（物理电子学专业论文）铁路轨道参数检测及其数据处理技术研究.pdf

中南人学硕士学位论文 摘要 摘要 由于我国铁路运输向高速、重载方向发展，必然对轨道结构提出 更高的要求，因此加强对轨道参数的检测和养护，对铁路现代化建设 有着深远的意义。本文运用计算机技术和智能仪器的设计思想，研究 开发了一种便携式、高精度的智能轨道参数检测系统。 在分析检测系统原理和设计系统硬件电路的基础上。采用分段校 准和模式搜索相结合的方法对涡流传感器的工作直线进行拟合，将该 传感器的测量线性度从1 提高到0 。1 ，该方法可以让中等精度的 涡流传感器进行高精度的测量，大大降低了系统的设计成本。通过设 计数据预处理算法，消除了钢轨焊缝、错牙和侧磨对检测数据精度的 影响。 为了推算一定弦长的轨向和高低不平顺值，建立j ，叠加法、总偏 角和坐标旋转三种数学模型，并从检测精度和应用背景两方面对模型 进行了比较。根据轨道线性变化规律，建立了轨向和高低理论值的计 算数学模型，推导出了轨道各点不平顺偏差值的计算公式。在捣固车 的拨道应用方面，提出了利用检测系统偏差值修正其残留偏差的方 法。 在线路评估中，为了利用轨道不平顺检测数据，分析了利用功率 谱密度描述轨道不平顺统计特性的线路质量评估方法，采用改进的周 期图估计法对检测系统的不平顺数据样本进行了功率谱分析，由谱图 可以直观地看出轨道不平顺幅值和波长的分布规律。 利用串口通信技术、多线程程序设计技术以及c o m 技术，开发了 检测系统的数据分析处理软件，解决了数据读取速度慢和屏幕闪烁等 关键问题。试验结果表明该系统测量精度高、鼋复性好，完全可以满 足现场测量要求。 关键词轨道参数，智能检测，传感器，数据处理 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc h i n e s eh i g h - s p e e da n dh e a v y - - h a u l r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，t h et r a c ks t r u c t u r ei sm o r ei m p o r t a n t r e i n f o r c i n g t r a c k p a r a m e t e r d e t e c t i o nh a s f a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e t ot h e m o d e r n i z a t i o no fr a i l w a yc o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r ，b a s e do nc o m p u t e r t e c h n o l o g i e sa n dd e s i g np r i n c i p l eo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，ap o r t a b l e i n t e l l i g e n tt r a c kp a r a m e t e rd e t e c t i o ns y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o ni s d e s i g n e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fs y s t e mp r i n c i p l ea n dt h ed e s i g no ft h e h a r d w a r ec i r c u i t s ，t h ep a r e ms e a r c hm e t h o dc o m b i n e dw i t ht h es e g m e n t c a l i b r a t i o ni sa p p l i e dt of i taw o r k i n gl i n ef o rab a c k s e ts e n s o r , w h i c h i m p r o v e s s e n s o r n o n - l i n e a r i t y f r o m1 t oo 1 t h e r e f o r e a h i g h a c c u r a c ym e a s u r e m e n ti sc a r r i e do u tw i t hm e d i u mp r e c i s i o ns e n s o r s ， w h i c hc a r lr e d u c e g r e a t l yt h e c o s to fs y s t e md e s i g n b yt h ed a t a p r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，t h ee f f e c t so fr a i l w a yw e l d i n gl i n e ，s t a g g e r t e e t ha n