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新型传感器-光纤陀螺仪在轨道测量中的应用

    国内轨道的静态几何参数和不平滑状况的检测基本上是通过以往传统的方式进行测定的。测定原理落后,存在人为测定误差和读取误差大的问题。随着我国铁路几次大面积的高速化和大量高速铁路的建设,我国铁路向重载高速发展。另一方面,列车的高速、稳定运行要求轨道的静态几何参数和不平滑状况在更高的规定范围内满足要求,与以前相比精度要求更高,检查点更多,工作量更大。另一方面,随着工程“检查、修理”分离的发展,对负责检查、修理的工程部门提出了更高的要求,线路的日常检查、讨论和检查需要更高效、合理、正确的检查手段,作业的自我诊断和检查也要求更先进的检查工具。因此,在以往手工作业的测定中,在作业效率和测定精度方面也不能满足现场的使用要求。

    轨道静态几何参数和不平顺检测方法包括绝对测量和相对测量两种,目前广泛使用相对测量法。 相对测量再分弦测量法、惯性基准法、惯性元件测量法等不同方法。 其中弦测定法,惯性基准法被广泛使用。由于惯性测定元件成本高、大型化等理由,惯性元件测定法仅限于应用于大型轨检车。

   随着惯性元件的成本降低和小型化,可以适用于小型轨道检查用小车。其中,光纤陀螺仪作为高精度惯性测定元件之一是一种新型的传感器,由半导体雷射光源、光极的器皿、光线、光被动及功能元件和信号处理电路构成的fog,以往主要应用于军事、航空等重要领域,目前广泛应用于民用工业。 轨道检查小车记录表明,发现轨道平滑状态差的地方,采取紧急修补或限速措施,确定应进行计划修理的行驶距离段落,制定修理作业计划,适用于线路的日常检查、讨论和检查,取得了很好的效果。

一、原理与发展

1.1原理

  光纤陀螺仪在萨格纳克效应的基础上研制。 由于在萨格诺克效应中产生光的光程差与旋转角速度成正比,因此可以根据光的干涉结果来估计角速度,结构图如图1所示。


 现代光纤陀螺仪在塞格诺克理论的基础上开发。这里重要是,当光束在环形通道中行进时,当环形通道本身具有旋转速度时,光束沿着通道的旋转方向行进所需的时间长于光束沿着与通道的旋转方向相反的方向行进所需的时间。即,当光学环旋转时,在不同行进方向上,光学环的光路相对于环静止时的光路发生变化。利用这样的光路的变化,如果使向不同方向前进的光彼此干涉来测定环路的旋转速度,则能够制造干涉型光纤陀螺仪,如果利用这样的环路的光路的变化来实现在环路中持续循环的光彼此的干涉,即光纤环路的光。

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 图1光纤陀螺仪

1.2发展情况

   光纤陀螺仪是一种利用70年代后半期出现的光纤传感技术来测量惯性转速的新型传感器,其性能优于机械陀螺仪、激光陀螺仪和核磁共振陀螺仪,其性能优于传统高速系统中机械陀螺仪的动态伦。

1.2国外发展情况

    美国是第一个开发光纤陀螺仪的国家,Litton和honeylwell公司研究的光纤陀螺仪代表了国际光纤陀螺技术的最高水平。Litton公司为中精度( 0.1。/h到l。/h )光纤陀螺的生产率。 heneywell公司是环形激光陀螺仪的先驱者,也是光纤陀螺仪开发的有力竞争者,heneywell公司开发的干涉型光纤陀螺仪,目前最高精度为0.00038。/h。

    英国、法国、德国、意大利和俄罗斯等西欧国家也重视开发军事光纤陀螺仪。这些国家主要是漂移率大于l。/h的低性能光纤陀螺海军和空军。

1.2.1国内研究情况

    我国20世纪80年代初开始光纤陀螺的研制。到目前为止,已经完成了各种光纤陀螺实验的原型的开发。我国光纤陀螺的研究开发比较缓慢,但目前有些光纤陀螺的技术水平已经达到或超过了国外同类产品的水平。根据理论和实验,无源和无源IOG分别为l0.0。/h$n0.1。/h。目前国内光纤陀螺的研制水平在惯性导航系统中,已接近低精度要求。

二、在轨检测小车中的应用

    用惯性法测量轨道方向、高低不平时,实质上按位置测量轨道水平方向的振动角或垂直方向的俯仰角,使用姿势测量和轨道测量原理,参考高速惯性系统的基本原理,将轨道距离、轨道距离、水平、高低及正箭等静态几何参数。

2.1结构

 轨道检查用小车结构参照图2


 

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    在上述横梁及上述纵梁上分别配置一个光纤陀螺仪,测定方向及高度。此时,其他传感器也同时动作,通过收集到的数据连接线传送到控制箱,通过状态检测接口取得相关几何参数(参照图3 )。

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 图4日志数据接口


    在记录数据接口中,显示记录数据和各记录详细信息等控制箱的存储器的数据。详细内容包括开始距离、线路的增减方向、明细、占有空间、记录的日期和时间等。在记录数据接口中,主要进行查询数据,参照图5。

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 图5数据显示画面


2.2数据处理

    通过数据库轨道参数分析软件进行处理,从通用串行端口( USB )传送检测数据,进行分析处理,显示数据和图表结果(参照图6 )。 根据业务生产的要求,生成超限运行报告书、轨道状态分析、曲线检查记录、线路状态统计等报告书,为业务生产提供辅助决策信息。

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 图6曲线图

三、稳定性的验证

    使用陀螺仪检测轨道的方向时,不能增大轨道的一定长度上的水平摆动角,轨道检查用小车的推进速度低,陀螺仪感觉到的角速度的值小,其输出信号微弱,容易埋入噪声中。因此,实际光纤干涉陀螺仪的最基本结构应该包含2个光纤耦合器。也就是说,在第一个光纤耦合器后面添加光纤耦合器。通过这样的配置,可以保证从同一方向前进的光的光量和相位完全相同。为了保证两个光具有相同的偏振方向,在两个耦合器之间添加偏振片,在光纤中传播的只有一个方向的偏振光,通过相位调制将陀螺仪的相位偏置90度,提高装置的灵敏度。系统设计时,需要从噪声背景中提取微弱的角速度信号,用积分方法实现角度信号的输出。 陀螺零位移是影响性能的重要问题,也是陀螺仪选型时必须认真考虑的主要因素。

    

 在实际使用中陀螺仪有校准过程,参照图7、图8。

 

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 图7传感器标定选择画面

 

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 图8方向、高低传感器零点标定界面

    系统对方向和高度的2个陀螺仪自动的标定零点,自动地搜索正确的零点值,标定时间为18秒左右。

    都睿感控科技公司设计开发的传感器,包括霍尔传感器等各类型,满足客户的需求。 

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