數(shù)字化軌道水平測量系統(tǒng)的研究

朱洪濤，曾愈有

(南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330031)

數(shù)字化軌道水平測量系統(tǒng)的研究

朱洪濤，曾愈有

(南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330031)

軌道尺作為鐵路工務(wù)常用軌道檢測器具正逐漸向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。通過對數(shù)字化軌道水平測量系統(tǒng)的分析和研究，為數(shù)字化軌道尺的研制提供電子和軟件設(shè)計參考。系統(tǒng)基于定點測量原理，采用高精度傾角傳感器和高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，并運用系統(tǒng)遷零、溫度補償、硬件和軟件濾波、可靠性設(shè)計等措施保證測量精度和可靠性。

水平 軌道檢測 數(shù)字化軌道尺 定點測量

隨著鐵路高速化、信息化的發(fā)展，對鐵路軌道參數(shù)要求越來越高，機械式軌道檢測技術(shù)已漸漸無法滿足軌道檢測的要求，而基于電子和微控制器技術(shù)的數(shù)字化軌道檢測系統(tǒng)已成為當(dāng)前發(fā)展趨勢。數(shù)字化軌道檢測技術(shù)具有精度高、測量效率高、使用方便、自動存儲數(shù)據(jù)等優(yōu)點。常見的數(shù)字化軌道檢測技術(shù)有定點測量和連續(xù)測量兩種方式。定點測量的檢測儀器的典型代表是軌距尺、軌道測量儀等，采用連續(xù)測量原理的檢測儀器有軌道檢查儀等。鐵路軌道一項重要參數(shù)是水平(曲線處稱超高)，定義為鐵路同一橫截面上左右兩軌頂面的高差。本文從軌道水平的測量系統(tǒng)的要求分析，探討和設(shè)計了一套基于定點測量的軌道水平測量系統(tǒng)，以滿足數(shù)字化軌道尺的水平檢測要求。

1 軌道水平測量系統(tǒng)需求分析

如前所述軌道測量技術(shù)包括定點測量和連續(xù)測量。連續(xù)測量的特點是被測信號是連續(xù)變化的過程量，測量過程受濾波性能滯后和軌道飛邊造成干擾信號等因素的影響。因此，基于連續(xù)測量的水平檢測系統(tǒng)要求有:①精度要高;②系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)好。定點測量的特點是被測水平信號是穩(wěn)態(tài)值，因此不存在濾波滯后的問題，可很好地濾除隨機噪聲，且系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)要求不高。數(shù)字化軌道尺采用定點測量原理，測量靈活，具有針對性，可以獲得較高的測量精度和測量穩(wěn)定性。由于數(shù)字化軌道尺的使用場合、使用方式、外觀形狀等因素要求軌道水平測量系統(tǒng)體積小，價格低，功耗小。本軌道水平測量系統(tǒng)針對鐵道部對0級準(zhǔn)確度數(shù)顯軌距尺[1-2]的要求來設(shè)計(見表1)。

表1 軌道水平測量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計指標(biāo) mm

2 軌道水平測量系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)軌道水平的定義，對于普通鐵路在曲線處軌距加寬而采用正切檢測原理(如圖1所示)。針對提速鐵路由于鐵路曲線處軌距不加寬[3]，因此超高檢測符合正弦原理(如圖2所示)。

圖1 普通鐵路水平檢測原理(正切原理)

圖2 提速鐵路水平檢測原理(正弦原理)

本文所述系統(tǒng)是針對提速鐵路設(shè)計，故采用圖2正弦檢測原理，因此水平可通過檢測兩軌道間的傾角值和該點處軌距值間接得到。因此該系統(tǒng)可利用傾角傳感器測傾角值，并通過A/D轉(zhuǎn)換器和MCU進(jìn)行采樣和運算求得水平值。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 傾角傳感器

由水平分辨率要求，根據(jù)公式

由水平量程要求，根據(jù)公式

為滿足以上兩點要求，選用SCA103T(D-04)高精度傾角傳感器，該傳感器采用了高度集成電子及成熟的MEMS傳感器技術(shù)和差動測量原理，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。其傾角測量范圍為 ±15°，分辨率為0.001°(@模擬輸出)和0.009°(@數(shù)字輸出)，雙通道0～5 V輸出和數(shù)字SPI輸出。傳感器內(nèi)置溫度傳感器，可補償靈敏度漂移誤差和溫度引起的偏差[4]。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

由于傾角傳感器的最小分辨率為0.001°，轉(zhuǎn)換為電壓信號約為0.2 mV，為使A/D能正確無誤地轉(zhuǎn)換傳感器信號，A/D位數(shù)最少需15位，且系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速率不要求高速率，因此采用16位(Σ-Δ)A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。它是一種片內(nèi)帶數(shù)字濾波器的電荷平衡式雙通道16位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，旨在為寬動態(tài)范圍測量、工業(yè)控制或工藝控制中的低頻信號的轉(zhuǎn)換而設(shè)計的[5]。

