基于PDA的鋼軌平直度檢測儀的設計與實現

張麗波，李 乾，傅勤毅

（中南大學，交通運輸工程學院，長沙，410075）

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

目前國內工務段使用的鋼軌平直度檢測手段是使用1 m的鋼尺緊貼鋼軌的軌面和側面，再使用塞尺進行量取，經驗豐富的工人甚至直接用肉眼去目測，這種檢測方法存在測量點數少、測量精度低、測量結果受工人情緒影響、測量數據只能用手工在紙上保存的缺點[2]。隨著我國鐵路的大面積提速，以及高速鐵路、客運專線的發展，鋼軌平直度測量的精度控制和整條線路不平順數據的綜合分析越來越重要，依靠現有的人工檢測辦法顯然已經不能滿足對鋼軌平直度檢測精度和檢測效率的需求。因此，開發便攜式的、高精度的鋼軌平直度檢測儀器就勢在必行。

1 鋼軌平直度檢測儀工作原理

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

根據激光傳感器的運動，掃描出鋼軌表面的平直度輪廓，并把電信號轉化成數字信號傳送給上位機（PDA），PDA對收到的數據進行處理，并把鋼軌的平直度以圖形的形式顯示在PDA屏幕上。PDA對下位機傳送的數據以一定格式的名字保存在PDA自帶的數據庫中，可以通過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軟件還提供儀器標定、管理公務信息、管理線路信息以及提供超限報表的功能。

2 鋼軌平直度檢測儀設計

2.1 設計目標

（1）適用于現場作業方式和作業環境，可以測量不同型號鋼軌以及不同線型（直線、曲線和緩和曲線）的鋼軌行車面和導向面平直度，并達到現場檢測精度和測量范圍要求。（2）能現場實時分析并顯示數據，直接用于指導現場作業。（3）可根據需要提取和查看已檢測數據，并建立相應的數據庫。（4）儀器具有較高的智能化水平，人機友好界面，操作簡單，方便攜帶，一名操作人員即可輕松完成測量。

2.2 總體設計

總體設計著重考慮研制便攜緊湊的機械主體結構，設計高精度、自動化的快速數據采集系統，開發智能友好的操控界面及高效的PDA軟件。

在檢測方案上由于接觸式測量的檢測精度受鋼軌表面質量的影響較大，所以優先采用非接觸測量方式。

在數據采集系統方案上，采用32 bitARM微控制器為核心的嵌入式數據采集系統，與傳統8 bit單片機相比，具有運算速度快，外圍設備模塊豐富，易于進行系統擴展，控制驅動能力強，系統可靠性高，能滿足高精度、自動化、快速并且可靠的數據采集要求。

PDA一般采用較高主頻的CPU，數據處理能力強，而且基于嵌入式操作系統，PDA擁有較好的人機界面，方便用戶使用，也為程序的開發帶來很大的方便，因此使用PDA作為檢測系統的數據處理系統。

3 功能實現

3.1 機械主體

機械主體包括測量梁、定位裝置、驅動裝置和微型直線導軌及滑塊；驅動裝置由步進電機、驅動輪、動滑輪組、定滑輪組、鋼絲及傳感器的引出排線組成。

定位裝置安裝于測量梁的兩端，微型直線導軌安裝于測量梁內，激光傳感器安裝在微型直線導軌的滑塊上；驅動裝置的電機和驅動輪安裝在測量梁的一端并相聯，定滑輪組、電源及數據采集、處理系統安裝在測量梁的另一端。

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3.2 數據采集系統

數據采集系統是以ARM微處理器為核心的嵌入式數據采集系統，激光傳感器經過信號調理電路和微處理器相連接。傳感器的信號經過數據采集系統采集后通過藍牙無線通信將數據傳送至PDA，由PDA進行數據處理。系統結構如圖1。

