轨道水平测量系统总体设计

根据轨道水平的定义，对于普通铁路在曲线处轨距加宽而采用正切检测原理(如图1所示)。针对提速铁路由于铁路曲线处轨距不加宽[3]，因此超高检测符合正弦原理(如图2所示)。

图1 普通铁路水平检测原理(正切原理)

图2 提速铁路水平检测原理(正弦原理)

本文所述系统是针对提速铁路设计，故采用图2正弦检测原理，因此水平可通过检测两轨道间的倾角值和该点处轨距值间接得到。因此该系统可利用倾角传感器测倾角值，并通过A/D转换器和MCU进行采样和运算求得水平值。系统总体架构图如图3所示。

图3 系统总体架构

2.1 倾角传感器

由水平分辨率要求，根据公式

由水平量程要求，根据公式

为满足以上两点要求，选用SCA103T(D-04)高精度倾角传感器，该传感器采用了高度集成电子及成熟的MEMS传感器技术和差动测量原理，具有很高的可靠性和稳定性。其倾角测量范围为 ±15°，分辨率为0.001°(@模拟输出)和0.009°(@数字输出)，双通道0～5 V输出和数字SPI输出。传感器内置温度传感器，可补偿灵敏度漂移误差和温度引起的偏差[4]。

2.2 A/D转换器

由于倾角传感器的最小分辨率为0.001°，转换为电压信号约为0.2 mV，为使A/D能正确无误地转换传感器信号，A/D位数最少需15位，且系统转换速率不要求高速率，因此采用16位(Σ-Δ)A/D转换器AD7705。它是一种片内带数字滤波器的电荷平衡式双通道16位模拟/数字转换器，旨在为宽动态范围测量、工业控制或工艺控制中的低频信号的转换而设计的[5]。

2.3 信号调理电路

SCA103T两通道分别输出+0.25～+4.75 V和+4.75～+0.25 V的直流信号，经运放差分后得到-4.5～+4.5 V信号，由于AD7705只能处理0～2.5 V(单极性工作)或0～5 V(双极性工作)的信号，因此采用电平迁移电路将 -4.5～+4.5 V信号转换为0～2.5 V信号输出。传感器外围电路和信号处理电路(如图4)。

图4 SCA103T信号调理电路

2.4 数据处理电路

采用STC12C5A60S2单片机作微控制器，对信号进行采样和处理。键盘和显示电路用于对轨道尺进行系统标定、系统迁零、测量等操作及操作结果等信息的显示。数据存储器采用非易失大容量数据存储器用于存储测量数据。

3 轨道水平测量系统关键技术分析

3.1 系统输出特性

SCA103T角度至电压的换算采用以下公式[4]

式中，a为倾角，VDout为电压差分输出值，Offset为倾角为0时电压差分输出值，一般为0，Sens为传感器灵敏度，SCA103T-D04 为 280 mV/°。

由公式(1)可得

高速铁路轨道水平的测量原理公式为

式中，H为轨道水平值，L为测量点轨距值加铁轨宽(取1 505 mm)，sinα为轨道尺倾角的正弦值。

因此，由公式(2)、公式(3)可得

3.2 系统标定和迁零

3.2.1 系统标定

由于输入模拟量和输出数字量为线性关系，软件上可通过系统标定技术计算出模拟量H与A/D转换后的数字量D间的关系系数(即标定系数)。线形系统标定原理公式为

y为模拟量，x为数字量，A为增益，B为零点漂移。因此采用两点标定法(y1，x1)、(y2，x2)由公式

即可求出增益A和零点漂移 B，并将 A和 B值存入EEPROM中。

3.2.2 系统迁零

由于传感器自身制造误差、安装应力、外界环境影响和电路硬件偏差等会使检测系统产生零点漂移，而零点作为传感器基准对系统检测精度有重要的关系，因此，需对其进行实时迁零。通常零位迁移的措施有三种:机械迁零、电子迁零和软件修正。

机械迁零是采用专门的机械机构，在迁零时利用该机构调整传感器，使输出向零靠近。电子迁零是在前向通道电路上增加自动调零电路，通过该电路调整信号输出，达到迁零的目的。

软件修正法是将输出零点漂移值存入非易失存储器，测量时将测量值减去该值的结果作为最终有效结果输出。常用实现软件修正的两种方法包括:①通过水平仪检定平台进行校准;②现场反向补偿法，即在铁路轨道某一点处正向测量水平值H1，再将轨道尺掉头180°在同一点逆向测量水平值 H2，求零位漂移 ΔH=(H1+H2)/2。

本系统中结合了机械迁零和软件迁零技术，实现系统零位的正确修正。

3.3 系统高精度实现措施

3.3.1 硬件滤波和软件滤波

由于倾角传感器内部A/D转换会对模拟输出产生干扰，脉冲间隔约为50～70 us，持续约1 us，为降低此信号噪声，对两通道信号分别进行RC低通滤波，以滤除传感器内部A/D转换噪声和工频干扰。

