桥梁振幅检测仪校正台研发设计

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摘要：桥梁振幅检测仪校正台是某公司自行开发研制的对桥梁振幅检测仪幅值和频率校正的仪器。采用合理的机械结构和先进的加工工艺，保证了校正系统具有较高的运转精度，校正台控制部分采用PWM脉宽调制技术，实现了对直流电机的无级平滑调速，提高了对桥梁振幅检测仪的校正效率，结合实际情况，思路新颖，对桥梁振幅检测仪应及时校正的需求开展了研究。

关键词：桥梁振幅检测仪；校正台；检测仪幅值；频率校正

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）10-0024-03

1 概述

铁路桥梁振幅检测是桥梁专项检查工作。随着铁路运量、列车速度的快速增长及重载列车的大量开行等因素，桥梁振动的幅度和频率不断加剧，桥梁振幅的检测更迫切需要，桥梁振幅检测仪的使用频率更高，这就要求桥梁振幅仪具有较高的准确度和精度，但是，由于使用过程中，经常对其进行搬运以及受周围环境温度、湿度等因素的影响，会使桥梁振幅检测仪测量结果偏离真实值，造成测量误差增大。因此，需要经常对该仪器进行标定，确保仪器的测量精度。

目前，桥梁振幅检测仪标定主要有两个途径：一是仪器返回厂家，由厂家进行标定；二是将仪器送到铁路局桥检队进行标定。无论是仪器返回厂家还是送铁路局桥检队进行标定，都需要花费较长时间，不方便。况且有些路局桥检队未配标定台或因其他原因标定台无法使用，只能将仪器返回厂家标定。因此，研发一种操作简洁、标定快速、精度高、运输方便、价位低廉的桥梁振幅检测仪标定台很有必要。

2 技术方案

2010年初，确定了“桥梁振幅检测仪校正台”项目科研成果研究小组，并得到上级专业技术部门和有关厂家的支持。经多方查寻资料和设计方案，确定了技术方案。

2.1 设计要求

根据桥梁检测要求，该标定台具备以下功能特点：

2.1.1 标定台系统采用合理的机械结构和先进的加工工艺，保证标定系统具有较高的运转精度。

2.1.2 标定台控制部分采用PWM脉宽调制技术，实现对直流电机的无级平滑调速。

2.1.3 采用先进的计算机测控技术，开发友好的人机交互平台，使标定台不仅具有较高的精度，而且具有良好的可操作性。

2.2 基本原理

2.2.1 系统组成。系统主要由振动台本体、直流调速电机、直流电机调速控制器、数显式百分表以及百分表磁性支座五部分组成。

2.2.2 振动台工作原理。

（1）工作状态。工作时，通过调节电动机调速器的旋钮按钮设定直流电机的转速。直流电动机通过皮带，带动固定在支架上的主轴进行转动。主轴的两端各安装了偏心轮机构，偏心轮机构与滑块机构相连。主轴的转动将带动偏心轮机构进行转动，同时偏心轮的转动将带动滑块在滑槽内作往复运动。当滑槽进行纵向安装时，振动台将横向进行振动，形成横向振动标定台；反之，当滑槽横向安装时，振动台将竖向进行振动，形成竖向振动标定台，如图1所示。

（2）标定状态。标定时，可根据实际需要，通过调节偏心轮上的固定螺丝在偏心轮上的位置来调节振幅的大小。振幅调整好后，将数显式百分表的顶针以适宜的力量顶在振动台的振动台面上，将百分表指针调整在零点。然后，手动转动标定台的主轴，振动体往复振动过程中，记下百分表上正向位移和负向位移之最大值并取其平均值的一半，该值便为振动台振幅的最大值。接着，将需标定的测振仪器的拾振器固定于振动体上。连接正确后，启动测振仪并使其处于工作状态，观察振动检测仪上的实测数据。将实测数据与振动台标准值进行比较，便获得振动检测仪的修正系数。将该修正系数输入振动测试仪，便完成了振动检测仪的标定工作。

2.2.3 电动机调速器工作原理。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统，即PWM调速系统，如图2所示：

工作时，单片机对通过转速调节电位器设定的转速值进行模数转换，并读取转换后的数值，由单片机形成驱动电动机转动的相应的PWM信号，同时显示电机的转速和电动机的控制电压。直流电动机驱动器，将以一定的占空比控制直流电动机在一定的转速下运转，这样就达到了PWM技术对直流电动机无级调速的目的。

2.2.4 主要技术参数：

（1）振动台标定范围：0.5～15mm。

（2）分辨率：0.01mm。

（3）振动频率：0.5～30Hz。

（4）输出电压：0～24V可调。

（5）振动方向：横向、竖向。

（6）电源：交流220V/50Hz。

（7）使用条件：温度范围：-10°C，相对湿度≤85%。

3 研制和试验

3.1 研制过程

按照预定的实施计划，科研小组于2010年5月开始调研，首先对全路工务段和桥检队桥梁振幅检测仪的使用情况及存在的问题进行了详细的调查，经过论证和深入分析，确定了“桥梁振幅检测仪标定台”的设计方案及要实现的功能：

3.1.1 桥梁振幅检测仪标定台由一套振动台本体、一台直流电机、一台直流电机调速控制器、一个数显式百分表和一个磁性支座组成。振动台本体起支撑作用并实现最大振幅可调节；直流电动机带动偏心轮机构做圆周运动，然后由偏心轮机构带动滑块机构做往复直线运动从而实现横向或竖向运动；电机调速器对振动台的振动频率进行调节；数显式百分表对振动台的最大振幅进行测量，并利用该测量值对振动测试仪所测得的数据进行标定、校核。