da b r a s i o nt od e t e c t i o np r e c i s i o nc a nb ee l i m i n a t e d t oc a l c u l a t eac e r t a i nc h o r do ft r a c ks m o o t ha n dr o u g hv a l u e ，t h e s u p e r p o s i t i o n ，t o t a la n g l er o t a t i o na n dc o o r d i n a t er o t a t i o nm a t h e m a t i c a l m o d e l sa r es e tu p ，a n dt h em o d e l sa r ec o m p a r e df r o mt h ea s p e c t so f d e t e c t i o np r e c i s i o na n dt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d b a s e do nt h el a wo f t r a c kl i n e a rv a r i e t y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er a i l w a yt h e o r e t i c a l v a l u ei se s t a b l i s h e d a n dt h ef o r m u l ao ft h et r a c kd e v i a t i o nv a l u ei s d e r i v e d i nt h ea p p l i c a t i o no f t h et a m pv e h i c l et r a c k d i a l i n g ，t h ea p p r o a c h o fu s i n gs y s t e md e v i m i o nt oa m e n di t sr u d i m e n t a lw a r pi sp r e s e n t e d i nt h et r a c ke v a l u a t i o n ，i no r d e rt ou t l i z et h ed e t e c t i o nd a t a ，t h e a p p r o a c hb a s e do nt h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t yi nt h et r a c ke v a l u a t i o ni s a n a l y z e d t h ed e t e c t i o ns y s t e mi r r e g n l a r i t yd a t as a m p l ei sa n a l y z e dw i t h t h ei m p r o v e dc y c l em a pe s t i m a t i o n f r o mt h ep o w e rs p e c t r u mf i g u r e ，t h e d i s t r i b u t i o nr u l eo ft h et r a c ki r r e g u l a r i t ya m p l i t u d ea n dw a v e l e n g t ha r e c l e a r l yf o u n do u t 1 1 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t hs e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，m u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n g t e c h n i q u e sa n dc o mt e c h n o l o g i e s ，t h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r eo ft h e d e t e c t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d s o m ek e yp r o b l e m sa r es o l v e d ，s u c ha st h e d a t a - r e a ds l o wa n ds c r e e nf l i c k e r e d t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a t t h e s y s t e m h a s m a n yf e a t u r e s ，i n c l u d i n gh i g hp r e c i s i o n ，g o o d r e p e a t a b i l i t y ，a n di tc a ns a r i s f yt h er e q u i r e m e n t so n t h es p o t k e y w o r d s ：t r a c kp a r a m e t e r ，i n t e l l i g e n td e t e c t i o n ，s e n s o r ，d a t ap r o c e s s i n g l i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在 论文中作了明确的说明。 