0 引言
作为高速载客工具，高速列车或磁悬浮列车对安全性的要求非常高，同时也对实际工程施工带来了很高的精度要求。假若作为列车导向的轨道梁安装不能完全达到系统的技术条件（公差）要求，势必会使列车处于一种动态振动或动作的状态而影响到乘坐舒适度，甚至会影响到列车的正常运行。
这样，在轨道梁安装完成以后，对其进行检测，以确保其安装位置达到设计要求，对系统的安全运行将起着至关重要的作用。由于线路很长，为确保安全，测量的密度又要求很高，整个工期又非常紧张，人工测量的效率显然无法满足工程的需要。为此目的，本文根据高速列车轨道梁工程的具体要求，在现有产品的条件下，本着经济、适用的原则设计了一套数据采集系统，自动采集轨道梁位置数据，分析其安装误差，供检测人员使用。
1 高速轨道梁检测系统简介
1.1 轨道梁数据采集系统的构成
本系统是在一辆特制的检测车中运行的，所有的传感器、采集卡、下位机、上位机均安装在检测车中。使用时，开动检测车在轨道梁上行驶，同时开启数据采集系统，下位机负责采集数据并备份到上位机中，上位机实时显示经处理后的各种数据图形和表格，供工程人员监控系统运行状态。
传感器固定在检测车的测量架上，主要包括位移传感器和里程计数器，位移传感器探头放置在与测量面大约 7mm的地方，用来测量轨道梁的各部位与传感器之间的距离；里程计数器用来记录检测车走过的距离，用于测量数据的定位和控制列车行走速度。
位移传感器共计 26个，左右两侧轨道梁各 13个，其中上面和下面分别有 4个，侧面 5个，多出的一个用于分析侧向扭转的大小。
1.2 高速列车系统对轨道梁检测的特殊要求
本系统与一般数据采集系统的不同之处在于以下两个方面：
同步要求高：27个传感器的数据在采集完成后需要经过运算，才能得到所需要的轨道梁倾斜、扭转等数据，这就要求这些数据是在同一位置采集完成的，而数据采集过程是在检测车行进过程中完成的，检测车的运动使得同步的要求很难完全满足。
采集密度高：由于工程的重要性和出现事故的危险性，数据采集点的间距要求控制在
1.4mm左右，既当行车速度控制在每小时 1公里时，要求以 200Hz的频率采集数据。为提高工作效率，希望能够尝试以更高的采集频率，比如 1000Hz的频率来采集数据，从而在不改变数据采集点的间距的前提下，提高行车速度，提高工作效率。
根据工程的要求，未来的硬件系统中需要同时满足以下要求：
?同步采集，要求 26个位移传感器以及旋转计数器之间完全同步；
?采集频率应满足 200HZ~1000HZ/ch的采集密度要求； ??A/D转换精度为 16bit。
2 数据采集一般做法的可行性分析
对于多通道同步数据采集，目前一般的做法有以下几种：
1 ）采用相同通道数的同步数据采集卡 ，在本项目中应采用 32通道同步数据采集卡即该卡应该具有 32个 A/D转换器，同时每通道要达到 200HZ以上才能满足要求，但市场中高端数据采集卡也仅有 2~4个 A/D转换器，此方案无法实现；
2 ）使用多张同步采集卡来满足多通道的要求 ，卡与卡之间的同步通过背板同步来实现，现有设备只有国外产品。由于背板同步不但需要购买采集卡，更需要购买与之配套的控制器，以及相应的软件开发平台，价格昂贵，整套设备总价格在 3~4万美元，另外，这套设备一般用于采集高频振动信号，对于本项目这种测量值变化不大的情况，有些大材小用；
3 ）使用一张非同步的 32通道数据采集卡，这种卡只有一个 A/D转换器，使用轮询机制逐个通道进行转换，但对采集频率的要求比较高，因为这个频率要分摊到 32个通道上，只有采集频率足够高，由于非同步引起的误差才能够足够小，这个方案才能被使用，这是一种伪同步方案。目前市场上存在 32通道的采集频率为 500kHZ的采集卡，此卡的价格仅 1万元左右；
4 ）使用多张同步采集卡来满足多通道的要求 ，卡与卡之间的同步由软件来控制，也是一种伪同步方案。但由于软件的时钟控制精度只能达到毫秒级，远远低于采集卡的时钟精度，而本项目的采集频率又非常高，故此方案的同步效果应该不及方案 3），不适用于本项
目高频率采集的情况，而且，即使采用 4通道的同步采集卡也需要 8张卡，插槽数量也不够用。
可以看到方案 3）具有极大的价格优势，但能否使用方案 3）取决于非同步所引起的误差是否能够满足工程的要求，以下通过参数分析来回答这个问题。
3系统参数分析
根据项目的要求，本文在这里进行系统参数误差分析，以确定各项技术指标的合理性和必要性，并将在此基础上，提出数据采集系统方案.
3.1 同步要求：
根据厂家提供的数据，激光传感器的线形度在 1/1000左右，也就是说，在测量距离为 50mm时，其在测量面上的光斑直径为 0.1mm左右。本项目中传感器探头与测量面的距离在 70mm左右，所以，如果一次采集 32个通道的数据，检测车行走距离不超过 0.1mm即可满足工程要求，再提高同步要求已无必要。一个采集周期所走过的距离、采集完成所需要的距离以及传感器的光斑直径之间的关。
3.2 采集频率的要求：
当采集频率为 200HZ时，平均每 1.38mm采集一次数据，这样的采集强度已经足够高，但这时检测车的行驶速度只能控制在每小时 1公里，严重影响了检测工作的效率。为了进一步提高工作效率，希望能够将行车速度提高到每小时 5公里，相当于人步行的速度，而采集点间距保持不变。此时，采集频率要求达到 1000HZ。
3.3 A/D转换精度的要求经查，激光位移传感器的读数精度在 1/10000，所以 16bit转换精度是必要的。使用 32通道 500kHZ采集卡，使用采集频率分别为 200HZ和 1000HZ。
可以看出：当采集频率为 1000HZ时，完成一次 32通道采集检测车所走过的距离不超过 0.1mm，即不超过探头光斑的大小。而当采集频率为 200HZ时，完成一次 32通道采集检测车所走过的距离不超过 0.018mm，只有探头光斑大小的 1/5，均可以满足工程检测的要求。这样，就可以使用上节所讨论的方案 3）。
4 方案比较
这里对本文第 2部分所描述的方案 2）和方案 3）进行对比，可以看到方案 3）的优势。
5 结论
告诉列车轨道梁对数据采集系统提出了非常高的要求，一般来说只有多通道同步数据采集设备才能满足其需求，但这种设备非常昂贵。通过仔细的参数分析可以发现：使用现有的单 A/D数据采集卡，即使采集频率达到 1000HZ，其采集范围仍然在激光探头的光斑范围之内，即可以满足工程的需求，但系统的整体价格却大幅度降低了，开发风险也随之降低。
