轨道电路传输电压测量不确定度评估方法研究

刘玉江 孟景辉 高利民

中国铁道科学研究院基础设施检测研究所 100081 北京

*助理工程师 **研实员 ***助理研究员

信号动态检测系统主要是对信号基础设备进行检测，是对轨道电路传输电压动态条件下进行非接触测量的新技术。钢轨上的轨道电路信号被车载检测天线接收形成感应信号，经过硬件处理最终转换成适合数据处理芯片采集的信号，利用频域分析技术对主感应信号进行数字处理，计算出信号的载频、低频、细化谱、主要成份幅值等信息，将处理结果通过数据交换机提供给检测系统进行显示、统计、存储。

1 信号动态检测系统检测原理

信号动态检测系统对轨道电路传输电压的测量校准采用如下方法进行。模拟轨道电路传输电压输出，使用标准信号发生器向系统输入1V的标准信号，系统经过处理后在上位机软件界面显示对模拟轨面电压1V的测量结果，对系统测试结果进行分析，确定影响测量结果的各个分量的不确定度，最终得出合成标准不确定度。测量连接如图1所示。

2 信号动态检测系统数学模型

信号检测系统的轨道电路检测设备示值误差E可表示为

图1 测量连接示意图

考虑到检测系统上位机对轨道电路电压值显示的有限分辨力，以及由于随机误差和系统误差对测量结果造成的影响，则数学模型为

式中:Vx是由检测系统上位机界面读取的电压值;Vs是标准信号发生器输出信号标准电压值，即参考标准;δVx是检测系统上位机界面有限分辨力读取的电压值对测量结果的影响;δVs是由以下3种原因对测量结果造成的影响值，①测量过程中人为原因随机误差造成的影响，②环境对测量结果造成的影响，③标准信号发生器由于电压值的漂移等原因造成的自身影响。

3 不确定度分量

3.1 信号检测系统对测量的影响

检测系统上位机界面读取的电压值Vx和标准信号发生器输出的电压值Vs所引起的误差，由系统多次测量得出。轨道电路传输采用4种不同载频中心频率(1700 Hz、 2300 Hz、 2000 Hz、2600 Hz)，每种载频分别有18种低频的信号输出: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。

在常规测量中，若在重复性或复现性条件下对被测量X作n次独立测量，并且有m组这样测量结果，由于各组之间的测量条件可能会稍有不同，因此不能直接用贝赛尔公式对总共n×m次测量计算实验标准差，必须采用计算其合并样本标准差SP(XK)。

对于轨道电路传输电压的测量，是按照其特性在模拟信号1V的情况下进行18×4次测量，合并样本标准差SP(XK)表示为:

式中，xjk是第j组的第k次测量结果，为第 j组的 n个测量结果的平均值。

对1V模拟信号进行测量结果如表1所示。

表1 对1V模拟信号的测试数据

标准信号发生器输出信号为VPP(峰值)，而系统测量和移频测试表显示为电压有效值，根据

则测量的不确定度:u1=0.0007(V)

3.2 标准信号发生器输出对测量结果的影响值δVs假定标准信号源的校准证书给出，其1V电压

值的相对扩展不确定度为

且包含因子k=2，也就是说，对于1V的输出电压，其扩展不确定度为:

得出:

3.3 检测软件有限分辨力读取的电压值对测量结果的影响值δVx

信号检测系统的软件有效显示位数为4位，可显示最小值为0.001V，即测量显示的最大误差为0.001V，假定其在该范围内满足矩形分布，所引入的不确定度分量为:

4 合成标准不确定度

5 扩展不确定度

根据不确定度计算可知，共有3个不确定度分量，显然由信号检测系统引入的不确定度分量占优势，根据判断该分布满足正态分布，故测量结果应该接近于正态分布。取包含因子k=2，于是扩展不确定度为:

6 结论

通过对信号动态检测轨道电路传输电压不确定度的研究，明确了影响测量的因素，提出了测量不确定度的评定方法，保证检测结果的准确、可靠和统一，并且真实反映了设备检测结果与真值的接近程度，有助于更深刻的理解检测系统的工作情况。

［1］ 施昌彦，宣安东．实用测量不确定度评定及案例［M］ ．北京:中国计量出版社，2007．7.