作者签名：耋丝盔日期：垒哩年月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：圭丝多导师签名期：丝乙年羔月丝日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 轨道参数对车辆运行安全的影响 随着铁路客运高速化、货运重载化，铁路运输跨入崭新的时代。改革开放以 来，我国经济建设取得了巨大成功，经济的飞速发展同时也给铁路建设提出了更 新、更高的要求。但是长期困扰我国铁路交通运输的两大问题，一是运能与运量 之间的突出矛盾，二是铁路运输的舒适、安全与经济性问题，二者直接制约着国 民经济的发展。轨道是铁路运输的基础，轨道质量直接影响着铁路运输的安全和 效率，随着列车运行速度和列车载重的不断提高，列车对轨道的质量要求不断提 高。列车运行过程中，影响其平稳性的因素有多种，除了机车车辆自身影响外， 轨道状态的不平顺是破坏列车运行稳定性的主要原斟。铁路轨道的不平顺对列 车运行平稳性的影响主要有以下几个方面。 ( 1 ) 轨道高低不平顺对列车运行平稳性影响 轨道高低指钢轨顶面纵向的起伏变化。不同波长的高低不平顺对列车运行平 稳性的影响有着不同的表现形式。波长在2 m 以内的高低不平顺，幅值小，波长 短，线路长度的变化率大，是产生轴箱垂向振动加速度的主要原因；波长在l o m 左右的高低不平顺，主要是使车体产生较大的垂向振动加速度；波长在2 0 m 左 右的高低不平顺，其幅值大，波长长，主要是使车体产生点头振动。当车体振幅 和高低不平顺幅值方向相同时，会使车体产生较大的振动加速度。 严重的高低不平顺将引起车辆剧烈地点头和浮沉振动，会使车轮大幅度减 载，甚至悬浮。在曲线上或轨向不良区段，高低不平顺引起的车轮悬浮可能导致 脱轨严重减载的车轮，同时又有很大的侧向力作用，也很可能脱轨。此外，高 低不平顺的负值过大时会使道床阻力显著降低，轮载引起的钢轨负挠度亦将增 大，造成更多的轨枕悬空，高低不平顺所引起的振动又使道床阻力进一步减小， 因此易引起无缝线路发生动态胀轨跑道，导致列车倾覆。 ( 2 ) 轨道水平不平顺对列车运行平稳性影响 轨道水平定义为轨道同一横断面内两钢轨顶面之高度差。水平不平顺不仅表 现为静态时的水平偏差，更多的表现为因轨道存在暗坑、吊板而造成的水平偏差。 水平不平顺将使车辆产生侧滚振动，导致一侧车轮增载，一侧减载。曲线上 严重的水平不平顺往往是引起货车脱轨的重要原因。若方向、水平不平顺同时存 在且逆向复合时，引起脱轨的危险性更大。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 轨道扭曲不平顺对列车运行平稳性影响 轨道扭曲反映了钢轨顶面的平面性。如果在一段不太长的距离内，先是左股 钢轨较右股钢轨高，后是右股钢轨较左股钢轨高，而且两个最大水平误差点之间 的距离不足1 8 m ，则把这种水平误差称为三角坑。 扭曲不平顺将使转向架出现支撑轮减载甚至悬浮的情况。欧洲和我国刚度较 大的货车在曲线圆缓点区域的脱轨事故大多与轨道的扭曲不平顺有关，曲线和直 线上严重的局部不平顺都可能引起车辆剧烈的侧滚和侧摆振动，导致脱轨系数过 大而造成脱轨。 ( 4 ) 轨道轨向不平顺对列车运行平稳性影响 轨道轨向指钢轨内侧面轨距点沿轨道纵向水平位置的变化。轨向不平顺将引 起车辆的侧摆、摇头振动，连续的轨向不平顺将引起车辆蛇行和滚摆。严重的轨 向不平顺将引起很大的侧向力，可能使轨枕、扣件不良地段的钢轨倾翻或轨排横 移，造成列车掉道。负值很大、波长较短的轨向不平顺，本身就会使无缝线路稳 定性降低，加上这种轨向不平顺还必然引起轮轨间产生很大的侧向力，往往导致 动态胀轨跑道的重大事故。 ( 5 ) 轨道轨距不平顺对列车运行平稳性影响 轨道轨距指两股钢轨之间的距离。轨距不平顺过大会导致车轮掉道或卡轨。 我国和其它部分国家的传统观念认为，即使轨距不平顺尚未扩大到会使车轮掉道 的程度，如果车轮锥形踏面的大坡度段( 1 ：1 0 ) 已进入轨顶内侧圆弧以内，仍应避 免，这是因为斜度较大的车轮踏面将使钢轨遭受额外增加的水平推力。短距离内 轨距变化剧烈，表明存在严重的轨向不平顺，当然也会影响列车安全。 ( 6 ) 轨道复合不平顺对列车运行平稳性影响 轨道复合不平顺是由轨向不平顺和水平不平顺复合而成。曲线头尾的几何偏 差往往是列车出现脱轨的重要原因，这种几何偏差实质上是轨道超高和曲率不匹 配的严重复合不平顺，将使车辆产生剧烈摇晃，脱轨系数和减载率侧向力均显著 增加。 1 2 轨道参数检测技术综述 轨道状态的不平顺是破坏列车运行稳定性的主要原因，因此，为保证铁路运 输的平稳、舒适和安全，必须经常保持轨道设备的均衡、完好和稳定，保持轨道 几何状态的平顺。