（机械电子工程专业论文）多点高程测量传感器的研究.pdf

摘要删ii i if lr l l lli ii i iiiiy 17 4 615 8摘要高程测量传感器是在小型轨检车的水平检测的基础上提出来的。不管测量点距离的远近，它可以直接测量各点的高程，因此它能避免因测量距离增大而导致误差变大的问题的出现，减小了测量误差，提高了传感器测量精度。这种高程测量传感器主要用于铁轨检测，还可以在建筑物检测，或者检测舰船、飞机的姿态等方面发挥作用。本文介绍了高程传感器的工作原理，在总结前期研究工作中取得的成果的：基础上，提出了多点高程测量传感器的方案，设计了一种分布式测量系统。系统中采用了计算机、控制、通信、网络和电路设计等多领域的技术，使系统具有较完备的通信和控制功能，稳定的性能、友好的界面。本文首先论述了此传感器比传感器提出的背景，然后论证了此传感器的理论依据。接下来介绍了传感器的机械结构，以及电路部分。研究主要包括节点硬件，节点软件；上位机控制软件的研发。节点部分采用了s t c 5 4 1 0 单片机。上位机软件能实时准确地获取4 8 5 总线挂接的节点传感器的信息。通过远程控制方法，可以经由4 8 5 总线对各节点信息静进行采集。该系统作为一种通用的测量系统，也可以搭配不!同的传感器应用于多种场合。最后一部分对传感器的静态特性参数进行了初步，实验研究，以此验证了方案的可行性和传感器的实用性。关键词：多点高程测量；4 8 5 通信；集中控制；分布式a b s t r a c ta b s t r a c tt h eh e i g h tm e a s u r e m e n ts e n s o ri sb r o u g h tf o r w a r db a s e do np l a n em e a s u r e m e n t so ft r a c er e c o r d i n gv e h i c l e n om a t t e rt h ed i s t a n c eo ft h em e a s u r e dp o i n t s ，i tc a nm e a s u r eh e i g h ts i g n a l sd i r e c t l y t h u si tc a na v o i dt h ep r o b l e mt h a tt h em e a s u r e m e n te r r o ra r i s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s t a n c e ；i ta l s or e d u c e sm e a s u r e m e n te r r o ra n di m p r o v e ss e n s o rp r e c i s i o n t h es e n s o ri sm a i n l ya p p l i e df o rr a i l w a ym e a s u r e ，a n dc a np l a yar o l ei nd e t e c t i n gt h eb u i l d i n g ，o rd e t e c t i n go fs h i p s ，a i r c r a f ta t t i t u d e t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so ft h es e n s o ra r ed e s c r i b e d t h ep a p e ra l s oa n a l y z e st h es u c c e s sw h i c hh a sb e e na c q u i r e di nt h ee a r l ye x p e r i m e n t s b a s e do nt h e m ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dad i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ts y s t e m t h et e c h n o l o g i e si ns o m ef i e l d si n c l u d i n gc o m p