CN109870103A - 一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，包括机箱以及设置在机箱内的测量装置，测量装置包括位于机箱下层的电子平尺和对应控制测量电容的DSP处理器，电子平尺包括若干个平行等距设置的极板电容，每个极板电容之间通过SPI总线连接，每个极板电容上均设有电容测量点以及电容计算电路，机箱的上层设有控制处理器以及连接在控制处理器上的电源和信号传递装置，DSP处理器的一端与电子平尺通过硬线相连，另一端与控制处理器相连。本发明相比于传统的钢轨平整度的检测装置，通过极板电容组成的电子直尺测量精度高，可以测量钢轨上各个点的平整情况，并且通过曲线可以很直观地发现钢轨上不平整的位置，整个过程自动完成，操作简单。

Description

一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺

技术领域

本发明属于钢轨检修设备领域，具体涉及一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺。

背景技术

随着我国高铁技术的迅猛发展，无缝钢轨越来越多。所有钢轨都是由短钢轨焊接而成， 钢轨运行时间长了，钢轨接头处就容易出现焊接质量问题。为了保证高速列车的安全运行， 就必须对钢轨接头处进行检验，验收钢轨接头处是否平直。如果钢轨接头处有问题了就要 维修，维修后是否满足高速列车的安全运行需要，也必须进行平直度的验收。

现有技术检验钢轨接头平直度的技术方案使用的是钢直尺，通过观察直尺中间的水气 泡是否在观察窗口的玻璃管的中心来确定是否水平，现有测量技术能测量整体的平直度， 但不能把焊接处近1米内的各个点的平直度精确地测量出来，测量精度低。

其他目前测量钢轨平直度的技术方法还有：导磁性测量法、电阻性测量法、光谱分析法 等，但是精度都不高，实现起来非常复杂。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述提出的现有不能把钢轨接头焊接处近1米内各个点的平 直度精确地测量出来，测量精度低的问题，本发明提供一种用于铁路钢轨接头维修检验的 电子直尺。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，包括机箱以及设置在机箱内的测量装置， 所述测量装置包括位于机箱下层的电子平尺和对应控制测量电容的DSP处理器，电子平尺 包括若干个平行等距设置的极板电容，每个极板电容之间通过SPI总线连接，每个极板电 容上均设有电容测量点以及电容计算电路，机箱的上层设有控制处理器以及连接在控制处 理器上的电源和信号传递装置，DSP处理器的一端与电子平尺通过硬线相连，另一端与控 制处理器相连。

本电子直尺的工作原理为：

把若干个极板电容整合做成为一块板子，极板电容通过电容测量点和电容计算电路具 有测量本极板电容功能，且极板电容之间通SPI总线相连接，然后连接到电子平尺的上层 控制处理器。

上层控制处理器通过DSP处理器向下层极板电容发送计算电容程序，启动电容量计 算，然后通过DSP处理器读回各极板电容与钢轨间的电容值。控制处理器对读回的电容值 进行线性处理，校准参数处理。电子直尺测量精度高，测量一次耗时小于1秒，6节5号 干电池可以进行1000次以上的测量，这样可以节约现场测量时间。

其中，上述极板电容实质为电容式传感器，电容式传感器是把被测量的变化转换成电 容量变化的一种传感器。电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量 的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。 电容式传感器的主要特点为：

(1)小功率、高阻抗；

(2)小的静电引力和良好的动态特性；

(3)和电阻式传感器相比电容式传感器本身发热影响小；

(4)可进行非接触测量；

(5)结构简单，适应性强，可以在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣环境中工作。

电容式传感器的主要缺点：

(1)输出具有非线性；

(2)寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度。

电容式传感器的基本工作原理可以用平板电容器来说明。由绝缘介质分开的两个平行 金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为:

式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε＝ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介 质相对介电常数；A——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。

当被测参数变化使得式中的A,d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中 两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测 量电路就可转换为电量输出。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三 种类型。我们的电子直尺采用极板电容恒定，介质为空气，所以A,ε不变化，只有随着d变 化，电容才变化。这就是电子直尺的应用的核心理论基础。

