轨道检查仪惯性元件的设计

轨道检查仪惯性元件的设计

0光纤螺钉轨道检查仪轨道的不平衡量增加了车轮之间的振动和冲击，振动和影响进一步增加了轨道的不平衡性，并形成了恶性循环。因此,对铁路轨道平顺度各项参数的检测,关系着乘客乘坐的舒适性和行车安全。对轨道平顺度的检测主要有人工弦线法、弦测法和惯性法(轨迹法)。光纤陀螺仪是一种能够精确确定运动物体方位的仪器,在现代航空航天、交通和国防工业中,被广泛用作惯性导航仪器。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点,常在轨道检查仪中被用作轨道平顺度检测的惯性元件,成为轨道检查仪的关键部件。采用惯性法测量轨向、高低的平顺度的实质是,按位置测量轨道水平方向的摆角或垂直方向的俯仰角。1旋转角度分布光纤陀螺仪的工作原理基于萨格纳克(Sagnac)效应,理想条件下,环形光路系统中的Sagnac效应如图1所示。当1束光经分束器M进入同一光学回路时,分成完全相同的2束光CCW和CCCW,分别沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)相向传播。当回路绕垂直于自身的轴转动时,将使2束光产生相位差,相位差的大小与光回路的旋转角速度成比例。如图1(a)所示,在无旋转条件下,2束光的传输时间相等,即式(1)中,tCCW为逆时针方向光的传输时间,s;tCW为顺时针方向光的传输时间,s;L为光纤环长度,m;c为光速,m/s;R为光纤环半径,m。如图1(b)所示,在旋转条件下,tCCW和tCW分别为式(2)、式(3)中,Ω为旋转角速度,rad/s。由于c2远大于(Ω·R)2,因此,传输时间差Δt为传输光程差ΔL为传输相位差ΔΦs为式(6)中,λ0为波长,m。由于单匝光纤旋转角速率产生的光程差太小,很难被检测。实际应用中,一般采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间旋转引起的Sagnac效应。对于N匝光纤环,光波在闭合回路内传播N匝光纤环的长度L为传输相位差ΔΦs为通过以上分析可知,利用光的干涉原理,通过检测干涉光强变化可检测光路中的传输相位差,进而检测系统的旋转角速度。2轨道不平衡测量的基本原则2.1弓高弦长的数学模型弦测值计算模型如图2所示。若以弦长为l的测量弦,测量曲线半径为R的轨道不平顺时,根据弓高弦长数学模型,可推导出弦测值h为当以不同的弦长进行测量时,若L=nl,则弦长L对应的弦测值H为2.2日本铁路“以小推大”公式式(10)基于轨道不平顺线型为标准圆曲线这一假设,当存在其他影响因素时,测量结果误差较大。国际上弦测法通行的“以小推大”的传递函数,为日本铁路对弦测法“以小推大”的推导公式(简称“日铁公式”),见式(11):式(11)中,VL为弦长L的弦测值,Vi为第i点处的l弦长的弦测值。L=nl(n为2,4,6,8……)。3不平整的测量原理3.1系统偏转角度的测定依据光纤陀螺仪测量原理可知,光纤陀螺仪通过检测光路中的传输相位差,进而检测系统的旋转角速度ω,通过积分即可得到系统转过的角度α(rad):3.2化调机构中点pi测量角的测量利用光纤陀螺仪测量轨道不平顺为无弦测量,如图3所示。假定系统按间隔0.125m采集1次陀螺仪转过的角度,想象存在1根弦长l为0.250m的测量弦,若陀螺仪所采集点Pi对应的角度为αi,点Pi-1对应的角度为αi-1,则陀螺仪对应转过的圆心角为(αi-αi-1),弦测值对应的圆周角θi为(αi-αi-1)/2。所以,对应测量弦l为0.250m的第i点弦测值Vi为在步长为0.125m的2个测量点间,陀螺仪的转角极小,此时,所以,3.3m弦测量以轨道的轨向、高低为例,采用10m弦进行测量,即L为10m,n为40(10/0.25)。将L、n代入式(11),得:4不均匀测量和不可测量的螺母轨道的不确定度分析4.1计算不确定度的公式为4.2计算开口的灵敏系数不确定度分量u(ψ)的灵敏系数为取V10m为100mm,则不确定度分量u(l)的灵敏系数为4.3不同组件的不确定度4.3.1轨道检查仪测量轮全差误差引入的不确定度分量u3u3不确定度分量u(ψ)主要包括陀螺仪的测角误差引入的不确定度分量u1、陀螺仪零位标定误差引入的不确定度分量u2、陀螺仪标度因数稳定性及信号随机漂移引入的不确定度分量u3和轨道检查仪测量轮全跳动导致陀螺仪的附加测角误差引入的不确定度分量u4。取陀螺仪的测角误差为±0.01°,则取陀螺仪零位标定误差为±0.005°,则取陀螺仪标度因数稳定性及信号随机漂移引起的附加测角误差为±0.02°,则取全跳动为±0.02mm,则不确定分量u(ψ)为4.3.2不确定组件ul4.4s10线路压力检测合成标准不确定度uc(V10m)为取k为2,则扩展不确定度U(V10m)为由于铁路既有线正线高低、轨向的允许偏差为±4mm,而U(V10m)∧4/3mm,因此,采用光纤陀螺仪测量铁路线路的高低、轨向等线路平顺度参数,满足线路的检测和验收要求。5检测误差分析铁路轨道检查仪中采用2个单轴光纤陀螺仪作为检测铁路轨道平顺度中高低、轨向和正矢等参数的惯性传感器,从而实现对轨道平顺度的高速、高精度的自动检测。通过对检测的实际原理和测量不确定度进行分析研究,可有效