u t e r , c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r ka n dc i r c u i td e s i g nw e r eu s e d t h a te n a b l eac o m p a r a t i v e l yr i c hf u n c t i o n si nm o n i t o ra n dc o n t r o l ，i na d d i t i o nt os t a b l ep e r f o r m a n c ea n df r i e n d l yi n t e r f a c e r e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d e st h er e s e a r c ho nh a r d w a r eo fn o d e ，s o f t w a r eb o t hr u n n i n go nn o d ea n do np cf o rm o n i t o ra n dc o n t r 0 1 m c uw h i c hu s e df o rt h e s en o d e sa r es t c 5 4 1 0 ，p cc a nr e a dr e a l - t i m es e n s o ri n f o r m a t i o no fn o d et h r o u g h4 8 5b u sb ys o f t w a r e t h r o u g hr e m o t ec o n t r o l ，p cc a nc o l l e c ti n f o r m a t i o no fn o d e sv i a4 8 5b u s ，t h i ss y s t e mi sau n i v e r s ep r o d u c tt h a tc a na l s ob eu s e di nv a r i e ds i t u a t i o nw i t hd i f f e r e n ts e n s o r s a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ea u t h o rd o e ss o m eb a s i ce x p e r i m e n t ；t h i sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fp l a n sa n dp r a c t i c a l i t yo ft h es e n s o r k e yw o r d s ：m u l t i p o i n t sh e i g h tm e a s u r e m e n t ，4 8 5c o m m u n i c a t i o n ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，d i s t r i b u t i o n a li l目录目录学位论文独创性声明2摘要一ia b s t r a c t i i目录i i i第一章绪论11 1 高程测量11 1 1 概j 苤11 1 2 高程差传感器发展现状分析61 2 课题的来源、要解决的问题及课题的意义71 2 1 课题的来源71 2 2 前期研究工作的成果与不足91 2 3 本文研究的内容1 01 2 4 课题的意义1 1第二章多点高程测量传感器的原理1 22 1 常用的倾角传感器及其原理1 22 1 1 “液体摆 器件1 22 1 2 “固体摆 器件1 32 1 3 “气体摆”器件1 32 1 4 三种摆式传感器的性能比较。1 42 2 多点高程测量传感器的工作原理1 52 2 1 工作原理1 52 2 2 传感器的数学模型1 72 2 3 高程测量传感器的性能1 92 2 4 多点高程测量传感器与现有传感器比较2 1第三章多点高程测量传感器的机械结构设计2 33 1 压力传感器选型2 3i i i目录3 1 1 多点高程测量传感器的结构框图2 33 1 2 压力传感器选型的依据2 43 1 3 陶瓷电容传感器简介2 43 2 多点高程测量传感器试验样机的机械结构设计2 53 3 机械结构设计的关键点：2 9第四章多点高程测量传感器的电路及软件部分一3 14 1 电容传感器的原理及选型3 14 1 1 特点一3 14 1 2 工作原理3 14 1 3 技术参数3 24 1 4 量程3 24 2a ，d 转换通道的设计3 34 2 1a d 7 8 8 8 工作原理3 34 2 2 控制寄存器一3 54 2 3 模拟输入3 64 2 4 模拟输入选择3 74 2 5 掉电选项3 74 2 6 工作模式。