轨道参数检测是获得轨道状态、掌握轨道变化规律和分析研究 轨道病害的主要依据。轨道参数检测包括静态检测和动态检测两种。轨道静态参 数主要指轨道轨距、水平、三角坑、高低和轨向等，轨道静态参数的检测目前主 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 要由人工拉弦检测。轨道动态检测主要指轨道在机车车辆动力作用下的检测，其 代表性的检测设备是轨检车，它可以对轨道的永久变形和弹性变形的叠加进行动 态检测，同时可测定车体垂向振动加速度和横向振动加速度。 1 2 1 轨道参数静态检测内容 主要对轨道的轨距、水平、高低和轨向进行检测。 1 轨距检测：在钢轨头部内侧顶面下1 6 r a m 处测量圆，两根钢轨之间的距 离称轨距。目前对轨距检测采用的量具主要是r t g - 1 型铁路轨距尺。用r t g - i 型铁路轨距尺测量时，拉手要轻放轻松，不得用力过大，以免影响轨距尺的使用 寿命和测量精度测量水平( 曲线上称超高) 时，手须离开握把，以便取得正确读 数。 2 水平检测：水平定义为轨道同一横断面内两股钢轨顶面之高度差，曲线 的水平称为超高。在日常的轨道水平检测中用轨道尺和轨距同时测量。 3 。高低检测：轨道的高低指一股钢轨踏面在垂直面上的不平顺程度。在日 常检测中，一般由工长进行目测。必要时用简单的器具测量。在现阶段，检测人 员常用1 0 m 弦线按在置于轨面的木垫块上，拉紧弦线，用尺量出弦至钢轨顶面 的最大和最小距离。 4 轨向检测：轨向定义为钢轨内侧面测距点沿轨道纵向水平位置的变化量 ( 曲线上称正矢) 。检测直线轨向用1 0 米弦线，前后将l o 米弦线紧贴钢轨头部内 侧，拉紧弦线，用尺量出弦线范围内任意点最大矢距，即为该处的轨向误差。曲 线正矢，通常用2 0 m 弦线紧贴钢轨内侧踏面下1 6 r a m 处测量。缓和曲线正矢应 按正矢点逐点检测。 1 2 2 轨道参数动态检测内容 轨道参数动态检测主要是由轨检车完成，通过检测和了解线路局部不平顺和 线路区段整体不平顺的动态质量，用以指导线路维修。轨检车动态检测参数既包 含工务工程管理中所谓静态检测参数，又包括轨道在轮轨作用下才显现的暗坑、 吊板、轨枕失效、扣件不密贴、钢轨基础弹性不均等而形成的隐性不平顺。动态 检测项目有：轨距、水平，高低、轨向、三角坑、车体垂向振动加速度和横向振 动加速度唧。 1 2 3 轨道参数检测的历史与发展趋势 目前，欧洲、北美、日本等国在轨道参数检测技术方面处于领先水平，利用 轨检车指导铁路工务维修作业至今已有近百年的历史，取得了显著的经济和社会 效益。其中有能够以3 0 0 k m h 高速检测的德国r i a l l a b 型轨检车，以及在 2 5 0 k m h 检测速度下同时完成线路、接触网、信号设备状态检测的奥地利e m 2 5 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 型轨检车；此外，法国吉斯马( g e i s m a r ) 公司、美国斯坦尼公司、波兰的g r a w 公 司、瑞士的徕卡测量系统股份有限公司、英国的a b t u s 公司等也有同类产品。但 由于其技术复杂、价格昂贵，我国并未采用。 自2 0 世纪5 0 年代起，我国铁路部门在引进、消化、吸收国外先进技术的基 础上，先后研究、开发了四代轨检车，在技术、性能、精度上取得了长足的进展。 最新一代轨检车g j - 4 型自1 9 9 6 年投入使用以来，承担了各主要干线的检测工作， 为铁路提速提供了基础保证，做出了贡献。 目前，我国轨道参数检测还存在着检测手段落后，检测数据不完备的问题。 在轨道状态的日常检测过程中，主要是由经验丰富的工人使用简易的工具进行测 量，这种操作，个体差异性大，数据主观性强，很难准确地反应轨道的真实状态。 虽然近些年来，铁路部门使用轨检车对轨道状态进行检测，但是我国轨检车总量 少，只在铁路局配备，并且，轨检车的造价昂贵，体积庞大，不适合于基层单位 的配备。随着近年来微电子技术以及计算机技术的迅速发展，运用智能仪器仪表 的设计思想研究的新一代智能轨道参数检测系统应运而生f 4 】。 1 3 轨道参数检测数据处理技术的研究内容 对轨道参数检测中，手工检测落后且存在很多问题，高科技轨道检测车动态 检测又存在着使用的局限性。因此，运用智能检测技术，研究一种便捷、轻巧、 精度高、连续测量，具有数据显示、存储、传送等功能的智能轨道参数检测系统 势在必行1 5 】。检测系统中的微型计算机系统自动控制整个检测过程和记录数据， 能实时显示所测参数，包括里程、轨向、轨距、水平、高低，具有人机对话功能， 可以在自动检测过程中随时记录轨道的各种缺陷。检测系统将现场检测的数据存 储在u 盘内，通过读卡器录入p c 机中以便做进一步的数据分析和处理。 检测系统所检测的参数中，里程、轨距、水平及三角坑采用传感器采集数据， 直接读取分析超限，算法比较简单，准确性高；轨向和高低由传感器采集l m 弦 数据，进而经过推算得出1 0 m 或2 0 m 弦的轨向和高低，其准确性涉及到机构的 设计、传感器的非线性校正、滤波算法的设计及数学模型的建立，目前，轨向和 高低的测量技术无法满足现场的要求，其准确性有待进一步的提高。另外，目前 使用的“峰值扣分法”及“轨道质量指数评价法”在对轨道状态进行评估时存在 缺陷，需研究新的轨道状态评估方法。