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(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)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(tài)檢測系統(tǒng)主要是對信號基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行檢測，是對軌道電路傳輸電壓動態(tài)條件下進(jìn)行非接觸測量的新技術(shù)。鋼軌上的軌道電路信號被車載檢測天線接收形成感應(yīng)信號，經(jīng)過硬件處理最終轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)處理芯片采集的信號，利用頻域分析技術(shù)對主感應(yīng)信號進(jìn)行數(shù)字處理，計算出信號的載頻、低頻、細(xì)化譜、主要成份幅值等信息，將處理結(jié)果通過數(shù)據(jù)交換機(jī)提供給檢測系統(tǒng)進(jìn)行顯示、統(tǒng)計、存儲。

1 信號動態(tài)檢測系統(tǒng)檢測原理

信號動態(tài)檢測系統(tǒng)對軌道電路傳輸電壓的測量校準(zhǔn)采用如下方法進(jìn)行。模擬軌道電路傳輸電壓輸出，使用標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器向系統(tǒng)輸入1V的標(biāo)準(zhǔn)信號，系統(tǒng)經(jīng)過處理后在上位機(jī)軟件界面顯示對模擬軌面電壓1V的測量結(jié)果，對系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行分析，確定影響測量結(jié)果的各個分量的不確定度，最終得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。測量連接如圖1所示。

2 信號動態(tài)檢測系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

信號檢測系統(tǒng)的軌道電路檢測設(shè)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(tǒng)上位機(jī)對軌道電路電壓值顯示的有限分辨力，以及由于隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果造成的影響，則數(shù)學(xué)模型為

式中:Vx是由檢測系統(tǒng)上位機(jī)界面讀取的電壓值;Vs是標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出信號標(biāo)準(zhǔn)電壓值，即參考標(biāo)準(zhǔn);δVx是檢測系統(tǒng)上位機(jī)界面有限分辨力讀取的電壓值對測量結(jié)果的影響;δVs是由以下3種原因?qū)y量結(jié)果造成的影響值，①測量過程中人為原因隨機(jī)誤差造成的影響，②環(huán)境對測量結(jié)果造成的影響，③標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)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(tǒng)對測量的影響

檢測系統(tǒng)上位機(jī)界面讀取的電壓值Vx和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出的電壓值Vs所引起的誤差，由系統(tǒng)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(guī)測量中，若在重復(fù)性或復(fù)現(xiàn)性條件下對被測量X作n次獨(dú)立測量，并且有m組這樣測量結(jié)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(biāo)準(zhǔn)差，必須采用計算其合并樣本標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行18×4次測量，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差SP(XK)表示為:

式中，xjk是第j組的第k次測量結(jié)果，為第 j組的 n個測量結(jié)果的平均值。

對1V模擬信號進(jìn)行測量結(jié)果如表1所示。

表1 對1V模擬信號的測試數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出信號為VPP(峰值)，而系統(tǒng)測量和移頻測試表顯示為電壓有效值，根據(jù)

則測量的不確定度:u1=0.0007(V)

3.2 標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出對測量結(jié)果的影響值δVs假定標(biāo)準(zhǔn)信號源的校準(zhǔn)證書給出，其1V電壓

值的相對擴(kuò)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(kuò)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(jié)果的影響值δVx

信號檢測系統(tǒng)的軟件有效顯示位數(shù)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(nèi)滿足矩形分布，所引入的不確定度分量為:

4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5 擴(kuò)展不確定度

根據(jù)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(tǒng)引入的不確定度分量占優(yōu)勢，根據(jù)判斷該分布滿足正態(tài)分布，故測量結(jié)果應(yīng)該接近于正態(tài)分布。取包含因子k=2，于是擴(kuò)展不確定度為:

6 結(jié)論

通過對信號動態(tài)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(jié)果的準(zhǔn)確、可靠和統(tǒng)一，并且真實反映了設(shè)備檢測結(jié)果與真值的接近程度，有助于更深刻的理解檢測系統(tǒng)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.