3 84 3s p i 通信接口3 84 3 1s p i 通信简介3 84 3 2 芯片串行接口时序一4 04 4 硬件电路的设计4 14 4 1 电源电路4 14 4 2 晶振电路4 14 4 3a d 7 8 8 8 与单片机的连接电路4 24 4 44 8 5 总线通信电路4 24 5 下位机软件设计4 34 5 1a d 7 8 8 8 初始化子程序设计4 34 5 2 读取a d 7 8 8 8 结果的程序设计一4 4i v目录4 5 3 下位机与p c 机的通信。4 44 64 8 5 总线通信网络的设计4 64 6 14 8 5 总线概述4 64 6 24 8 5 通信网络的设计4 74 6 34 8 5 总线抗干扰的方法4 74 7m s c o m m 控件在串口编程中使用5 04 8 多点测量传感器信息的显示5 7第五章多点高程测量传感器静态特性实验5 85 1 传感器特性指标5 85 2 传感器的实验环境6 15 3 传感器初步静态实验6 25 4 实验小结6 3第六章结论及展望6 4致谢6 6参考文献6 7攻读学位期间的研究成果6 9n第一章绪论第一章绪论本章主要介绍了高程测量的原理以及国内外高程测量传感器发展的不同，在铁路板高程状态检测的基础上提出本课题的来源、意义以及作者做的具体工作。1 1 高程测量1 1 1 概述高程是确定地面点位置的基本要素之一，所以高程测量是四种基本测量工作之一，高程测量的目的就是要获得点的高程，但一般只能直接测得两点间的高程差，然后根据其中的一点的已知高程推算出另一点的高程。进行高程测量的主要方法有水准和三角高程测量。水准测量是利用水平实现来测量两点间的高差。由于水准测量的精度较高，因此在高程测量中这是最主要的方法。三角高程测量通过测量两点间的水平距离( 或斜距) 和竖直角( 即倾斜角) ，然后利用三角公式计算出两点间的高差，三角高程测量一般精度较低，只是在适当的条件下才被采用。除了上述两种方法外，还有利用大气压力的变化，测量高差的气压高程测量；以及利用摄影测量的测高等方法，但是此方法较少采用。高程测量的任务是求出点的高程，即求出该点到某一基准面的垂直距离，为了建立一个全国同一的高程系统，必须确定一个统一的高程基准面，通常采用大地水准面即平均海水面作为高程基准面。根据这个基准面得出的高程称为“1 9 5 6 黄河高程系”。为了确定高程基准面的位置，在青岛建立了一个与验潮站相联系的水准原点并测得其高程为7 2 2 8 9 m 。从1 9 8 9 年起，国家规定采用青岛验潮站1 9 5 2 1 9 7 9 年的观测资料，基数按得出的平均海水面作为新的高程基准面，称为“1 9 8 5 国家高程基准”。根据新的高程基准面，得出青岛水准原点的高程为7 2 2 6 0 m ，所以测量高程时应注意到高程基准面的差异。高程测量是按照“从整体到局部 的原则来进行的。就是先在测区内设立一些高程控制点，并精确测量出它们的高程，然后根据这些高程控制点测量附近点的高程。这些高程控制点称水准点，水准点般用混凝土标石制成，顶部第一章绪论嵌有金属或瓷质的标志( 图1 1 ) 。标石应埋在地下，埋设地点应选在地址稳定、便于保存和使用的地方。在城镇居民区，也可以采用把金属标志嵌在墙上的“墙角水准点“。临时性的水准点则可用更简便的方法来设定，例如用刻凿在岩石上的或用油漆标记在建筑物上的简易标志。图1 - 1一、水准测量原理【3 l水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助于带有分划的水准尺，直接测量出地面上两点间的高差，然后根据已知点高程和测量所得的高差，推算出未知点高程。图1 2 为水准测量的原理图。2第一章绪论图1 - 2 水准测量原理如图1 2 所示，a 、b 两点间高差为= a - b( 1 - 1 )假设水准测量是由a 向b 进行的，那么a 点为后视点，a 点尺上的读数a称为后视读数；b 点为前视点，b 点尺上的读数b 称为前视读数。