考虑到现场使用的方便性、工务管理的信 息化及检测系统数据的可移植性，需开发出适应工务现场的数据分析处理软件。 这些基于轨道检测的数据处理技术、轨道状态评估技术及数据分析处理软件的研 发是本文研究的内容。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( i ) 智能轨道参数检测系统的研究 在理解智能轨道参数检测系统应用背景的基础上，通过试验并分析钢轨特 性、检测系统运行状态及轨道的实际情况，提出合理的系统检测原理。整个系统 由智能系统进行控制，通过传感器采集轨道的原始物理量，并由旋转编码器记录 检测系统位移。检测的原始参数中，轨距和水平的精度要求并不高，普通的传感 器即可满足要求，而由于轨向和高低需转换成1 0 i n 或2 0 m 弦长的轨向和高低值， 因此其l m 弦的检测精度要求很高精度很高的德国米铱公司的5 m m 量程涡流 传感器线性度能达到0 5 ，但仍不能满足精度要求，且价格昂贵。需采用一定 的数据处理技术对传感器的工作直线进行拟合，改善其非线性。并且，由于检测 系统运行环境比较恶劣，存在很大的干扰，因此设计合理的滤波电路也是提高原 始数据检测精度的关键。 ( 2 ) 智能轨道参数检测系统的数据处理技术 控制系统采集的原始数据虑除了信号干扰，得到了与被测物理量近似呈正比 的“纯净”信号。由于轨道存在着焊缝、错牙、侧磨等，会引起机构的振动，进而 产生奇异数据，需采用数据预处理算法对原始数据进行滤波处理。经过处理后的 原始数据中，轨距和水平可以直接计算超限并生成报表，而轨向和高低为l m 弦 的值，需建立合理的数学模型，推算出1 0 m 或2 0 m 弦的轨向和高低值。事实上， 通过对轨道几何形位的分析可知，一定弦长的轨向和高低值并不能完全反映轨道 实际的不平顺状况，需使用合理的数据处理技术对转化后的数据进一步分析，得 出能够更加真实反映轨道不平顺状况的轨向和高低值。同时，检测系统所测的参 数值也可以应用在大型养路机械上，以提高其作业的精度和效率 ( 3 ) 轨道参数在轨道评估中的应用 智能轨道参数检测系统对轨道进行检测的最终目的是对轨道状态进行评估， 进而指导轨道养护维修。目前国内外评价轨道质量状态的方法主要有两种：一是 反映轨道局部不平顺的峰值扣分法，另一种是反映轨道区段整体不平顺的轨道质 量指数( t q i ) 评价方法。这两种方法都存在一定的缺陷，均不能反映轨道不平顺 的波长。而轨道不平顺的幅值和波长都对车辆轨道相互作用有重要影响，因此， 必须对检测系统所检测的数据进行挖掘处理，以便能够科学地评价和管理轨道的 不平顺状态提高我国轨道管理的科学技术水平。 最后，需设计出功能齐全、界面友好并可扩展的智能轨道参数检测系统的数 据分析处理软件，以便取代人工检测进而指导现场作业。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题研究意义 智能轨道参数检测系统的数据处理技术研究及其数据分析处理软件的设计 旨在解决铁路轨道维护中检测手段落后、劳动强度大、工作效率低和数据粗糙等 状况，提高轨道参数测量的工作效率和精度，减轻劳动强度，为轨道维护施工提 供可靠的原始数据和管理决策信息，推动轨道维护信息化的发展。 1 5 本文内容安排 本文研究了铁路轨道参数检测及其数据处理技术，内容涉及检测原理、硬件 电路设计、传感器非线性校正技术、数据预处理算法、弦测法推算数据模型、轨 道不平顺检测精度提高技术、轨向和高低理论值算法、轨道不平顺功率谱分析、 系统软件开发等内容。 第一章主要讲述了轨道参数对列车运行安全的影响、轨道参数检测技术综 述、轨道参数检测数据处理技术的研究内容、课题研究意义及论文的主要结构。 第二章从提高检测系统原始数据的精度出发，根据其应用背景，提出合理 的系统检测原理，并设计出模拟输入电路及整个控制系统。 第三章研究了提高轨向和高低检测精度的数据处理技术，内容包括涡流传 感器线性度提高、数据预处理算法设计、轨向和高低推算数学模型的建立、轨道 不平顺检测精度的提高、轨向和高低理论值的计算、检测数据在捣固车拨道作业 中的应用等。 第四章论述了目前检测数据在线路质量评估中的不足，研究了利用功率谱 密度来描述轨道不平顺统计特性和规律的方法，并利用改进的周期图估计法对检 测系统数据进行了功率谱分析。 第五章根据所研究的数据处理技术，设计出界面友好、功能强大、可扩展 并能适应现场要求的数据分析处理软件。 第六章论述了对检测系统的试验情况，内容包括静态试验和动态试验。本 文中的最后一章对本文作出了总结，并展望了新一代轨道参数检测设备在高速铁 路上的应用前景。 6 中南大学硕士学位论文第二章智能轨道参数检测系统的设计 2 1 概述 第二章智能轨道参数检测系统的设计 根据现场需要，智能轨道参数检测系统设计成人工动力的小型推车。检测系 统在t 型的机械结构上安装检测装置，整个检测系统由蓄电池供电，检测系统 中的微型计算机系统自动控制整个检测过程和记录数据，能实时显示所测参数， 包括里程、轨向、轨距、水平、高低，具有人机对话功能，可以在自动检测过程 中随时记录轨道的各种缺陷。检测系统将现场检测的数据存储在u 盘中，在交 班时可将所有测量数据经过u s b 接口的读卡器录入p c 机中以便做进一步的数 据处理和分析。 