所有的A/D转换器在信号转换过程中都会带来电噪声(或称器件噪声)和量化噪声，这些噪声虽然微弱，但对系统精度会产生一定的影响，应尽量滤除。系统采用的A/D7705转换器自带数字滤波器，该数字滤波器可编程截断频率和输出更新率，实现对转换数据进行滤波，明显改善了噪声性能。

由于电源纹波、脉冲干扰的存在，会使系统产生随机干扰造成误差，这种干扰可通过硬件电路去除，也可通过数字滤波技术[6]处理，因干扰只影响个别采样数据且和其它数据存在较大的偏差，因此采用中值滤波算法，将连续采样的N个(通常为奇数)数据进行排序，取中间值为滤波后的数据，能很好地滤掉脉冲干扰。

3.3.2 温度补偿

系统倾角传感器易受温度影响产生误差，另外系统水平检测值受轨距影响，而轨距尺尺体材料和轨道轨枕材料线形膨胀系数不同，在温度变化时会使轨距测量值存在误差。因此为提高精度，减少误差，需对系统进行温度补偿。温度补偿包括两个方面:①传感器内部自带温度传感器，该传感器可用于内部偏移补偿，大大解决了传感器的温度漂移;②软件补偿。系统采用温度传感器测量环境温度，根据线形膨胀与温度的关系，编制算法求出温度补偿值，再设计温度误差补偿程序可自动补偿轨距温度误差，从而提高了水平值精度。

3.4 系统可靠性设计

系统在工作过程会遇到不同的干扰，导致系统工作不正常，严重的会使系统死机，为了提高系统抗干扰能力，对系统采取了以下可靠性措施。

1)硬件看门狗技术。单片机具有硬件看门狗功能，在程序中插入喂狗指令，当程序跑飞或进入死循环时，无法对看门狗进行正常“喂狗”，由此判定系统进入死循环，并对系统作复位操作，脱离死循环。

2)指令冗余技术和软件陷阱技术[7]。单片机受干扰出错时，程序会“乱飞”，当乱飞到双字节或三字节指令时会误将操作数当作操作码执行，导致程序出错。为预防这种错误程序采用了指令冗余技术，在双字节和三字节指令后添加两个字节以上的空操作指令，这样即便程序乱飞了也可将其引入正常轨道。但有时乱飞程序会进入非程序区，此时冗余指令便无法起作用。可在非程序区设置软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理，这就是软件陷阱技术。

3.5 系统软件流程

软件程序主要包括系统初始化、A/D数据转换和采集、数字滤波、温度补偿、标度转换、数据零位修正等，采用KEIL C51开发编译平台，其系统软件流程图如图5所示。

4 系统水平测量不确定度分析

系统水平标准不确定度分量有4个来源(见表2)，对合成不确定度和扩展不确定度计算如下:

1)合成不确定度

图5 系统软件流程

表2 系统不确定度分量分析

2)扩展不确定度(包含因子K取2)

根据标准轨距数显轨距尺通用技术条件，扩展不确定度U约≤1/3最大示值误差，符合要求。

5 试验结果与数据分析

试验前将检测系统在江西日月明公司BDQ-1标定器上进行系统调零和标定，并在JDT-01检定台进行检定校准，通过在0～+100 mm水平范围内进行试验测量，列出以下部分试验数据(见表3)。

对试验数据和分析处理可得系统性能指标:①最大示值误差±0.20 mm;②重复性0.10 mm;③掉头误差0.10 mm;④零位误差 ±0.15 mm;⑤分辨率0.05 mm，均满足要求。

表3 0～+100 mm水平测量值数据与处理 mm

6 结语

本文提出了一种数字化轨道水平测量系统的设计方法和实现原理，该系统能够精确测量高速铁路轨道水平，各性能指标达到了铁路数显轨距尺水平测量0级准确度的技术要求，可应用于数字化轨道尺，前景较好，也可对同类产品设计提供参考。

[1]国家质量监督检验检疫局.JJG 219—2008 标准轨距铁路轨距尺检定规程[S].北京:中国计量出版社，2008.

[2]中华人民共和国铁道部.TB/T 1924—2008 标准轨距铁路轨距尺[S].北京:中国铁道出版社，2008.

[3]王彦春.铁路轨距尺的主要技术问题与对策[J].铁道技术监督.2008(4):22-24.

[4]Inclinometer SCA103T Series Data Sheet.VTI Technologies Oy.[EB/OL]http://www.vti.fi.

[5]陈勇钢，吴伯农.A/D7705高精度数据采集的实现[J].国外电子测量技术，2006(1):38-40.

[6]王庆河，王庆山.数据处理中的几种常用数字滤波算法[J].现代电子技术，2003(4):53-54.

[7]郑伟.单片机抗干扰及可靠性设计[J].兵工自动化，2005(6):112-114.

U216.3

B

1003-1995(2011)02-0104-04

2010-08-20;

2010-12-01

朱洪涛(1962— )，男，湖南双峰人，教授，硕士。

(责任审编 王天威)