因此，高差等于后视读数减去前视读数。计算未知点的高程1 高差法测得a 、b 两点间高程差后，如果已知a 点的高程日一，b 点的高程日口则可表示为：h b - h a + h a s( 1 2 )这种直接利用高差计算未知点b 高程的方法，称为高差法。2 视线高法如图1 2 所示，b 点高程也可以通过水准仪的视线高程h i 来计算，即一h 一廿i - h 一一a 。+ 一a 一一廿一一li3( 1 3 )第一章绪论这种利用仪器视线高程日：计算未知点b 点高程的方法，称为视线高法。在施工测量中，如果采用视线高法，有时只需安置一次仪器，就测定多个地面点的高程，使用起来比较方便。二、气压高程测量根据大气压力随高程不同而变化的规律，气压计可以作为一种测量高程测量的方法。在气压高程测量中，大气压力一般用水银柱高度( 毫米) 表示。温度为0 时，在纬度4 5 。处的平均海面上大气平均压力约为7 6 0 毫米水银柱( 1 m m h g = 1 3 3 3 2 2 p a ) ，每升高约1 1 米，大气压力减少1 毫米水银柱。一般气压计测量精度可达0 1 毫米水银柱，基本上为1 米的高差。由于大气压力受气象变化的影响较大，因此气压高程测量的精度比较低，通常用于测量精度要求不高的场合。但它的优点是在观测时点与点之间不需要通视，使用方便、经济和迅速。最常用的仪器为空盒气压计和水银气压计。前者便于携带，一般用于野外作业；后者常用于固定测站或用以检验前者。常用的气压计测高差公式为：m 8 4 8 8l o 嗟( “3 6 6 5 丁)式中最，b 2 分别为低站和高站的气压读数；t 为两站的平均温度( ) 。实际应用时，为了简化计算手续，可按上式制成气压高程改正表以便查取。三、三角高程测量f 2 l三角高程测量的基本思想是根据由测站向照准点所观测的垂直角( 或天顶距) 及测站点和照准点之间的水平距离，计算出两个测量点之间的高差。三角高程测量的方法如图1 _ 3 所示，假设a ，b 为位置不同，有高程差的量两点。若已知a 点高程h 一，只需知道a 点对b 点的高程差何仰，畏p 可由h 口一h - + 日朋得到b 点的高程日。4勰骶二黧罗嚣b 案嚣麓于徽荽嚣鬻攀黧蠹v = u t a n _ a ) , “淼蒜霪等毫篇黧麓潞蔗黧翥露罴爨兰跟踪杆，测量垂直角口，并读取仪器高：翥菇蕃：? 鼍等等 ：! 冀? 点竖是水莩善亍言荠! 鬈鬈! 鬈竺警翼釜二。 测量前提有两个：是测量的基准面豢主裟i 德篡巍囊爨整个嚣薹蔷柔豢轰 黧糠婴要繁部分，由主控撇责管取协调霎三善一薹蠹要塞妻麦薹鬻豢i睾) 、监测站( 数据自动收集中心) 和通讯磊荔4 芸磊萎纂罴点：掣曼墨全导航电蒙器篙霈老1 爱囊麓篓淼鬻霎篙嘉芋象篙篡愿鬻荔盏麓，猱5fffffff第一章绪论图1 4g p s 卫星分布不恿图由g p s 定位而得到的三维基线向量，通过g p s 网平差，就能获得高精度的大地高程差。假如能够获得网中具有精确的w g s 一8 4 大地坐标系的一点或多点的大地高程，那么通过g p s 网平差后，就能够得出所有的g p s 点的w g s 一8 4大地高h 。而在实际应用中，我国的国家高程系统采用的是正常高系统，用水准测量阀测定的高即为正常高日，。正常高和大地高的关系为：h ，一h 一亭( 1 5 )显然假如获得各g p s 点的高程异常值台，则容易由各点的大地高求得各g p s点的正常高。但是在实际应用中，要知道高精度的高程异常值台很困难。而一般测区内缺少高精度的g p s 基准点，g p s 网平差后，也就很难获得高精度的大地高h ，故应用式( 1 5 ) 不能够精确计算各g p s 点的正常高。但如果同时用水准测量法测量用g p s 测量过的点上，那么就能获得这些点上的高程异常值告，再内插其他的g p s 测点的高程异常值，就能将各测量点的g p s 大地高转换为各点的正常高，这便是g p s 高程控制测量的一般用途。1 1 2 高程差传感器发展现状分析l 、高程差传感器的类别高程差传感器5 1 0 i t l 3 1 1 2 0 1 是用于检测所测对象高程的传感器，它是属于倾角传感器的范畴。倾角传感器按工作原理可分为摆式( 机械摆、液体摆、气体摆等) 和惯性式加速度计两大类。