角度補(bǔ)償軌距尺的研究與開發(fā)

謝嘉誠 余朝剛 劉以聲 徐佳麗 方 正 葉子紅

（上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 松江 201620）

0 引言

本項目基于藍(lán)牙技術(shù)的實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)的軌距尺[1]，為解決人工測量時軌距尺與鋼軌垂直關(guān)系的誤差進(jìn)行設(shè)計。 擬設(shè)計一款角度補(bǔ)償軌距尺，使用平行的兩個傳感器同時測量，通過算法修正誤差，可以有效提高測量精度并大幅減少人為誤差造成的影響，即不需要重復(fù)測量取準(zhǔn)確值，從而減少人工成本，提高測量精度，完成測量方式的改造。

1 角度補(bǔ)償軌距尺設(shè)計

1.1 角度補(bǔ)償原理

圖1 軌距測量示意圖

限于人工測量無法保證軌距尺與鋼軌完全垂直，通常通過多次測量找到最小值作為測量結(jié)果。 該角度補(bǔ)償軌距尺采用兩個位移傳感器測量， 即使在尺身斜放的情況下， 通過幾何計算即可求得軌距。 因此減少了人工測量產(chǎn)生誤差的可能性并簡化了操作。

軌距為兩鋼軌軌頂下16mm 處內(nèi)側(cè)垂直平面間的最小距離，

根據(jù)梯形中位線性質(zhì)， 得兩位移傳感器壓縮后長度可視為直角梯形的上下底邊， 可知兩位移傳感器中線長度，

經(jīng)由三角函數(shù)知，

使用b,l1,l2,e,r 表達(dá)軌距L，即為

式（1）～（5）中，為軌距；為測量端軌距；為固定端圓半徑； 為測量端基本長度； 為兩位移傳感器距離之半； 分別為兩位移傳感器壓縮后的長度及其中位線長； 為位移傳感器原長； 為軌距尺斜放時與鋼軌的夾角。

1.2 尺身設(shè)計

軌距尺整體由管夾及管材構(gòu)成。 管夾采用sla 3D打印技術(shù)制作，材料為高韌性樹脂，基于基本管夾（如圖3）衍生出多種管夾設(shè)計，分別將夾緊管材與定位、握把固定、 電子元件固定、 尺軌接觸等功能融合在一起， 減少了緊固螺絲的數(shù)量以及軌距尺的重量， 同時又保證了強(qiáng)度及可靠性。 管材使用碳纖維管材， 相較于傳統(tǒng)軌距尺尺身所采用的鋁材質(zhì)[2]，強(qiáng)度更高的同時降低了質(zhì)量。 雙管與管夾的設(shè)計使軌距尺的功能調(diào)整更靈活，以應(yīng)對不同需求進(jìn)行擴(kuò)展及零位標(biāo)定[3]。 下圖為軌距尺基本結(jié)構(gòu)，包括測量端管夾、握把管夾、傳感器支架管夾、 固定端管夾以及三根碳纖維管， 使用螺栓緊固，碳纖維管兩端使用塑料管塞。

圖2 角度補(bǔ)償軌距尺基本結(jié)構(gòu)

圖3 基本管夾

1.3 電子系統(tǒng)設(shè)計

本課題使用auduino micro 單片機(jī)為核心， 屬于Arduino leonardo 系列，晶振頻率16MHz，輸入電壓范圍6-12V，工作電壓5V。 使用兩支KTR 自恢復(fù)型位移傳感器進(jìn)行測量， 相對線性度±0.03% ， 重復(fù)性精度0.01mm，能夠滿足軌距測量要求。 測量結(jié)果通過1602顯示屏顯示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次研制的軌距尺主要目的為驗(yàn)證該種測量方法的可行性， 因此軌距尺總長短于標(biāo)準(zhǔn)軌距。 實(shí)驗(yàn)通過在不同角度下測量兩平行平面間的距離模擬軌距測量，驗(yàn)證其測量效果。

使用千分尺精確設(shè)置距離：40.00mm

角度一：39.91mm

角度二：40.10mm

角度三：40.06mm

其中測量偏角逐漸增大，測量結(jié)果仍然穩(wěn)定，與設(shè)置距離一致，因此認(rèn)為該種測量方法可行。

使用普通軌距尺測量軌距偏角造成誤差分析如下圖所示，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對0 級軌距尺提出的示值最大允許誤差為±0.25mm。 當(dāng)偏角大于2.14°時，誤差已超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 角度補(bǔ)償軌距尺的測量方式能夠避免該誤差的產(chǎn)生， 具有實(shí)際運(yùn)用價值。

圖4 尺身偏角誤差分析

3 總結(jié)與展望

本設(shè)計提出的測量方法， 可有效減少人工操作產(chǎn)生的誤差以提高測量效率， 此外使用其他類型傳感器也可達(dá)到同樣效果， 如激光測距傳感器等。 同時該軌距尺可與其他軌距檢測設(shè)備，如視覺軌距檢測車[4]配合使用。

本次研制的角度補(bǔ)償軌距尺仍存在一些不足，例如未設(shè)置傾角傳感器[5]，該軌距尺無法測量曲線段超高、電路穩(wěn)定性有待提高、溫度補(bǔ)償[6]功能有待拓展等。 在未來，角度補(bǔ)償軌距尺將會得到進(jìn)一步優(yōu)化，完善功能， 不斷加入更新的技術(shù)以滿足高速鐵路軌道線路的檢測需要。