由此，可以通过测量的轨道参数信息得到线路检查记录簿和曲线检查记录 簿，同时可进行数据的查询，并根据不同的标准获取超限报表、超限地点汇总表 等一系列信息表格，有利于保持线路设备完整和质量均衡，并能从p c 机上以图 形方式直观地观察轨道在任何一点的参数信息。这样，采用智能轨道参数检测系 统不但大大降低了工人的劳动强度，缩短了检测时间，也使得采集的信息更为完 整，更重要的是参数信息有了高精度的保障，最大限度地满足铁路现场的要求。 2 2 轨道参数检测系统测量原理 智能轨道参数检测系统的测量项目包括：轨距、水平、三角坑、轨向、高低 和里程各种轨道参数检测装置采用的检测原理有弦测法、惯性基准法和叠加法 智能轨道参数检测系统的轨向和高低测量原理采用的是叠加法和弦测法嘲。 2 2 1 轨距测量原理 轨距测量原理如图2 - l 所示【刀，轨距测量装置由原理和结构相似的左右两个 子装置组成，它们各自测量左轨和右轨的轨距变化分量，其中左轨的变化分量是 推算轨向不平顺的量d 2 ，两个轨距分量之和可得到轨距值。左右轨距测量子装 置均包括：位移传感器和用于固定此传感器的机械部分，两个装置装在一个长度 为d 的固定梁上，整个装置装在测量仪的底部，且与左( 右) 轨面距离为1 6 r a m 。 当钢轨产生位移使轨距变化时，在弹簧力的作用下，左右轨距测量子装置的左右 7 中南大学硕士学位论文第二章智能轨道参数检测系统的设计 侧面是一直与左右轨道完好接触的，因此两个位移传感器的测量值发生变化。轨 距的实际测量值s 为 s = j d + d 1 + d 2 ( 2 - 1 ) 式中，轨距d l 为左侧轨向传感器所测轨距分量，d 2 为右侧轨距传感器所测轨距 分量，d 等于标准孰距1 4 3 5 m m 。 图2 1 轨距和轨向测量原理图 2 2 2 水平测量原理 水平定义为同一轨面断面的两轨顶之高度差，曲线上称为超高。通过横梁上 倾角传感器的角度输出及己测出的轨距，推算左右轨的超高值。测量水平的装置 主要包括：倾角传感器和固定此传感器用的机械装置，水平测量原理如图2 - 2 所 示聊。 图2 - 2 水平测量原理图 横梁上的水平传感器能测量出左、右钢轨高差形成的角度口。左、右钢轨的 轨距s 已由式( 2 - 1 ) 计算得到。则水平不平顺值日为 s 中南大学硕士学位论文第二章智能轨道参数检测系统的设计 h=sxsin0(2-2) 式中，s 是轨距，0 为水平传感器测量角。 2 2 3 三角坑测量原理 三角坑反映了轨顶的平面特性，测量原理如图2 - 3 所示。c 点到由口、b 、d 三点所确定的平面的距离h 即为线路的三角坑( 扭曲) 值。轨道断面f 和声之间的距 离工称为基长，目前在现场检测时工取6 2 5 m 【9 1 1 f 1 2 - 3 三角坑测量原理图 三角坑的计算公式为 h = 瓯- 4 ( 2 - 3 ) 式中，4 、瓦分别为轨道断面第f 和处的水平值。 2 2 4 轨向测量原理 轨向定义为钢轨内侧面测距点沿轨道纵向水平位置的变化量( 曲线上称为正 矢) ，测量原理如图2 1 所示。轨向测量时，间距l m 的两定位点在横梁右弹簧的 作用下压紧钢轨左内侧，安装在横梁左侧滑块上的轨向测头在左弹簧的作用下始 终紧贴左轨内侧轨顶下部1 6m m 处，轨向传感器测量出l m 弦长的轨向d l ，每 前进0 2 5 m 测一次 2 1 2 5 高低测量原理 高低指钢轨项面沿竖直纵向起伏变化量，反映轨道在竖直平面内的不平顺， 测量原理如图2 - 4 所示。安装在纵梁上的高低传感器( 电涡流位移传感器) 能够测 量出前、后轮l m 距离内离轨面的距离m ，而高低传感器离纵梁前、后轮底面连 线的距离加是已知的，所以纵向l m 范围内钢轨的起伏变化量j i 可以求得 h = 一 ( 2 4 ) 式中，h 为纵向l m 范围内钢轨起伏变化量，m 为高低传感器的测量值，_ i l o 为常 量。 9 中南大学硕士学位论文 第二章智能轨道参数检测系统的设计 麓小 呈 h 蒯勰厂 、纵粱 、后轮 、， 。 一u 1 a | 图2 _ 4 高低测量原理图 钢轨的高低测量与轨向测量一样，每前进0 2 5 m 测一次。将测得的数据按叠 加原理可以推算出l o 或2 0 米弦的高低值。 2 2 6 里程测量 里程测量的目的是确定检测系统的行进位置。采用旋转编码器来测量检测系 统走过的距离，根据测量开始前输入的起始里程，即可确定检测系统当前的位置。 旋转编码器转动一周，发出固定的脉冲数，当与旋转编码器连接的行走轮的外径 确定后，每个脉冲代表的的长度也随之确定，因此根据脉冲数就可以确定检测系 统所走过的里程。在软件控制中，旋转编码器根据设定的测量步长对应的脉冲数 来给单片机发中断指令，控制检测系统的自动测量。 2 3 轨道参数检测系统结构 在智能轨道参数检测系统中，把被检测的轨道参数的信号送入微处理器中进 行处理，要经过多次变换，每次变换都有一定的目的。传感器是被测信号的第一 次变换，它是将非电量信号变换成电信号。为了将它输入到微机中进行实时处理， 需要再进行滤波、放大，变换成标准的电信号送给a d 转换器进行第二次变换， 模拟的电信号被转换成数字量送入微型机中，以便对其做进一步的处理【1 0 l 。