摆式倾角传感器频率响应比较低，但是这类产品的价格比较低；6第一章绪论惯性式加速度计频率响应高，不过容易受外部环境的影响，传感器的输出不稳定。2 、倾角传感器产品介绍1 6 1目前国内外生产倾角传感器的厂商较少，产品以单轴倾角传感器居多，因为此类产品的分辨力较高。就国外产品而言，主要集中在欧美几家大公司，如英国的c l i n o 公司、美国的c r o s s b o w t e c h n o l o g y 公司、德国的西门子公司、a t m o s工程公司、f e r d e r i k c s 公司以及美国数字公司，这些公司的产品有如下特点：信号输出为数字量、测量精度比较高，体积小、比较轻便，回程误差小，性价比高。如l s 系列产品分辨力可达到1 8 ”，英国c l i n o 。公司s p 系列产品高度只有2 2 m m ，特殊的可达到1 6 m m ，可用于一些特殊场合。而c r o s b s o w 公司c x t a 、美国数子公司a 2 产品均属于数字产品，他们可以通过接口板直接与计算机相连。而国内产品，只有北京信息工程学院等少数生产厂家。如北京信息工程学院生产的膜电位倾角传感器，其产品精度等性能指标在国内较领先，但与国外相比，还有不少差距。作者在查阅资料的的过程中发现，加速度传感器和陀螺仪因为精度高，动态性能优秀，目前在高程测量中得到极为广泛的应用。1 2 课题的来源、要解决的问题及课题的意义1 2 1 课题的来源铁路轨道状态检测装置是铁路运输高速化和管理现代化的重要技术装备，主要用于检测轨向、轨距、高低、水平等轨道几何状态，其中有些项目中的测量必须采用高程测量传感器。大型的轨道检测车能够快速检测铁路轨道动态性能，它是一种现代化检测系统，其核心技术是采用了陀螺仪惯性测量系统，该系统响应时间短，而且测量精度高，可以满足测量系统的需要。目前我国在大型轨道检查车方面己经取得了初步的成果，但由于受大型轨检车成本过高的影响( 该系统的传感器价格非常昂贵，至少也需要十几万元) ，而且大型轨检车开发难度大，操作困难，体积庞大，运营费用高，使用效率不高，这在在很大程度上限制了它的使用。目前全国的大型轨检车数量很少，仅有几十台，其使用仅限于繁忙铁路线的定期检查( 如季度检查) 。轨道检测小车作为一种简便的轨道几何状态检设备，主要是检测轨道静态参数，它能够代替人工拉弦或轨道尺等初级的轨道检测手段，可以全面而且迅7第一章绪论速地得到轨道的位置信息，而且轨道检测小车具有测量准确、结构轻巧、成本低等优点，使得它能广泛的应用在铁路工务中。摆式倾角传感器是利用敏感器件在重力作用下工作的传感器，主要包括主要包括液体摆、固体摆和气体摆倾角传感器，这些传感器普遍存在分辨力低、频响低的问题，所以不能满足实际应用中的实时性要求。国内某些生产轨检仪的公司考虑传感器价格较低而采用了一些倾角传感器，譬如膜电位式或电容式传感器，但这类传感器直接影响轨道的检测速度及高程的测量精度。加速度计式传感器精度与分辨率比价高，动态响应特性好，所以它能满足轨检仪的测量要求。因此，轨检仪系统中大多采用加速度计式的传感器。但是，此类传感器存在两个问题：1 ) 受横( 纵) 向加速度或振动影响非常大；2 ) 价格昂贵，尤其是带机械阻尼的加速度计的进口产品，价格很高。价格与振动影响等问题，制约它在轨检仪高程检测中的应用。本课题研究的直接目标，就是探讨与研究一种能测量三个及以三点以上的高程传感器，这种传感器可直接测量出多个测量点的高程差，它可用于高速铁路板式无砟轨道的调板施工、大型地下油库抄平，也可用于铁路的轨道检测、房屋建筑。在舰船等测控系统工程中也可以发挥其作用。江西日月明研发团队从事机械电子、测试与控制方面的工作，在工作中积累了丰富的知识。在对目前各种倾角传感器及其应用领域深入分析与总结的基础上，他们注意到：现有倾角传感器普遍倾向于小型化，但对于铁道、建筑施工等系统来说传感器的尺寸并不是非常重要的一项指标，而且在某种情况下，小尺度还会给测量的精度带来误差( 因为会形成以d , ；贝1 1 大的现象，出现较大的误差，影响测试系统的精度) 。这个团队从多年的工作经验中，提出了一种以液体为介质，基于液体压力差值的理论的高程测量传感器的技术构想。从理论上讲，由于压力的传递速度和声音在液体中的传递速度相同，其值远远大于液体摆或固体摆等的机械运动速度，这种传感器的频响应高于摆式倾角传感器。而且如果敏感元件的布局合理，就能够从减少加速度对传感器输出信号的影响( 合理的区分静压力和动压力) 。