2.3 信號調(diào)理電路

SCA103T兩通道分別輸出+0.25～+4.75 V和+4.75～+0.25 V的直流信號，經(jīng)運放差分后得到-4.5～+4.5 V信號，由于AD7705只能處理0～2.5 V(單極性工作)或0～5 V(雙極性工作)的信號，因此采用電平遷移電路將 -4.5～+4.5 V信號轉(zhuǎn)換為0～2.5 V信號輸出。傳感器外圍電路和信號處理電路(如圖4)。

圖4 SCA103T信號調(diào)理電路

2.4 數(shù)據(jù)處理電路

采用STC12C5A60S2單片機作微控制器，對信號進(jìn)行采樣和處理。鍵盤和顯示電路用于對軌道尺進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定、系統(tǒng)遷零、測量等操作及操作結(jié)果等信息的顯示。數(shù)據(jù)存儲器采用非易失大容量數(shù)據(jù)存儲器用于存儲測量數(shù)據(jù)。

3 軌道水平測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 系統(tǒng)輸出特性

SCA103T角度至電壓的換算采用以下公式[4]

式中，a為傾角，VDout為電壓差分輸出值，Offset為傾角為0時電壓差分輸出值，一般為0，Sens為傳感器靈敏度，SCA103T-D04 為 280 mV/°。

由公式(1)可得

高速鐵路軌道水平的測量原理公式為

式中，H為軌道水平值，L為測量點軌距值加鐵軌寬(取1 505 mm)，sinα為軌道尺傾角的正弦值。

因此，由公式(2)、公式(3)可得

3.2 系統(tǒng)標(biāo)定和遷零

3.2.1 系統(tǒng)標(biāo)定

由于輸入模擬量和輸出數(shù)字量為線性關(guān)系，軟件上可通過系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)計算出模擬量H與A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量D間的關(guān)系系數(shù)(即標(biāo)定系數(shù))。線形系統(tǒng)標(biāo)定原理公式為

y為模擬量，x為數(shù)字量，A為增益，B為零點漂移。因此采用兩點標(biāo)定法(y1，x1)、(y2，x2)由公式

即可求出增益A和零點漂移 B，并將 A和 B值存入EEPROM中。

3.2.2 系統(tǒng)遷零

由于傳感器自身制造誤差、安裝應(yīng)力、外界環(huán)境影響和電路硬件偏差等會使檢測系統(tǒng)產(chǎn)生零點漂移，而零點作為傳感器基準(zhǔn)對系統(tǒng)檢測精度有重要的關(guān)系，因此，需對其進(jìn)行實時遷零。通常零位遷移的措施有三種:機械遷零、電子遷零和軟件修正。

機械遷零是采用專門的機械機構(gòu)，在遷零時利用該機構(gòu)調(diào)整傳感器，使輸出向零靠近。電子遷零是在前向通道電路上增加自動調(diào)零電路，通過該電路調(diào)整信號輸出，達(dá)到遷零的目的。

軟件修正法是將輸出零點漂移值存入非易失存儲器，測量時將測量值減去該值的結(jié)果作為最終有效結(jié)果輸出。常用實現(xiàn)軟件修正的兩種方法包括:①通過水平儀檢定平臺進(jìn)行校準(zhǔn);②現(xiàn)場反向補償法，即在鐵路軌道某一點處正向測量水平值H1，再將軌道尺掉頭180°在同一點逆向測量水平值 H2，求零位漂移 ΔH=(H1+H2)/2。

本系統(tǒng)中結(jié)合了機械遷零和軟件遷零技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)零位的正確修正。

3.3 系統(tǒng)高精度實現(xiàn)措施

3.3.1 硬件濾波和軟件濾波

由于傾角傳感器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換會對模擬輸出產(chǎn)生干擾，脈沖間隔約為50～70 us，持續(xù)約1 us，為降低此信號噪聲，對兩通道信號分別進(jìn)行RC低通濾波，以濾除傳感器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換噪聲和工頻干擾。

所有的A/D轉(zhuǎn)換器在信號轉(zhuǎn)換過程中都會帶來電噪聲(或稱器件噪聲)和量化噪聲，這些噪聲雖然微弱，但對系統(tǒng)精度會產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)盡量濾除。系統(tǒng)采用的A/D7705轉(zhuǎn)換器自帶數(shù)字濾波器，該數(shù)字濾波器可編程截斷頻率和輸出更新率，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，明顯改善了噪聲性能。

由于電源紋波、脈沖干擾的存在，會使系統(tǒng)產(chǎn)生隨機干擾造成誤差，這種干擾可通過硬件電路去除，也可通過數(shù)字濾波技術(shù)[6]處理，因干擾只影響個別采樣數(shù)據(jù)且和其它數(shù)據(jù)存在較大的偏差，因此采用中值濾波算法，將連續(xù)采樣的N個(通常為奇數(shù))數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中間值為濾波后的數(shù)據(jù)，能很好地濾掉脈沖干擾。

