基于PDA的鋼軌平直度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張麗波，李 乾，傅勤毅

（中南大學(xué)，交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410075）

鋼軌的平直度通常是指垂直于鋼軌基準(zhǔn)線的平面內(nèi)的不平順度。鋼軌的不平順對(duì)噪音、振動(dòng)、安全和輪軌沖擊荷載均有很大影響[1]，直接影響列車的運(yùn)行速度、安全性和舒適性。

目前國(guó)內(nèi)工務(wù)段使用的鋼軌平直度檢測(cè)手段是使用1 m的鋼尺緊貼鋼軌的軌面和側(cè)面，再使用塞尺進(jìn)行量取，經(jīng)驗(yàn)豐富的工人甚至直接用肉眼去目測(cè)，這種檢測(cè)方法存在測(cè)量點(diǎn)數(shù)少、測(cè)量精度低、測(cè)量結(jié)果受工人情緒影響、測(cè)量數(shù)據(jù)只能用手工在紙上保存的缺點(diǎn)[2]。隨著我國(guó)鐵路的大面積提速，以及高速鐵路、客運(yùn)專線的發(fā)展，鋼軌平直度測(cè)量的精度控制和整條線路不平順數(shù)據(jù)的綜合分析越來(lái)越重要，依靠現(xiàn)有的人工檢測(cè)辦法顯然已經(jīng)不能滿足對(duì)鋼軌平直度檢測(cè)精度和檢測(cè)效率的需求。因此，開(kāi)發(fā)便攜式的、高精度的鋼軌平直度檢測(cè)儀器就勢(shì)在必行。

1 鋼軌平直度檢測(cè)儀工作原理

鋼軌平直度檢測(cè)儀工作時(shí)，儀器固定于一側(cè)鋼軌的頂面，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)測(cè)量元件（激光傳感器）移動(dòng)。激光傳感器的檢測(cè)原理主要是利用激光三角反射原理：由傳感器探頭發(fā)射出的激光，通過(guò)特殊的透鏡被匯聚成一個(gè)直徑極小的激光束，此光束被測(cè)量表面反射到一個(gè)分辨率極高的CCD探測(cè)器上，通過(guò)CCD所感應(yīng)到光束位置的不同，可精確測(cè)量被測(cè)物體位置的變化[3]。

根據(jù)激光傳感器的運(yùn)動(dòng)，掃描出鋼軌表面的平直度輪廓，并把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳送給上位機(jī)（PDA），PDA對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并把鋼軌的平直度以圖形的形式顯示在PDA屏幕上。PDA對(duì)下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)以一定格式的名字保存在PDA自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以通過(guò)PDA查詢鋼軌平直度的歷史記錄，檢查前面路段的平直度是否合格。PDA軟件還提供儀器標(biāo)定、管理公務(wù)信息、管理線路信息以及提供超限報(bào)表的功能。

2 鋼軌平直度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）適用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方式和作業(yè)環(huán)境，可以測(cè)量不同型號(hào)鋼軌以及不同線型（直線、曲線和緩和曲線）的鋼軌行車面和導(dǎo)向面平直度，并達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度和測(cè)量范圍要求。（2）能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析并顯示數(shù)據(jù)，直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。（3）可根據(jù)需要提取和查看已檢測(cè)數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。（4）儀器具有較高的智能化水平，人機(jī)友好界面，操作簡(jiǎn)單，方便攜帶，一名操作人員即可輕松完成測(cè)量。

2.2 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)著重考慮研制便攜緊湊的機(jī)械主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高精度、自動(dòng)化的快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)智能友好的操控界面及高效的PDA軟件。

在檢測(cè)方案上由于接觸式測(cè)量的檢測(cè)精度受鋼軌表面質(zhì)量的影響較大，所以優(yōu)先采用非接觸測(cè)量方式。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案上，采用32 bitARM微控制器為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與傳統(tǒng)8 bit單片機(jī)相比，具有運(yùn)算速度快，外圍設(shè)備模塊豐富，易于進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，控制驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性高，能滿足高精度、自動(dòng)化、快速并且可靠的數(shù)據(jù)采集要求。

PDA一般采用較高主頻的CPU，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，而且基于嵌入式操作系統(tǒng)，PDA擁有較好的人機(jī)界面，方便用戶使用，也為程序的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大的方便，因此使用PDA作為檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)械主體

機(jī)械主體包括測(cè)量梁、定位裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和微型直線導(dǎo)軌及滑塊；驅(qū)動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、動(dòng)滑輪組、定滑輪組、鋼絲及傳感器的引出排線組成。

定位裝置安裝于測(cè)量梁的兩端，微型直線導(dǎo)軌安裝于測(cè)量梁內(nèi)，激光傳感器安裝在微型直線導(dǎo)軌的滑塊上；驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪安裝在測(cè)量梁的一端并相聯(lián)，定滑輪組、電源及數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)安裝在測(cè)量梁的另一端。