现 将从提高检测精度的角度，对智能轨道参数检测系统的组成框图、p c i 0 4 总线特 点、模拟信号输入电路和a d 转换器进行阐述。 2 3 1 系统组成框图 智能轨道参数检测系统组成如图2 - 5 所示。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章智能轨道参数检测系统的设计 l 轨距传感器卜+ 模 苴 i 掣l 液晶暑示屏l l 水平传感器卜 拟模 片 i i 信数 机 刊嚣 p c i 0 4 p c l 0 4l i 轨向传感器卜+ 号转 数 模拟输k 输换 据 总线 入模板i i 高低传感器卜+ 入 电 采 电 路 集 路 系 1r i 里程编码器卜+ 统 l 蜂鸣器ll 薄膜键盘l 图2 - 5 智能轨道参数检测系统组成框图 轨距传感器、水平传感器、轨向传感器、高低传感器和里程编码器通过屏蔽 电缆与数据采集系统连接。各传感器测量值通过模拟信号输入电路后送入a d 转换器，转换后的数据送入单片机数据采集系统，单片机根据里程编码器脉冲数 实时将采集的数据集合通过串口中断的方式传送给p c i 0 4 模块，p c l 0 4 模块通 过对数据进行计算，并通过液晶显示屏显示。在数据实时分析处理过程中，发现 某个检测参数超限而影响行车安全时，系统将发出报警信号，以便做出及时处理。 操作人员通过键盘可以实时输入检测过程中轨道上的各种缺陷及标记。现场检测 的数据都存储在d o c 中，可以通过u s b 接口将测量数据读入计算机中做进一步 的数据分析、处理和打印 2 3 2 传感器选型 无论什么检测仪器，首先要解决信号的提取。传感器是信号提取的工具，它 的作用是将各种非电量信号转换为电信号，实现系统对测量对象的识别。传感器 是检测系统的主要信息来源，其性能决定了检测系统的检测性能。传感器选用时 要考虑的性能指标包括：线性量程、供电方式、输出方式、非线性误差、灵敏度、 分辨率、频率响应、稳定度、温漂、工作温度、抗干扰性能、寿命等。精度是传 感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个检测系统测量精度的一个重要环 节。根据智能轨道参数检测系统的测量原理可知，轨距、轨向和高低测量可以选 用位移传感器，而水平由于采用了三角关系进行间接测量，需要选用倾角传感器， 里程测量选用旋转编码器。 ( 1 ) 轨距传感器 轨距传感器选用非接触式的磁致伸缩传感器，其主要技术参数如下： 量程：8 0 m 线性误差：o 0 5 f s 供电：+ 1 2 、，d c 温度影响：o 0 0 7 f s 输出：o 5 y 重复性误差：优于o 0 0 2 f s 工作温度：t 2 ：- 2 5 + 分辨率：优于0 0 0 2 f s ( 2 ) 水平传感器 中南大学硕士学位论文 第二章智能轨道参数检测系统的设计 水平传感器选用体积小、寿命长、可靠性高，特别适用于运动频繁的场合的 非接触式倾角传感器。标准轨距为1 4 3 5 m m ，由式( 2 2 ) 可以得出倾角传感器量程 范围计算公式为 + ，n n 口= a r c s i n ( 吾善= 8 。 ( 2 - 5 ) 水平测量的精度要求达到l m m ，由式( 2 2 ) 可以换算得到倾角传感器的精度 要达到o 0 4 。考虑各种影响因素，倾角传感器的主要技术参数如下： 量程：1 0 。或0 - - 2 0 。工作温度：一4 0 + 8 5 供电：+ 1 2 v d c 分辨率：0 0 0 1 。 输出：o 巧v 或4 , - , 2 0 m a线性度如1 的测量范围 ( 3 ) 轨向和高低传感器 轨向和高低传感器都选用小量程、高精度的电涡流传感器。选取传感器主要 技术参数如下： 量程：5 m m供电：+ 1 2 v 灵敏度：0 8 v r a m输出：o 5 v 非线性度：1 工作温度：- 3 0 1 2 1 0 0 1 2 由涡流传感器的非线性度可知，该涡流传感器不能达到0 0 1 r a m 的精度要求， 它只能达到0 0 5 m 。为了解决这个问题，要采用传感器的非线性校正技术，这 将在本文的3 2 节重点讲述。 2 3 3 模拟信号输入电路 模拟信号输入电路将由传感器送来的模拟量进行电平转换、滤波、放大、采 样保持、模数转换之后，输入微处理器中【1 1 l 。其主要作用是提高输入阻抗，减 小电路引入的误差。检测系统有四个模拟信号输入通道，而且各个信号的转换精 度和转换速度要求基本一致，因此可以选择多通道共享a d 转换的输入方式。 这样，输入电路占用c p u 的输入口较少，c p u 对每个通道的访问，可以由软件 决定。智能轨道检测系统输入电路如图2 - 6 所示。 图2 - 6 模拟信号输入电路原理图 中南大学硕士学位论文第二章智能轨道参数检测系统的设计 由图2 - 6 可知，模拟信号输入电路主要由多路模拟输入选择开关( a d c , 6 0 8 ) 、 精密基准电压源( m a x 6 0 3 3 ) 、输入放大i 器f f r l c 2 2 0 2 ) 、有源滤波器和输入衰减器 ( m a x 5 4 9 1 ) 等组成。 a d g 6 0 8 1 1 2 】是8 通道5 v 电源电压高性能模拟多路转换器。在多路模拟输入 选择开关中，有5 路为传感器测量信号输入。v r e f l 为外部精密电压基准输入 端，用于检验内部精密电压基准源。