3.1.2 调速控制器利用PWM调速方式能够实现振动台在0.5～30Hz频率范围内平滑无级可调。控制器操作界面友好，能够实现电动机转速及电压的数字显示，调速操作方便。

3.1.3 振动台标定范围：0.5～15mm。

3.1.4 振动台分辨率：0.01mm。

3.1.5 振动台调速控制器采用交流220V/50Hz进行供电。

3.1.6 振动标定台系统工作稳定性好，可靠性高，可重复性好。

3.1.7 振动标定台操作简单，安装方便、快捷。

3.1.8 振动台通过拆装可实现竖向振幅的标定。

3.2 制造阶段

根据设计方案及要实现的功能，我们结合市场调研情况，汲取了目前先进的机械和电子技术，首先完成了机械结构设计、调速控制器电路原理图设计和PCB板设计以及直流电机的选型，而后进入北京、西安等地采购了适用的机械、电子元件，通过多次性能试验，确定了最终所需的机械、电子元件，制作桥梁振幅检测仪标定台样机一台并进行了试验。

3.2.1 试验方法。

首先，试验条件：

（1）环境温度：20±5°C。

（2）电源电压：220VAC±10%。

其次，试验设备：

（1）振动测试标定台一套。

（2）调速控制器一台。

（3）百分表一只，最小刻度0.01mm。

（4）磁性表座一只。

再次，试验线路连接，如图3所示：

3.2.2 功能测试。

（1）幅值确认。将数字百分表的触头与振动台台面的侧面接触，手动转动主轴上的飞轮，读取百分表正向幅值与负向幅值的绝对值之和即是全振幅，全振幅的1/2为单振幅，该振动台的振幅值已整定为3.88mm（单振幅正向或负向幅值）。

（2）振动频率调整。调整驱动电机的转速来调整振动频率，通过调整振动台控制器上的频率调节旋钮来实现，频率值由分析软件确定。

3.2.3 检测规则。

（1）外观检查：对标定台样机外观进行检验，应符合有关技术要求。

（2）性能试验。

功能试验：打开被试验样机电源开关，用目测的方法观察调速器显示是否正常，手动旋转振动检测标定台系统的主轴，检验机械部分运转是否正常。

功能测试：按照上面所述的方法进行测试。

多次重复以上试验，并记录实验数据。

通过试验及在本段对桥梁振幅检测仪标定的试用，我们发现标定台存在两个问题：第一，系统工作不稳定，即开始运转时，运行比较平稳，但连续运行一段时间后比如一个小时以后，运行就出现不平稳现象。表现在波形上就是正旋波最大值在变化，这意味着标定台的幅值在变化，这是绝对不允许的；第二，标定台精度达不到设计要求。

针对这两个问题，课题组多次召开专题会议进行分析研究并反复试验，最终一致认为：运行不稳定是控制线路的问题，精度不够是加工精度不够及装配精度不够造成的。为此对线路控制方案进行改进，重新制作控制板；对关键运行部件重新加工并严格装配工艺，又制作了一台样机，如图4所示：

2010年9月，我们再次用标定台样机对桥梁振幅检测仪进行标定试用，达到了设计要求，满足了桥梁振幅检测仪现场标定的需求。至此，研制过程结束。

4 应用

桥梁振幅检测仪标定台样机于2010年9月至今在侯马北工务段翼东桥隧车间进行了试用，认为：

（1）该标定台是针对铁路桥梁振动检测频率的具体特点和要求，采用先进的机械结构设计和加工工艺，运用先进的计算机测控技术，使本系统达到了路内先进水平，具有极高的推广价值和良好的市场前景。

（2）该标定台在我段经过半年的振幅检测仪标定证明，性能稳定、操作简洁、标定快速、精度高，能够满足工务段桥梁振幅检测仪标定工作的实际需要。归纳起来，有如下两个特点：

第一，该标定台采用了PWM脉宽调制技术，实现了对标定台的无级平滑调速，操作简单，使用方便，调高了标定的效率和准确度。

第二，该标定台机械结构设计合理，体积小，便于运输，维护简单，适合各工务段及桥梁检测车间使用。

5 效果

桥梁振幅检测仪标定台样机于2010年9月至今在侯马北工务段翼东桥隧车间进行了试用，取得了明显良好的安全效果，表现为：

（1）该标定台系统采用合理的机械结构和先进的加工工艺，保证了标定系统具有较高的运转精度。

（2）标定台控制部分采用PWM脉宽调制技术，实现了对直流电机的无级平滑调速。

（3）采用先进的计算机测控技术，开发了友好的人机交互平台，使标定台不仅具有较高的精度，而且具有良好的可操作性。

（4）该标定台的研制最大的技术难题是研制完成后的仪器设备能对振幅检测的准确度的检测和校正得到保证。

（5）最主要的技术难点是能将振幅检测的准确度，通过检测和校正问题得到控制，做到功能齐全。

6 不足

建议加强现场操作使用，进一步提高校正的精度，优化外观设计。

参考文献

[1] 王海新.智能型无线数传桥梁振动检测分析系统研究与应用[J].上海铁道科技，2007，（1）.

[2] 蒋关鲁，刘先峰，等.高速铁路液化土地基加固的振动台试验的研究[J].西南交通大学学报，2006，41（2）.

[3] 张立勋，沈锦华，等.AVR单片机实现的直流电机PWM调速控制器[J].机械电子，2004，（4）.

[4] 蔡金萍.基于PWM的直流调速控制器的研究[D].武汉理工大学，2008.

作者简介：杨金锋（1971-），女，山西运城人，大秦铁路股份有限公司侯马北工务段桥梁科工程师，研究方向：土木工程；冯汉卿（1970-），男，山西运城人，大秦铁路股份有限公司侯马北工务段线路科工程师，研究方向：土木工程。