它能直接测量出测量点的高程差，具有线性度好、成本低基本不受加速度影响等一系列优点，特别适用于高速铁路板式无砟轨道板施工进行测量。8第一章绪论1 2 2 前期研究工作的成果与不足 s 1 9 11 、前期研究所取得的成果师兄马小建与方华伟在此课题的前期研究中做了不少工作：1 ) 高程测量传感器的基本工作原理论证。此原理建立在帕斯卡定律之上，具有正确的理论依据，此传感器在理论上可行。2 1 高程测量传感器的设计原则和制作要点。这部分主要是根据构想完成了高程测量传感器的设计，并且根据传感器的结构的不同之处对相关的制作工艺做了针对性的设计。3 l 对高程测量传感器概念样机做了一系列实验。这些实验的结果有效地验证并补充了倾角传感器的相关理论。这些实验表明：1 ) 所研发的高程测量传感器线性度较好，实验结果表明拟合曲线较好，无五次方曲线，四次方为最高，而且实验所得的数据几乎在一条直线上，高次拟合的曲线与线形拟合的曲线几乎重合。2 ) 所研发的压差式测量传感器重复性好而且回程差小。通过实验数据，计算出此传感器标准偏差的最大值为1 0 9 ，重复性误差为1 4 7 ，置信概率为9 9 7 3 ，这些都表明，每个点及拟合曲线基本重合，而且在误差允许范围内。这表征此传感器重复性较好。3 ) 由于高程测量传感器精度要求较高，对压力传感器精度要求相对也较高，其量程要小，但是在实际的测量过程中，往往会出现两个传感器的压力超出所选择的传感器的量程，所以最好选择过载量程大的产品。4 ) 与传统的高程测量传感器相比，性价比更高，而且结构灵活，工程上也便于安装。这些成果说明了高程测量传感器的理论分析是正确的，样机的试制是成功的，为此课题的后续研究提供了珍贵的数据和宝贵的经验。2 、前期研究的不足此课题在前期研究已经取得了一些可喜的成绩，但是，由于时间和实验条件的限制，对传感器的研究还存在一些需待改进的地方：1 ) 传感器对密封性要求非常高，同时要求实验过程中压力稳定，能够在温度变化的情况下而不影响输出。前期研究在这方面没有取得实质性进展，本课题在实验环节中需要设计一套合理的传感器结构及制造工艺，并且结合硅橡胶，9第章绪论共同实现对传感器接头的密封。2 ) 传感器测量范围与传感器耐压之间存在较大的矛盾。由于高程测量传感器精度要求高，故在对传感器选型时，如只按测量范围的要求选择传感器，则能达到较高的精度，之前的研究中，由于选的传感器考虑不足，在预加压过程中出现因传感器过载而致使损坏。3 ) 有一些对传感器性能的有很大影响的结构参数的实验，需要制作各种规格不同的传感器进行实验，但是由于时间等因素的限制，这一部分实验有些没有完全做完，有些还没开始做，主要包括管道直径等参数、液体介质对传感器的时问响应的影响等；之前制作的概念样机由于工艺的限制，在机械结构制作上还存在一定的误差。1 2 3 本文研究的内容在本课题研究的内容主要包括以下几个部分：1 、传感器总体方案设计总体方案设计时，主要考虑以下问题：1 ) 传感器工作过程中的压力稳定性，以及预加载、液体管道的抖动等因素可能造成的压力变化。2 ) 液体介质因温度的变化出现热胀冷缩现象，其产生的压力变化对传感器性能的影响。3 ) 防止液体泄漏等因素对传感器性能产生影响。4 ) 4 8 5 通信网络的稳定性和可靠性问题。2 、传感器电路的设计前期研究中采用了带放大电路的压力传感器，这一方面增加了系统的成本，影响研究成果的实用性，同时也不利于克服温漂、噪声及多个传感器特性不匹配对测量结果的影响。本课题采用了电容压力传感器，将传感器输出信号转换成数字信号，在上位机上通过软件实现对信号的处理。电路部分的工作主要包括电路原理图的设计和印刷电路板的制作。3 、多点高程测量传感器样机的结构设计与制作在样机机械结构设计与制作过程中，主要开展了以下工作：1 0第一章绪论1 ) 选择了一款测量范围满足工作需要，而耐受压力波动或冲击能力又较好的压力传感器，既照顾到了测量灵敏度的要求，又能够有效保护传感器的安全。2 ) 设计压力稳定装置，能够有效抑制温度等因素对传感器性能的影响。3 ) 设计了合理的机械结构，用多种密封方法配合使用，解决前期研究中因液体泄漏而产生的问题。4 、传感器软件部分的设计软件部分主要分为下位机和上位机，下位机主要实现对传感器的信号采集，上位机与上位机的通信，4 8 5 通信网络的构建，实现了对多点高程的测量，上位机对信号的处理。