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        4. 都睿感控

          專注傳感器國內第一

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          新型傳感器-光纖陀螺儀在軌道測量中的應用

              國內軌道的靜態幾何參數和不平滑狀況的檢測基本上是通過以往傳統的方式進行測定的。測定原理落后,存在人為測定誤差和讀取誤差大的問題。隨著我國鐵路幾次大面積的高速化和大量高速鐵路的建設,我國鐵路向重載高速發展。另一方面,列車的高速、穩定運行要求軌道的靜態幾何參數和不平滑狀況在更高的規定范圍內滿足要求,與以前相比精度要求更高,檢查點更多,工作量更大。另一方面,隨著工程“檢查、修理”分離的發展,對負責檢查、修理的工程部門提出了更高的要求,線路的日常檢查、討論和檢查需要更高效、合理、正確的檢查手段,作業的自我診斷和檢查也要求更先進的檢查工具。因此,在以往手工作業的測定中,在作業效率和測定精度方面也不能滿足現場的使用要求。

              軌道靜態幾何參數和不平順檢測方法包括絕對測量和相對測量兩種,目前廣泛使用相對測量法。 相對測量再分弦測量法、慣性基準法、慣性元件測量法等不同方法。 其中弦測定法,慣性基準法被廣泛使用。由于慣性測定元件成本高、大型化等理由,慣性元件測定法僅限于應用于大型軌檢車。

             隨著慣性元件的成本降低和小型化,可以適用于小型軌道檢查用小車。其中,光纖陀螺儀作為高精度慣性測定元件之一是一種新型的傳感器,由半導體雷射光源、光極的器皿、光線、光被動及功能元件和信號處理電路構成的fog,以往主要應用于軍事、航空等重要領域,目前廣泛應用于民用工業。 軌道檢查小車記錄表明,發現軌道平滑狀態差的地方,采取緊急修補或限速措施,確定應進行計劃修理的行駛距離段落,制定修理作業計劃,適用于線路的日常檢查、討論和檢查,取得了很好的效果。

          一、原理與發展

          1.1原理

            光纖陀螺儀在薩格納克效應的基礎上研制。 由于在薩格諾克效應中產生光的光程差與旋轉角速度成正比,因此可以根據光的干涉結果來估計角速度,結構圖如圖1所示。


           現代光纖陀螺儀在塞格諾克理論的基礎上開發。這里重要是,當光束在環形通道中行進時,當環形通道本身具有旋轉速度時,光束沿著通道的旋轉方向行進所需的時間長于光束沿著與通道的旋轉方向相反的方向行進所需的時間。即,當光學環旋轉時,在不同行進方向上,光學環的光路相對于環靜止時的光路發生變化。利用這樣的光路的變化,如果使向不同方向前進的光彼此干涉來測定環路的旋轉速度,則能夠制造干涉型光纖陀螺儀,如果利用這樣的環路的光路的變化來實現在環路中持續循環的光彼此的干涉,即光纖環路的光。

          1.png

           圖1光纖陀螺儀

          1.2發展情況

             光纖陀螺儀是一種利用70年代后半期出現的光纖傳感技術來測量慣性轉速的新型傳感器,其性能優于機械陀螺儀、激光陀螺儀和核磁共振陀螺儀,其性能優于傳統高速系統中機械陀螺儀的動態倫。

          1.2國外發展情況

              美國是第一個開發光纖陀螺儀的國家,Litton和honeylwell公司研究的光纖陀螺儀代表了國際光纖陀螺技術的最高水平。Litton公司為中精度( 0.1。/h到l。/h )光纖陀螺的生產率。 heneywell公司是環形激光陀螺儀的先驅者,也是光纖陀螺儀開發的有力競爭者,heneywell公司開發的干涉型光纖陀螺儀,目前最高精度為0.00038。/h。

              英國、法國、德國、意大利和俄羅斯等西歐國家也重視開發軍事光纖陀螺儀。這些國家主要是漂移率大于l。/h的低性能光纖陀螺海軍和空軍。

          1.2.1國內研究情況

              我國20世紀80年代初開始光纖陀螺的研制。到目前為止,已經完成了各種光纖陀螺實驗的原型的開發。我國光纖陀螺的研究開發比較緩慢,但目前有些光纖陀螺的技術水平已經達到或超過了國外同類產品的水平。根據理論和實驗,無源和無源IOG分別為l0.0。/h$n0.1。/h。目前國內光纖陀螺的研制水平在慣性導航系統中,已接近低精度要求。

          二、在軌檢測小車中的應用

              用慣性法測量軌道方向、高低不平時,實質上按位置測量軌道水平方向的振動角或垂直方向的俯仰角,使用姿勢測量和軌道測量原理,參考高速慣性系統的基本原理,將軌道距離、軌道距離、水平、高低及正箭等靜態幾何參數。

          2.1結構

           軌道檢查用小車結構參照圖2


           

          2.png

              在上述橫梁及上述縱梁上分別配置一個光纖陀螺儀,測定方向及高度。此時,其他傳感器也同時動作,通過收集到的數據連接線傳送到控制箱,通過狀態檢測接口取得相關幾何參數(參照圖3 )。

          4.png

           圖4日志數據接口


              在記錄數據接口中,顯示記錄數據和各記錄詳細信息等控制箱的存儲器的數據。詳細內容包括開始距離、線路的增減方向、明細、占有空間、記錄的日期和時間等。在記錄數據接口中,主要進行查詢數據,參照圖5。

          5.png

           圖5數據顯示畫面


          2.2數據處理

              通過數據庫軌道參數分析軟件進行處理,從通用串行端口( USB )傳送檢測數據,進行分析處理,顯示數據和圖表結果(參照圖6 )。 根據業務生產的要求,生成超限運行報告書、軌道狀態分析、曲線檢查記錄、線路狀態統計等報告書,為業務生產提供輔助決策信息。

          6.png

           圖6曲線圖

          三、穩定性的驗證

              使用陀螺儀檢測軌道的方向時,不能增大軌道的一定長度上的水平擺動角,軌道檢查用小車的推進速度低,陀螺儀感覺到的角速度的值小,其輸出信號微弱,容易埋入噪聲中。因此,實際光纖干涉陀螺儀的最基本結構應該包含2個光纖耦合器。也就是說,在第一個光纖耦合器后面添加光纖耦合器。通過這樣的配置,可以保證從同一方向前進的光的光量和相位完全相同。為了保證兩個光具有相同的偏振方向,在兩個耦合器之間添加偏振片,在光纖中傳播的只有一個方向的偏振光,通過相位調制將陀螺儀的相位偏置90度,提高裝置的靈敏度。系統設計時,需要從噪聲背景中提取微弱的角速度信號,用積分方法實現角度信號的輸出。 陀螺零位移是影響性能的重要問題,也是陀螺儀選型時必須認真考慮的主要因素。

              

           在實際使用中陀螺儀有校準過程,參照圖7、圖8。

           

          7.png

           圖7傳感器標定選擇畫面

           

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           圖8方向、高低傳感器零點標定界面

              系統對方向和高度的2個陀螺儀自動的標定零點,自動地搜索正確的零點值,標定時間為18秒左右。

              都睿感控科技公司設計開發的傳感器,包括霍爾傳感器等各類型,滿足客戶的需求。 

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