3.3.2 溫度補償

系統(tǒng)傾角傳感器易受溫度影響產(chǎn)生誤差，另外系統(tǒng)水平檢測值受軌距影響，而軌距尺尺體材料和軌道軌枕材料線形膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時會使軌距測量值存在誤差。因此為提高精度，減少誤差，需對系統(tǒng)進(jìn)行溫度補償。溫度補償包括兩個方面:①傳感器內(nèi)部自帶溫度傳感器，該傳感器可用于內(nèi)部偏移補償，大大解決了傳感器的溫度漂移;②軟件補償。系統(tǒng)采用溫度傳感器測量環(huán)境溫度，根據(jù)線形膨脹與溫度的關(guān)系，編制算法求出溫度補償值，再設(shè)計溫度誤差補償程序可自動補償軌距溫度誤差，從而提高了水平值精度。

3.4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

系統(tǒng)在工作過程會遇到不同的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，嚴(yán)重的會使系統(tǒng)死機，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，對系統(tǒng)采取了以下可靠性措施。

1)硬件看門狗技術(shù)。單片機具有硬件看門狗功能，在程序中插入喂狗指令，當(dāng)程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)時，無法對看門狗進(jìn)行正常“喂狗”，由此判定系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，并對系統(tǒng)作復(fù)位操作，脫離死循環(huán)。

2)指令冗余技術(shù)和軟件陷阱技術(shù)[7]。單片機受干擾出錯時，程序會“亂飛”，當(dāng)亂飛到雙字節(jié)或三字節(jié)指令時會誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼執(zhí)行，導(dǎo)致程序出錯。為預(yù)防這種錯誤程序采用了指令冗余技術(shù)，在雙字節(jié)和三字節(jié)指令后添加兩個字節(jié)以上的空操作指令，這樣即便程序亂飛了也可將其引入正常軌道。但有時亂飛程序會進(jìn)入非程序區(qū)，此時冗余指令便無法起作用。可在非程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯處理，這就是軟件陷阱技術(shù)。

3.5 系統(tǒng)軟件流程

軟件程序主要包括系統(tǒng)初始化、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和采集、數(shù)字濾波、溫度補償、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)零位修正等，采用KEIL C51開發(fā)編譯平臺，其系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)水平測量不確定度分析

系統(tǒng)水平標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量有4個來源(見表2)，對合成不確定度和擴展不確定度計算如下:

1)合成不確定度

圖5 系統(tǒng)軟件流程

表2 系統(tǒng)不確定度分量分析

2)擴展不確定度(包含因子K取2)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軌距數(shù)顯軌距尺通用技術(shù)條件，擴展不確定度U約≤1/3最大示值誤差，符合要求。

5 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試驗前將檢測系統(tǒng)在江西日月明公司BDQ-1標(biāo)定器上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)零和標(biāo)定，并在JDT-01檢定臺進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，通過在0～+100 mm水平范圍內(nèi)進(jìn)行試驗測量，列出以下部分試驗數(shù)據(jù)(見表3)。

對試驗數(shù)據(jù)和分析處理可得系統(tǒng)性能指標(biāo):①最大示值誤差±0.20 mm;②重復(fù)性0.10 mm;③掉頭誤差0.10 mm;④零位誤差 ±0.15 mm;⑤分辨率0.05 mm，均滿足要求。

表3 0～+100 mm水平測量值數(shù)據(jù)與處理 mm

6 結(jié)語

本文提出了一種數(shù)字化軌道水平測量系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)原理，該系統(tǒng)能夠精確測量高速鐵路軌道水平，各性能指標(biāo)達(dá)到了鐵路數(shù)顯軌距尺水平測量0級準(zhǔn)確度的技術(shù)要求，可應(yīng)用于數(shù)字化軌道尺，前景較好，也可對同類產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局.JJG 219—2008 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺檢定規(guī)程[S].北京:中國計量出版社，2008.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1924—2008 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺[S].北京:中國鐵道出版社，2008.

[3]王彥春.鐵路軌距尺的主要技術(shù)問題與對策[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督.2008(4):22-24.

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

[5]陳勇鋼，吳伯農(nóng).A/D7705高精度數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)[J].國外電子測量技術(shù)，2006(1):38-40.

[6]王慶河，王慶山.數(shù)據(jù)處理中的幾種常用數(shù)字濾波算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(4):53-54.

[7]鄭偉.單片機抗干擾及可靠性設(shè)計[J].兵工自動化，2005(6):112-114.

U216.3

B

1003-1995(2011)02-0104-04

2010-08-20;

2010-12-01

朱洪濤(1962— )，男，湖南雙峰人，教授，碩士。

(責(zé)任審編 王天威)