当电子直尺中心对准下面的钢轨焊接处，焊接处附近、左右一定距离内的钢轨不平整， 就会减少电子直尺内极板电容与钢轨间的距离。距离的变化就会影响到对应测量点的电容 的变化。根据电子直尺极板电容与钢轨间形成的电容值，从而计算出电子直尺与钢轨之间 的距离d。

若极板电容间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有

由上式可知,电容传感器的输出特性C＝f(d)不是线性关系,而是双曲线关系。

只有在Δd/d0很小时,约为1，则

变极距型电容式传感器才有近似的线性输出，但输出量程很小。

本发明需要解决的第一个问题：

直尺极板电容与钢轨间距离与所形成电容大小非线问题。

解决办法就是通过制作许多标准直尺，标准直尺按高度不同做许多阶梯。用这样的标 准直尺来校验测量的非线性和校准。

本发明需要解决的第2个问题：

由于测量电子平尺极板与钢轨之间的电容的电路本身要引入分布电容，这是需要排除 的，否则测量精度要大打折扣。

解决办法就是通过模拟标准平尺来校验，通过对N个测量电容的电路进行校验后建立 并修正数字模型，然后研制开发出专用的算法软件通过一定的校验公式对测量结果进行处 理，最后使电子平尺达到设计要求的精度。

进一步的，所述电子平尺上极板电容的个数为100个。

进一步的，所述信号传递装置包括蓝牙天线、WIFI天线。通过蓝牙或WIFI天线与具有测量APP手机通讯，把测量结果传输给手机显示测量曲线以及测量具体误差标示。

进一步的，所述机箱上层还设有GPS天线、控制测量开关和运行指示灯。

进一步的，所述电子平尺的两端设有高度相同的高度固定脚，高度固定脚的底面位于 电子平尺底面的下方。为了保证测量的电子直尺上的极板电容与钢轨距离的一致性，在电 子直尺两端安装了相同高度的固定脚。

进一步的，所述电子平尺的两端设有磁铁，磁铁的底面与高度固定脚的底面位于同一 水平面上。磁铁可以把电子直尺稳稳地吸在钢轨上。这样就保证电子直尺上的100个大小 相同的测量极板电容与钢轨保持相同的高度。

进一步的，所述机箱的顶部设有提手。

进一步地，所述机箱的材质为航空铝。为了保证电子直尺本身的平直度和硬度，以及 仪器的轻便型、可靠性、使用方便性。机箱结构采用整体航空铝车铣而成。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明相比于传统的钢轨平整度的检测装置，通过极板电容组成的电子直尺测量精度 高，可以测量钢轨上各个点的平整情况，并且通过曲线可以很直观地发现钢轨上不平整的 位置，整个过程自动完成，操作简单，可以通过WIFI或蓝牙传输测量结果；

2.本发明通过GPS定位参数，可以把测量的钢轨位置通过控制处理器自动地标注在测 量结果曲线上；

3.本发明本电子平尺重量轻，工作人员现场携带方便；

4.本发明测量一次耗时小于1秒，6节5号干电池可以进行1000次以上的测量，这样可以节约现场测量时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明极板电容的原理示意图；

图3是本发明极板电容C＝f(d)的输出特性曲线；

图4是本发明电子直尺的原理框图；

图5是本发明说明书中一个标准直尺的示例图。

其中，其中：1—机箱，2—DSP处理器，3—极板电容，4—控制处理器，5—高度固 定脚，6—磁铁，7—提手，8—钢轨。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征 和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1-5对本发明作详细说明。

实施例1：

如图1-5所示，一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，包括机箱1以及设置在 机箱1内的测量装置，所述测量装置包括位于机箱1下层的电子平尺和对应控制测量电容 的DSP处理器2，电子平尺包括若干个平行等距设置的极板电容3，每个极板电容3之间通过SPI总线连接，每个极板电容3上均设有电容测量点以及电容计算电路，机箱1的上 层设有控制处理器4以及连接在控制处理器4上的电源和信号传递装置，DSP处理器2的 一端与电子平尺通过硬线相连，另一端与控制处理器4相连。

