基于光纤陀螺仪的轨道方向不平顺检测系统

2010-06-17 23:31:55来源: 微计算机信息 关键字:测量  不平顺检测  光纤陀螺仪

  1.引言

  轨道不平顺[1]检测方法有绝对测量与相对测量两大类,目前应用广泛的是相对测量法。相对测量[2]又分弦测法、惯性基准法、惯性元件测量法等不同方法。其中弦测法[3]、惯性基准法使用较多。由于惯性测量元件成本高昂、体积庞大等原因,惯性元件测量法一般只局限在大型轨检车上应用。

  随着惯性元件成本的不断降低及其日渐小型化,该测量方法在小型轨检小车上的应用正逐步成为可能。其中,光纤陀螺仪[4]作为一种高精度惯性测量元件,以前主要应用于军事、航空等重要领域,现已广泛应用于民用工业。

  本文详细描述了一种由VG951[5]、AD7714、P89V51RD等组成的轨检小车用轨道方向不平顺惯性测量系统及相关算法。该惯性测量系统也可用于轨道高低不平顺的测量。

  2.系统要求与技术关键

  惯性法测量轨向、高低不平顺时,实质上是按位置测量轨道水平方向的摆角或垂直方向的俯仰角。

  采用陀螺仪检测轨向时,由于轨道在一定长度上的水平摆角不可能很大,轨检小车的推行速度又很低,陀螺仪所感受的角速度的值是很小的,其输出信号很微弱,很容易被噪声淹没。因此,本系统设计时,必须从噪声背景中提取出微弱的角速度信号,并通过积分方法实现角度信号的输出。

  陀螺仪零位漂移是影响本系统性能的另一个关键性问题,也是陀螺仪选型时必须认真考虑的首要因素。

  3.系统设计

  VG951光纤陀螺仪是根据萨格纳克效应研制的,即光在萨格纳克效应中产生的光程差与旋转角速度成正比,从而可通过光的干涉结果推算角速度,其输出信号与角速度成正比。其主要关键技术指标为:偏差稳定性:0.3 - 1deg/hr;随机游走:<0.002deg/sqrtHz;工作范围:80deg/sec;

  偏差重复性(offset) 1°/hr,1 sigma;偏差变化(恒稳态)0.3°/hr,1 sigma;比例因子37mV/°/s±10%;外部磁场<1°/hr/Gauss;输出阻抗1000Ω。由此可以看出,VG951是一种稳定性好、漂移小、重复性好、抗磁能力强的性能优异的光纤陀螺仪产品。

  陀螺仪用于检测轨向时输出信号很微弱,因此,必须选用低噪声运放电路,并合理设置滤波电路。本系统选用高精度低噪声的仪用放大器AD620,其最佳源电阻在1000Ω左右,正好与VG951相匹配,能最大限度地减少由于电路阻抗不匹配产生的噪声[6] 。该放大电路与无源 RC滤波电路组合,能够有效保证前置放大电路的品质。

  AD 公司的A/D转换器AD7714[6]是一款带信号处理功能的串行A/D,可直接从传感器接受低电平信号,使用和差转换技术实现高达24bit的无误码模数转换。AD7714内置数字滤波功能,可编程设置滤波器的截止频率和稳定时间。本系统可同时接受和处理二路VG951的输入。 AD7714参考端电压(+3.0V)由AD780提供。

  陀螺仪信号是双极性信号,且信号地与电源地相通。虽然AD7714可以接受双极性输入,但有一个限制条件,即信号相对于AGND的电压不能低于-30mv。因此,必须将陀螺仪信号平移一个基准电压(+1.5V),该电压由AD780分压提供。

  系统以Philips公司的P89V51RD2[8]为控制与数据处理中心。P89V51RD2是一种高性能的80C51兼容型单片机,片内内置64K程序存储器,768+256Byte数据存储器,可利用 Philips提供的ISP/IAP程序实现系统的在线编程(在系统或在应用编程)。该CPU管理并控制着数据采集过程,由T2 定时器给AD7714的数字积分提供精确定时,并完成陀螺仪测量数据的实时分析与处理工作。图1为简化硬件原理图

  同时,P89V51RD2还是与轨检小车主CPU进行数据通讯的控制器,成为轨检小车多CPU主从结构的一个基础端点。


  图1 简化硬件原理图

[1] [2]

关键字:测量  不平顺检测  光纤陀螺仪

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2010/0617/article_1282.html
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