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數據浮動問題，并推導了該方法的計算過程。實驗表明，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足鐵路檢測要求，關系著行車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單軸光纖陀螺儀分別作為軌向和高低兩個參數的傳感器，配合硬件電路實現這兩個參數的數據采集。陀螺儀是一種角速度傳感器，它具有精度高、響應快、抗震動等優點。隨著其性價比的提高，目前已經在民用領域里得到廣泛應用。該檢測儀中利用兩個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系，通過采集電壓信號推導出角速度，然后再通過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參數的變化曲線。
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，該系統還要通過數據傳輸模塊實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，所以前端陀螺儀信號能否得到妥善處理關系到整個系統設計的成敗。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行A／D轉換，最后用單片機對信號進行采集和處理，并把數據處理結果上傳給上位機進行數據顯示等。