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3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以ARM微處理器為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，激光傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和微處理器相連接。傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信將數(shù)據(jù)傳送至PDA，由PDA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）接口電路：將激光傳感器的信號(hào)傳送給CPU，建立傳感器與CPU之間的數(shù)據(jù)通訊。

（2）輸出驅(qū)動(dòng)電路：控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)往返測(cè)量。

（3）藍(lán)牙模塊：將UART轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)與PDA的數(shù)據(jù)無(wú)線通信。

（4）輔助電路：包括系統(tǒng)的復(fù)位電路、時(shí)鐘晶振電路以及調(diào)試電路等。

（5）電源電路：為CPU及其外圍模塊提供工作電源。

3.3 PDA軟件的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)PDA上檢測(cè)軟件的操作控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量、標(biāo)定等工作，并對(duì)收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果以及檢測(cè)面的不平順波形，判斷是否超限，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的維修工作。

3.3.1 通信模塊

采用32 bitARM微處理器作為單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器，該處理器自帶UART串口通信模塊；采用iPAQhx2400系列PDA，該P(yáng)DA內(nèi)部集成RS232、藍(lán)牙和WIFI等接口。

RS232是通用的串行通信方式，無(wú)論是從電路的設(shè)計(jì)和還是串行通信的編程，都有著很多成熟的方案。但是RS232是有線通信方式，通信設(shè)備之間必須通過(guò)電纜連接，這對(duì)移動(dòng)設(shè)備的操作會(huì)造成很大的不便。

藍(lán)牙不受紅外通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及中間不能被其它物體阻隔等限制，能夠很好的解決RS232和紅外通信的問(wèn)題。因此，鋼軌平直度檢測(cè)系統(tǒng)使用藍(lán)牙作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PDA的通信方式。

藍(lán)牙的傳輸協(xié)議RFCOMM中支持虛擬串口協(xié)議，在PDA上生成了一個(gè)虛擬串口，所以對(duì)藍(lán)牙的操作完全跟串口的操作一樣。只要正確設(shè)置串口的端口號(hào)即可。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊

Windows Mobile下常用的數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite簡(jiǎn)單易用，訪問(wèn)速度快，同時(shí)提供了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)接口以及完善的功能，小型、快速和最小化管理的設(shè)計(jì)思想使得SQLite的使用和管理十分的方便。SQLite的代碼完全開(kāi)放，且無(wú)任何的版權(quán)的限制。所以，在鋼軌平直度檢測(cè)系統(tǒng)中使用SQLite來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作和管理。

SQLite提供了將近80個(gè)API函數(shù)供開(kāi)發(fā)人員調(diào)用，但是僅僅通過(guò)使用少數(shù)的幾個(gè)函數(shù)就可以完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、查詢和插入等操作。

4 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試了數(shù)據(jù)的正確性和重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)方法為在0級(jí)平尺上放置10塊不等厚度的量塊，然后用鋼軌平直度檢測(cè)儀進(jìn)行1 m基長(zhǎng)的檢測(cè)，經(jīng)過(guò)3次實(shí)驗(yàn)，表明鋼軌平直度檢查儀的測(cè)量誤差在0.05 mm以內(nèi)，重復(fù)性在0.01 mm以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的鋼軌平直度檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果與手工測(cè)量值基本符合，與同類廠家的檢測(cè)結(jié)果相比，測(cè)量數(shù)據(jù)基本相同，多次測(cè)量重復(fù)性好，其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性獲得了工務(wù)段現(xiàn)場(chǎng)工人的認(rèn)可。

在操作性上，PDA操作界面簡(jiǎn)單，使用方便，能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)的波形、最大最小值及其位置，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修，便于現(xiàn)場(chǎng)人員操作使用。

表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于Windows Mobile的PDA鋼軌平直度檢測(cè)儀采用PDA作為鋼軌平直度檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，增強(qiáng)了檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。高精度的激光傳感器作為檢測(cè)元件，提高了鋼軌平直度檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度和可靠性。檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試分析，其重復(fù)性精度在0.01 mm以內(nèi)，系統(tǒng)采樣間距為0.32 mm，檢測(cè)數(shù)據(jù)可真實(shí)反映鋼軌表面波形。目前，該平直度檢測(cè)儀已經(jīng)產(chǎn)品化，并在國(guó)內(nèi)寫某些鐵路部門投入使用，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，使用方便，得到了用戶的好評(píng)。

[1] 胡晴莽，杜軍生，洪曉東. 鋼軌平直度測(cè)量原理及技術(shù)應(yīng)用探討[J] . 攀鋼技術(shù)，2000（3）：67-71.

[2] 韓世卓. 鐵路無(wú)縫鋼軌直線度測(cè)量裝置[J] . 儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：190-191.

[3] 周小東. 基于Windows Mobile的鋼軌平直度檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究 [D] . 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.