鐵路檢測儀中陀螺儀的信號采集電路設計

摘要：鐵路檢測儀系統設計中，采用光纖陀螺儀完成對鐵路平順度相關(guān)參數的采集，使用電壓補償方法解決所采集角度的相對零點(diǎn)數據浮動(dòng)問(wèn)題，并推導了該方法的計算過(guò)程。實(shí)驗表明，該方法達到了預期目標，數據穩定性得到明顯改善。
關(guān)鍵詞：鐵路平順度；光纖陀螺儀；電壓補償

引言
鐵路軌道平順度的各項參數能否滿(mǎn)足鐵路檢測要求，關(guān)系著(zhù)行車(chē)安全和乘客的舒適度。鐵路檢測儀是對鐵路的軌距、水平、軌向、高低等參數進(jìn)行采集并處理的鐵路軌道檢測設備。其中，軌向和高低采集電路的設計比較復雜。本文主要介紹在鐵路檢測儀中，軌向和高低兩個(gè)參數采集的硬件和軟件設計。

1 系統總體設計
鐵路檢測儀利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀分別作為軌向和高低兩個(gè)參數的傳感器，配合硬件電路實(shí)現這兩個(gè)參數的數據采集。陀螺儀是一種角速度傳感器，它具有精度高、響應快、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)其性?xún)r(jià)比的提高，目前已經(jīng)在民用領(lǐng)域里得到廣泛應用。該檢測儀中利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀測量鐵路平順度中軌向和高低的變化。陀螺儀輸出的電壓信號與角速度具有一定的比例關(guān)系，通過(guò)采集電壓信號推導出角速度，然后再通過(guò)積分處理計算出角度變化，最后根據鐵路平順度檢測的一些算法映射出鐵路的軌向和高低兩個(gè)參數的變化曲線(xiàn)。
檢測儀的數據采集系統結構框圖如圖1所示。該系統包括數據采集模塊、數據處理模塊和數據傳輸模塊。數據采集模塊包括信號調理電路和高速A／D轉換電路，其主要功能是完成對兩路陀螺儀信號的調理和A／D轉換；數據處理模塊主要實(shí)現響應采集命令、完成陀螺信號的積分處理等功能；數據傳輸模塊則負責把數據處理模塊處理后的數據上傳給上位機。上位機主要實(shí)現采集數據的接收、數據格式轉換、數據存儲、數據調用、數據分析以及良好的人機交互等功能。另外，該系統還要通過(guò)數據傳輸模塊實(shí)現與其他數據采集系統的數據交互等功能。

由于鐵路軌道比較平緩，陀螺儀輸出的信號較微弱，易受其他噪聲污染而被淹沒(méi)，所以前端陀螺儀信號能否得到妥善處理關(guān)系到整個(gè)系統設計的成敗。下面詳細介紹系統中陀螺儀信號采集電路的設計。

2 硬件設計
系統數據采集原理如圖2所示。首先對陀螺儀輸出信號進(jìn)行信號濾波、信號放大、信號平移等信號調理措施，然后對調理后的信號進(jìn)行A／D轉換，最后用單片機對信號進(jìn)行采集和處理，并把數據處理結果上傳給上位機進(jìn)行數據顯示等。