v r e f 2 为内部精密电压基准( + 2 5 、r ) 输入端， 另外一个端接地，它们与软件配合能起到内部电路自校准作用。m a x 6 0 3 3 【1 3 】是 一个具有极高精度的基准电压源，将作为a d 转换器的电压基准。 在测控系统中。不可避免地会有高频干扰信号混杂在有用信号当中为了得 到被测对象的正确信息，就需要使用低通滤波器将干扰信号衰减和滤除。由于无 源r c 或l r c 滤波器的频率特性较差，对干扰信号的衰减也较小，因而常采用 有源低通滤波器。本文采用阻容网络加运放的设计方法，电路实现为s k ( s a l l e n k e y ，塞仑一凯) 形式1 1 4 1 。在图3 2 所示的电路中，放大器和周围的既元件构 成二阶有源滤波器。该二阶r c 低通有源滤波器的中心频率为 + ，o2 磊蕊去两( 2 - 6 ) 将电路中r c 参数代入，可以算出中心频率约为1 0 h z 。之所以考虑选取如 此低的输入中心频率是因为输入干扰信号在5 0 h z 谱线上占有绝大多数能量，而 且轨道静态参数是缓变信号。考虑滤波器的稳定时间不宜过长，因此选1 0 i - l z 作 为滤波器的中心频率可以基本将外界干扰滤除且不至造成过长的稳定时问。 对于运放的选用，要求其输入电阻高输入失调电压小，输入失调电流小， 共模抑制比高，温度漂移小i 嘲。它的作用主要是对传感器信号进行精密的电压 放大。同时对共模干扰信号进行抑制，以提高信号的质量。本部分的运算放大器 采用了1 1 公司的双组，低噪声，高精度满量程运放t l c 2 2 0 2 1 悯。其最大的优点是 具有极低的噪声和极小的偏置电流。前者有助于减少模拟部分的噪声、后者则能 够减小模拟开关内阻的影响 由于所有采用的传感器输出都为o 5 v 信号。而在后面将要介绍的a d 转换 器只能接收0 - - 2 5 v 的输入，所以要将信号进行2 倍韵衰减。衰减器采用m a x i m 公司的m a x 5 4 9 1 1 1 7 1 。其是一款包含两个精确匹配电阻的高精度电阻分压器，可 使用分压器端点和中心点。 经过模拟输入电路处理后的信号即可直接连接a d 转换器。 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章智能轨道参数检测系统的设计 2 3 4 n d 转换器 a d 转换器是检测系统的另一个关键模块。模数转换过程中，每隔时间t 对输入的连续信号进行采样，采样后的数据在时问上是离散的，然后经过量化( 即 编码) 将模拟信号转化成数字信号。在a d 转换器中，采用四舍五入的取整量化 方式( 即把小于q 2 的值舍去) 。因此，量化会使信号失真，给系统带来量化误差， 影响系统的精度和过程平滑。为了减少量化误差对系统精度和平滑性的不利影 响，应该正确地选用a d 转换器。其主要性能指标有分辨率、转换速度、量化 误差、零位误差、线性误差和满刻度误差掣1 8 】。 由选用的传感器灵敏度0 8 v r a m ，要求检测的精度0 0 1 m m 可知，要求检测 的模拟电压最小变化量为0 , 0 0 8 v 。因此要求选用1 2 b i t 以上的a d 转换器。检测 仪的测量速度为人步行速度，设为5 k m h ，采样问隔为0 2 5 m ，则相当于采样时 间间隔为7 2 m s ，采样频率为1 3 8 8 1 - i z ，因此对a d 转换器的转换速率要求不商。 本设计采用a d s 8 3 4 4 芯片实现模数转换。 a d 转换器的精度直接取决于基准电压的精度。因此为了提高精度，采用了 外部基准电压。前面介绍的m a x i m 公司的精密电压基准源m a x 6 0 3 3 是一个具 有极高精度的基准电压源。低温度漂移和低噪声使m a x 6 0 3 3 非常适合配合高分 辨率a d c 工作，这保证了检测系统的精度。 2 3 5p c i 0 4 模块 ， 为实现大批量数据的实时采集、计算和显示，控制系统需拥有高速的计算能 力，并具有良好的人机交互功能。因此选用在嵌入式应用领域比较成熟，并具有 总线接口的p c i 0 4 模块。p c 机总线通常是连接到p c 微机的扩展槽，再经插槽 为外设提供i o 通道。p c i 0 4 总线是超小型p c 微机所用的总线标准。这种超小 型p c 微机体积小、结构紧凑，在各种工业控制、通信控制很受欢迎。它可以嵌 入到对体积和功耗要求都很高的产品中，因而p c i 0 4 微机常称为嵌入式p c 机。 这种微机有两个总线插头，其中p l 有6 4 脚、p 2 有4 0 脚，共1 0 4 脚，这也是 p c i 0 4 名称的由来。它不用插板滑道和总线母板，模块之间采用层叠式封装。总 线及整机除小型化的结构外，在硬件和软件上与i s a 规范完全兼容，实质上是 为了更好地满足工业控制或小型化设备的要求而开发生产出来的3 8 6 、4 8 6 的小 型化机型。 使用p c i 0 4 总线的嵌入式p c 机的主要特点为【1 9 】： ( 1 ) 使用超小尺寸的模块，包括c p u 模块在内，全部功能模块均按p c i 0 4 标准设计，模板尺寸规定为9 0 2 * 9 5 8 1 ，比一般p c 系列微机主板尺寸要小得 多。 ( 2 ) 自堆总线结构，