5 、传感器特性实验分析传感器特性试验分析包括：动态特性( 频率响应和阶跃响应) 和静态特性( 灵敏度、分辨力、线性度等特性) 的试验。在本文中，作者针对传感器静态特性做了初步的实验及分析。1 - 2 4 课题的意义研制多点高程测量传感器的科研价值在于：本项目的研究对象是一种直接测量高程差的传感器，适合于轨检仪系统、无砟轨道面板施工检测。通过本项目的研究，不仅建立一种高程测量传感器的理论，而且对多学科交叉、渗透与交流有积极的促进作用。高程差传感器的研制成功，必将对现有传感器结构布局，对测绘工程的应用带来积极的影响。第二章多点高程测量传感器的原理第二章多点高程测量传感器的原理2 1 常用的倾角传感器及其原理【6 1 【1 0 x 1 4 】高程测量传感器与倾角式传感器的测量原理基本类似，都是需要得出所测点的高程关系，倾角传感器根据测量原理的不同可以分为加速度式和摆式两大类，常用的摆式传感器有三种，分别为“液体摆”式、“固体摆 式、“气体摆”传感器，作者就他们的测量原理进行简单的介绍。2 1 1 “液体摆 器件当容器倾斜时，注入其中的液体就会出现液面的移动，从而使得安装在容器内的电容传感器的静电数量产生变化，电介液式倾角传感器就是利用这一原理而制作的，如图2 2 所示。介质i 蔓槔信号调理电路图2 - 2 电介液式倾角传感器传感器里有一个内置的腔体，这个金属腔体是此类传感器的核心器件，金属介质一般为铜或铝，它可以屏蔽外界电场对传感器信号的干扰。腔体有内外两层，电介质液体便灌注在这腔体中，四对电容极板在上下层之间呈对称分布，这就构成了差动电容。当液面发生位移是，差动电容就能够获得两倍的电容变化。为了使得极板和液体介质不直接接触，通常在极板上用塑料薄膜覆盖。传感器处于水平状态时，浸入液体的电极面积是一样的。假如传感器按x 负方向发生倾斜时，浸入在液体介质电极中，1 、4 电极的面积增大，2 、3 电极的面积减少，依照介质的介电常数，气体的介电常数和电介液体的介电常数是不同的，所以液面变化时，电容就会产生变化，这便能测出倾角。如果传感器沿x的正方向出现液面的倾斜式，电极1 、4 浸在电极的面积减小，电极2 、3 的浸1 2第二章多点高程测量传感器的原理入面积增加。依据浸入液体的电极的面积不同，这类传感器不就可以检测电容量变化的多少，而且能判断倾斜的方向。由传感器的输出特性可知，极板的形状对输出特性的线性度是起关键作用，极板形状设计合适，传感的输出特性便成线性状。2 1 2 “固体摆 器件固体摆的原理是，当传感器出现倾斜时，摆锤在拉力和重力的作用下，就能在适当的位置出现力学的平衡，测量此时摆线与垂直位置的角度，便能得出传感器的倾斜角度。如图2 - 1 所示，g图2 1 固体摆式倾角传感器这类传感器的核心元件有摆线、支架，摆锤。摆锤受拉力t 和重力g 的作用，由受力分析易知，合外力f 为：f - g s i n0 = m g s i n0( 2 - 1 )上式中，口为摆线与垂直方向的夹角。当口在很小的一个范围内变化时，一般认为f 与口的关系基本呈现线性。电位器式的倾角传感器就属于摆式器件，它的应用比较广泛。2 1 3 “气体摆黟器件与固、液摆式器件类似，气体在受到气热作用是，就会产生的向上的浮升力，由于热气流一般是在垂直方向，所以气体摆也具有固、液体摆相似的特性。“气体摆”器件主要元件有热线、封闭腔体及腔体内的空气。如果气体摆式器件倾斜，或者倾角传感器受到加速度的作用时，热线的阻值的变化状况出现一1 3第二章多点高程测量传感器的原理定的规律，基本上是加速度或角度0 的函数，具有明显的摆式传感器特性。这类传感器中，气体与热线产生的能量交换是引起热线阻值的变化的原因。( b ) 倾斜状态图2 3 气体摆原理不意图“气体摆 的机理是在密闭腔体中出现了能量交换，其中热线是唯一能的热源。当器件上电后，便对气体加热。通过对流，在密闭的腔体内热线与空气便实现了能量交换。热线是气体摆式传感器的主要敏感元件。当有电流通过热线时，热线便会产生一定的热量，这使得热线能够保持相对稳定的温度。当热线的温度比周围气体的温度高时，气热增加，导致气体向上流动。在水平状态下，如图2 3 ( a )所示，热线处于同一水平面上，穿过它们的气流速度相等，即k = k ，这时，热线受气流的影响相同，所以热线通过的电流也相等，电桥平衡。当传感器发生倾斜时，相对水平面而言，热线的高度发生了变化，如图2 - 3 ( b ) 所示，由于气体在密闭腔体连续的流动，使得热气流在流动过程中，会依次通过下面及上面的热线。