軌道電路傳輸電壓測量不確定度評估方法研究

劉玉江 孟景輝 高利民

中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所 100081 北京

*助理工程師 **研實員 ***助理研究員

信號動態檢測系統主要是對信號基礎設備進行檢測，是對軌道電路傳輸電壓動態條件下進行非接觸測量的新技術。鋼軌上的軌道電路信號被車載檢測天線接收形成感應信號，經過硬件處理最終轉換成適合數據處理芯片采集的信號，利用頻域分析技術對主感應信號進行數字處理，計算出信號的載頻、低頻、細化譜、主要成份幅值等信息，將處理結果通過數據交換機提供給檢測系統進行顯示、統計、存儲。

1 信號動態檢測系統檢測原理

信號動態檢測系統對軌道電路傳輸電壓的測量校準采用如下方法進行。模擬軌道電路傳輸電壓輸出，使用標準信號發生器向系統輸入1V的標準信號，系統經過處理后在上位機軟件界面顯示對模擬軌面電壓1V的測量結果，對系統測試結果進行分析，確定影響測量結果的各個分量的不確定度，最終得出合成標準不確定度。測量連接如圖1所示。

2 信號動態檢測系統數學模型

信號檢測系統的軌道電路檢測設備示值誤差E可表示為

圖1 測量連接示意圖

考慮到檢測系統上位機對軌道電路電壓值顯示的有限分辨力，以及由于隨機誤差和系統誤差對測量結果造成的影響，則數學模型為

式中:Vx是由檢測系統上位機界面讀取的電壓值;Vs是標準信號發生器輸出信號標準電壓值，即參考標準;δVx是檢測系統上位機界面有限分辨力讀取的電壓值對測量結果的影響;δVs是由以下3種原因對測量結果造成的影響值，①測量過程中人為原因隨機誤差造成的影響，②環境對測量結果造成的影響，③標準信號發生器由于電壓值的漂移等原因造成的自身影響。

3 不確定度分量

3.1 信號檢測系統對測量的影響

檢測系統上位機界面讀取的電壓值Vx和標準信號發生器輸出的電壓值Vs所引起的誤差，由系統多次測量得出。軌道電路傳輸采用4種不同載頻中心頻率(1700 Hz、 2300 Hz、 2000 Hz、2600 Hz)，每種載頻分別有18種低頻的信號輸出:10.3 Hz、11.4 Hz、12.5 Hz、13.6 Hz、14.7 Hz、15.8 Hz、16.9 Hz、18.0 Hz、19.1 Hz、20.2 Hz、21.3 Hz、22.4 Hz、23.5 Hz、24.6 Hz、25.7 Hz、26.8 Hz、27.9 Hz、29.0 Hz。

在常規測量中，若在重復性或復現性條件下對被測量X作n次獨立測量，并且有m組這樣測量結果，由于各組之間的測量條件可能會稍有不同，因此不能直接用貝賽爾公式對總共n×m次測量計算實驗標準差，必須采用計算其合并樣本標準差SP(XK)。

對于軌道電路傳輸電壓的測量，是按照其特性在模擬信號1V的情況下進行18×4次測量，合并樣本標準差SP(XK)表示為:

式中，xjk是第j組的第k次測量結果，為第 j組的 n個測量結果的平均值。

對1V模擬信號進行測量結果如表1所示。

表1 對1V模擬信號的測試數據

標準信號發生器輸出信號為VPP(峰值)，而系統測量和移頻測試表顯示為電壓有效值，根據

則測量的不確定度:u1=0.0007(V)

3.2 標準信號發生器輸出對測量結果的影響值δVs假定標準信號源的校準證書給出，其1V電壓

值的相對擴展不確定度為

且包含因子k=2，也就是說，對于1V的輸出電壓，其擴展不確定度為:

得出:

3.3 檢測軟件有限分辨力讀取的電壓值對測量結果的影響值δVx

信號檢測系統的軟件有效顯示位數為4位，可顯示最小值為0.001V，即測量顯示的最大誤差為0.001V，假定其在該范圍內滿足矩形分布，所引入的不確定度分量為:

4 合成標準不確定度

5 擴展不確定度

根據不確定度計算可知，共有3個不確定度分量，顯然由信號檢測系統引入的不確定度分量占優勢，根據判斷該分布滿足正態分布，故測量結果應該接近于正態分布。取包含因子k=2，于是擴展不確定度為:

6 結論

通過對信號動態檢測軌道電路傳輸電壓不確定度的研究，明確了影響測量的因素，提出了測量不確定度的評定方法，保證檢測結果的準確、可靠和統一，并且真實反映了設備檢測結果與真值的接近程度，有助于更深刻的理解檢測系統的工作情況。

［1］ 施昌彥，宣安東．實用測量不確定度評定及案例［M］ ．北京:中國計量出版社，2007．7.