圖1 數據采集系統結構圖

（1）接口電路：將激光傳感器的信號傳送給CPU，建立傳感器與CPU之間的數據通訊。

（2）輸出驅動電路：控制驅動步進電機的正反轉，實現傳感器的自動往返測量。

（3）藍牙模塊：將UART轉換成藍牙，實現與PDA的數據無線通信。

（4）輔助電路：包括系統的復位電路、時鐘晶振電路以及調試電路等。

（5）電源電路：為CPU及其外圍模塊提供工作電源。

3.3 PDA軟件的實現

通過對PDA上檢測軟件的操作控制系統進行測量、標定等工作，并對收到的傳感器數據進行處理，實時顯示測量結果以及檢測面的不平順波形，判斷是否超限，指導現場的維修工作。

3.3.1 通信模塊

采用32 bitARM微處理器作為單片機數據采集系統的主控制器，該處理器自帶UART串口通信模塊；采用iPAQhx2400系列PDA，該PDA內部集成RS232、藍牙和WIFI等接口。

RS232是通用的串行通信方式，無論是從電路的設計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，通信設備之間必須通過電纜連接，這對移動設備的操作會造成很大的不便。

藍牙不受紅外通信的點對點以及中間不能被其它物體阻隔等限制，能夠很好的解決RS232和紅外通信的問題。因此，鋼軌平直度檢測系統使用藍牙作為數據采集系統和PDA的通信方式。

藍牙的傳輸協議RFCOMM中支持虛擬串口協議，在PDA上生成了一個虛擬串口，所以對藍牙的操作完全跟串口的操作一樣。只要正確設置串口的端口號即可。

3.3.2 數據庫操作模塊

Windows Mobile下常用的數據庫SQLite簡單易用，訪問速度快，同時提供了豐富的數據庫接口以及完善的功能，小型、快速和最小化管理的設計思想使得SQLite的使用和管理十分的方便。SQLite的代碼完全開放，且無任何的版權的限制。所以，在鋼軌平直度檢測系統中使用SQLite來實現數據的操作和管理。

SQLite提供了將近80個API函數供開發人員調用，但是僅僅通過使用少數的幾個函數就可以完成對數據庫的連接、查詢和插入等操作。

4 測試與實驗

在實驗室條件下測試了數據的正確性和重復性，實驗方法為在0級平尺上放置10塊不等厚度的量塊，然后用鋼軌平直度檢測儀進行1 m基長的檢測，經過3次實驗，表明鋼軌平直度檢查儀的測量誤差在0.05 mm以內，重復性在0.01 mm以內，達到了設計要求。其實驗結構如表1。

實驗結果表明，本文設計的鋼軌平直度檢測儀檢測結果與手工測量值基本符合，與同類廠家的檢測結果相比，測量數據基本相同，多次測量重復性好，其檢測結果的準確性和重復性獲得了工務段現場工人的認可。

在操作性上，PDA操作界面簡單，使用方便，能夠實時顯示數據的波形、最大最小值及其位置，指導現場維修，便于現場人員操作使用。

表1 重復性實驗數據

5 結束語

本文設計的基于Windows Mobile的PDA鋼軌平直度檢測儀采用PDA作為鋼軌平直度檢測的數據處理系統，增強了檢測系統的數據處理能力。高精度的激光傳感器作為檢測元件，提高了鋼軌平直度檢測數據的精度和可靠性。檢測系統經過測試分析，其重復性精度在0.01 mm以內，系統采樣間距為0.32 mm，檢測數據可真實反映鋼軌表面波形。目前，該平直度檢測儀已經產品化，并在國內寫某些鐵路部門投入使用，現場測量數據可靠，使用方便，得到了用戶的好評。

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

[2] 韓世卓. 鐵路無縫鋼軌直線度測量裝置[J] . 儀器儀表學報，2004，25（4）：190-191.

[3] 周小東. 基于Windows Mobile的鋼軌平直度檢測關鍵技術的研究 [D] . 長沙：中南大學，2006.