电子平尺上极板电容3的个数为100个。此处的极板电容3的个数并不限于100个，可以根据实际情况更改极板电容3的个数。信号传递装置包括蓝牙天线、WIFI天线。通过 蓝牙或WIFI天线与具有测量APP手机通讯，把测量结果传输给手机显示测量曲线以及测 量具体误差标示。机箱1上层还设有GPS天线、控制测量开关和运行指示灯。电子平尺的 两端设有高度相同的高度固定脚5，高度固定脚5的底面位于电子平尺底面的下方。为了保 证测量的电子直尺上的极板电容3与钢轨8距离的一致性，在电子直尺两端安装了相同高 度的高度固定脚5。电子平尺的两端设有磁铁6，磁铁6的底面与高度固定脚5的底面位于 同一水平面上。磁铁6可以把电子直尺稳稳地吸在钢轨8上。这样就保证电子直尺上的100 个大小相同的测量极板电容3与钢轨8保持相同的高度。机箱1的顶部设有提手7。机箱1 的材质为航空铝。为了保证电子直尺本身的平直度和硬度，以及仪器的轻便型、可靠性、 使用方便性。机箱1结构采用整体航空铝车铣而成。

把若干个极板电容3整合做成为一块板子，极板电容3通过电容测量点和电容计算电 路具有测量本极板电容功能，且极板电容3之间通SPI总线相连接，然后连接到电子平尺的上层控制处理器4。

上层控制处理器4通过DSP处理器2向下层极板电容3发送计算电容程序，启动电容量计算，然后通过DSP处理器2读回各极板电容3与钢轨8间的电容值。控制处理器4对 读回的电容值进行线性处理，校准参数处理。电子直尺测量精度高，测量一次耗时小于1 秒，电容传感器的耗电量小，6节5号干电池可以进行1000次以上的测量，这样可以节约 现场测量时间，并且续航时间长。

在使用时，只需将电子直尺的机箱1放置到钢轨8上，通过高度固定脚5使得钢轨8与电子直尺之间存在距离，并且通过磁铁6和钢轨8之间的吸引力保证测量过程中电子直尺能够稳定地置于钢轨8之上，然后开启控制测量开关，开启测量，控制处理器4将测量 结果进行线性处理，得到测量结果曲线。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本 发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围 之内。

Claims (8)

1.一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，包括机箱(1)以及设置在机箱(1)内的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括位于机箱(1)下层的电子平尺和对应控制测量电容的DSP处理器(2)，电子平尺包括若干个平行等距设置的极板电容(3)，每个极板电容(3)之间通过SPI总线连接，每个极板电容(3)上均设有电容测量点以及电容计算电路，机箱(1)的上层设有控制处理器(4)以及连接在控制处理器(4)上的电源和信号传递装置，DSP处理器(2)的一端与电子平尺通过硬线相连，另一端与控制处理器(4)相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，其特征在于，所述电子平尺上极板电容(3)的个数为100个。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，其特征在于，所述信号传递装置包括蓝牙天线、WIFI天线。

4.根据权利要求3所述的一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，其特征在于，所述机箱(1)上层还设有GPS天线、控制测量开关和运行指示灯。

5.根据权利要求1所述的一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，其特征在于，所述电子平尺的两端设有高度相同的高度固定脚(5)，高度固定脚(5)的底面位于电子平尺底面的下方。

6.根据权利要求5所述的一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，其特征在于，所述电子平尺的两端设有磁铁(6)，磁铁(6)的底面与高度固定脚(5)的底面位于同一水平面上。

7.根据权利要求1所述的一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，其特征在于，所述机箱(1)的顶部设有提手(7)。

8.根据权利要求1所述的一种用于铁路钢轨接头维修检验的电子直尺，其特征在于，所述机箱(1)的材质为航空铝。