数显式站台限界测量尺研制

胡雄伟 上海铁路局科研所

在跨越式发展大背景下，铁路对限界管理要求越来越高，站台的限界测量作业量也随之越来越大，因此，对限界测量设备的测量精度和作业效率的要求也越来越高。目前，国内站台限界测量主要采用Z字形木质尺和L形铝质游标刻度尺。测量过程中存在操作复杂、结构不稳定、作业效率低、人为测量误差大等缺陷，不能满足铁路站台限界测量和管理工作的需要。SZXC-A型数显式站台尺是采用单片机技术、信号传感技术、信号处理技术等综合而成的电子产品，采用高精度位移和倾角传感器，可以对铁路客货运站台限界值进行高精度测量。

1 数显式站台限界测量尺总体设计

1.1 测量原理

图1 测量模型图

针对现有站台限界测量尺的优缺点，并结合现场条件和用户需求，该测量计算原理采用相对比较简单的三角形测量原理。先测量获得直角三角形的斜边和一个内角，然后换算两条直角边，即将可伸缩式中空腔体结构尺身的任意一端固定在内侧钢轨上，另一端搭架在站台上，然后由CPU采集杆尺长度和尺身倾斜角度，并根据三角形原理计算出站台上表面相对内侧钢轨轨顶面的铅锤高度（简称竖高）和站台帽侧面到轨道中心铅垂线的水平横向距离（简称横距）。相对传统测量尺，这样的测量方式方便快捷，图1为测量模型。

该站台尺采用单轨测量模式，因线路存在超高，采用三角形测量原理计算横距和竖高时，必须考虑超高的影响。

（1）无超高情况

线路无超高时，线路中心铅垂线与轨顶平面中心法线重合，测量简化图如图2所示。此时铅垂线和法线夹角约为0，假定尺身长度为L，尺身倾斜角度为A，则横距H=L×cosA+753，竖高G=L×sinA+30；（注：30为轨顶面到尺身转轴处高度）。

图2 无超高时测量简化图

（2）外轨超高情况

线路存在外轨超高时，线路中心铅垂线与轨顶平面中心法线不重合，测量简化图如图3所示。此时铅垂线和法线夹角约为B度，假定尺身长度为L，尺身倾斜角度为A，则横距H=L×cosA+753×cosB+30×sinB，竖高G=L×sinA+30×cosB。

（3）内轨超高情况

线路存在内轨超高时，线路中心铅垂线与轨顶平面中心法线不重合，测量简化图如图4所示。此时铅垂线和法线夹角约为B度，假定尺身长度为L，尺身倾斜角度为A，则横距

综上分析可知，竖高G和横距H的计算公式可以统一为：H=L×cosA+753×cosB+30×sinB；G=L×sinA+30×cosB，其中，外轨超高时，B取正，内轨超高时，B取负。

图3 外超高时测量简化图

图4 内超高时测量简化图

表1 修正值选择表（简化）

1.2 结构设计

为提高作业效率和实用性，并兼顾高低站台测量范围，站台尺整体结构采用可伸缩式的中空腔体结构，尺身由主尺和副尺两部分组成。整尺机械结构设计如图5所示。

图5 整尺机械结构图

测量作业时，首先将固定于主尺的带磁性的仿形支座吸合在内侧钢轨上，然后拉伸出副尺，使副尺上的L型铰链尺贴合于站台面，然后调节微调手轮使L形铰链尺上的水准泡保持水平，CPU根据采集的传感器数据计算出站台上表面相对内侧钢轨轨面的铅锤高度和站台帽侧面到轨道中心的水平横距，最后在电子显示器上进行读数。

（1）测量导向机构

测量状态下，必须考虑受力对测量精度的影响，尺身整体受力主要考虑自身重力和操作时的下压力，因而导向机构采用两块滑块，减小结构形变，同时在导轨末端添加尼龙支撑槽以提保证主副尺的导向精度。

（2）贴近微调机构

由于测量尺斜搭于站台和内侧轨道之上，测量过程中如靠手拉动伸缩尺，难免会使尺身产生弹性变形而影响测量精度，故在主尺与副尺的导向之间设计了一个齿轮微调机构，以提高操作准确性和稳定性。

1.4 传感器选型

针对现有站台限界测量尺的优缺点，并结合现场条件和用户需求，我们提出的主要技术要求如表2所示。

表2 站台限界测量尺的主要技术要求（mm）

图6 L形铰链尺头部的滚轮

根据测量原理可知，测量尺直接测量值和待测值之间要通过函数关系计算得到。将测量作业时测量简化图如图6所示，由图可知，直接测量值（L、α）和待测值f（h）、f(w)之间的函数关系如下：

L=长度直接测量值；α=角度直接测量值；结构尺寸：e=38.72 mm；b=21.21 mm；

由于直接测量值中带有误差，因此待测值函数f(h)及f(w)也必然受到影响而产生误差。根据误差传递定律可知，设站台与轨面竖直高度待测值误差为mh，直接测量值(L)的误差分别为ml和mα，则存在下列函

表3 传感器指标要求

根据以上传感器指标要求，位移传感器采用高精度磁栅传感器，线性度误差≤0.06%，重复精度≤0.013%，量程30 m。水平倾角传感器采用高精度倾角传感器SCA103T，测量范围±15°，综合精度小于 0.02°，最高分辨力为 0.004°，具有抗震性和长期稳定性好，温度特性优良，抗冲击能力强等特点。

1.5 电子测量模块

根据现场条件和用户测量需求，主要针对以下几方面进行重点设计：

（1）精度。AD采样位数以及基准电压的稳定性是决定采样精度的主要因素，根据指标要求，数显装置采用高位高精度AD采样，并采用高精度的电压基准芯片，提高基准电源稳定性，减小温漂。

（2）高稳定性。为了提高采样数值的稳定性，直接由电压基准芯片给传感器供电，同时，对倾角传感器模拟输出进行多重滤波处理，并进行差分方式采样，以保证传感器的采样数值不因温度、电源纹波以及输入电压变化而受影响。

（3）节能。硬件上选用超低功耗的MCU，而软件上优化程序，并添加自动关机等辅助功能来降低功耗。

2 标定（校准）方法

站台尺的测量数据包括高站台和低站台的竖高和横距，因这些测量值都由尺身长度值和角度值换算得到，因此，在标定过程中需要对长度和角度的测量值分别进行标定，以减少测量误差。标定方案如下：

长度标定：站台竖直高度和水平距离是由尺身长度和角度值换算而来的，所以长度方面实际要标定的是杆尺的长度，因采用的高精度磁栅传感器量程很大，且磁条存在微量的不均匀性，因而采用两点标定，消除可能由于装配和磁条不均匀性带来的误差。

角度标定：根据设计精度要求，需要采用两个103 T传感器覆盖高低站台两段量程，所以需要高低站台分别采用两点位进行标定，标定装置设计如图7所示。

图7 标定装置设计图

3 试用效果及应用前景

自2011年6月起，该型数显式站台限界测量尺在京沪高铁昆山南站、杭州站和南京站进行了现场比对测试。测试结果表明该型站台限界测量尺功能齐全，操作灵活便利，数据显示清晰直观，测量重复性和一致性好，测试数据稳定，测量精度高，室内测量误差小于5 mm。

该站台限界测量尺适合高速铁路站台的几何参数的测量，同时还能兼顾一部分低站台的限界测量，具有通用性强，高精度、高稳定性、高效耐用、操作简便等特点，能满足提速线路和客运专线铁路线路限界检查和施工的高精度测量需要，具有良好的推广应用前景。