气体上升过程中，如果忽略其因克服重力而产生的能量损失，那么气流在穿过上部热线的时，便和下部热线的发生能量交换，这就使得气流通过两根热线的速度不一样，即k k ，所以流过两根热线的电流也就不同，导致电桥失去平衡，便有电信号的输出。假如传感器倾斜角度不同，电信号输出值也不相同。2 1 4 三种摆式传感器的性能比较依据液体摆、固体摆和气体摆原理而制作的传感器，它们性能各有千秋。在重力场中，液体摆的核心元件是电解介质，固体摆的敏感器件是摆锤，而气体摆的核心元件是气流。固体摆传感器有固定的摆心及摆长，原理基本和加速度传感器类似。在实际应用中其产品的类型比较丰富，如电磁摆倾角传感器，1 4第二章多点高程测晕传感器的原理其产品测量精度很高，量程比较大，而抗过载能力很强，广泛应用于武器系统中。气体摆式传感器中，气流是密封腔体内的唯一运动体，由于它的质量较小，所以它在高过载或大冲击时就会产生很小的惯性力，因此具有较强的抗冲击或振动的能力。由于影响气体运动的因素较多，其运动控制较为复杂，使得其精度无法满足军用武器系统的要求。液体摆式传感器的性能介于两者之间，其系统稳定，所以国内外产品广泛应用于高精度系统中。通过固体摆式和气体摆式传感器的原理对比可知，气体摆的加速度a 。，浮升力，浮，比力厂气对应着固体摆的加速度口同，外力e ，比力鬼。表2 - 1 为这两类传感器的参数的比较。表2 1 气体摆和固体摆的参数比较参数气体摆固体摆驱动力浮升力外力比力厂气( 气体单位质厂固( 固体单位介量的浮升力)质的外力)加速度口气( 气体承受咱( 固体承受的的绝对加速度)绝对加速度)相对于以陀螺为核心的惯性测量系统来说，摆式倾角传感器价格较低，而且其性能也能满足一般工业应用的需要，但存在的共同问题是：频响低，0 5 h z为典型值。这是由于摆式的传感器的原理导致的，它是以敏感期间受重力的影响而产生的机械运动来测量倾角的变化值，所以此类的传感器的自身的频率较低。2 2 多点高程测量传感器的工作原理2 2 1 工作原理本课题研究的传感器的原理是液体压力差，而且可以测量多点的高程，故取名为多点高程差传感器。液体摆式倾角传感器之所以频率响应不高，根本原因在于它是液体在重力的作用下液面处于水平状态这一机理来工作，从传感器倾斜到液面恢复水平，需要一定的时间，这就直接影响到传感器的动态性能。多点高程测量传感器是由几段细管和三个压力传感器组成，与传感器相连的细管中充满液体介质。将压力传感器零点与增益调节成一致后，测量各个传1 5第二章多点高程测量传感器的原理感器的压力值。测量过程中，可以将其中的一个传感器固定在国家水准点上，另外的传感器放在所要测量点的位置上，通过测量其它点与固定在水准点的压力差，得出它们之间的高程关系，从而实现对多点的高程测量。图2 4 为两个测量点的原理示意图液体图2 - 4 ( a ) 高程测量传感器平衡工作示意图图2 4 ( b ) 高程测量传感器倾斜工作原理示意图传感器的测量原理如下：当两传感器处于同一水平时，压力传感器测量的压力是一样的，由于两端的压力传感器的输出性能相同，那么其输出电压值相同。根据帕斯卡定理，那么两个传感器的间的压力差为0 。当两个测量点的高程不同时，传感器得到的压力值将发生变化，一侧压力减少，另外一头的压力值增大。由帕斯卡定律，两端传感器的压力差为：a p | p 双g h易知，测点之间的高度差h 与传感器压力差成正比，所以：h a p j d 液g电子在电路中定向流动，便形成了电流。电流在电路的传输中并不等于电子的流动速度，它的速度和光速相同。与电流的原理类似，以液体作为介质，如果利用压力波来传递压力，由于压力波在液体的传递速度基本等于声音在液1 6第二章多点高程测量传感器的原理体中的传播速度，那么传感器的响应时间将会远远小于依靠液面变化而制作的液电介质倾角传感器响应时间。这种多点高程测量传感器在某些需要直接测量高度的场合下，具有明显的优势，它可直接高度差，比用倾角传感器通过测量角度而换算成为高差更直接，而且几个压力传感器测量点之间位置是可调的，这就能避免角度转换成高度差时出现以小测大的误差。如在无砟轨道板的状态检测中，测量点的水平位置是用高度差表示的，多点高程测量传感器在测量轨道板施工时，这种优点就体现的非常明显。以d , n 大问题是指：假如倾角传感器的测量精度为1 0 ，测量点的水平间距离为1 0 0 r a m ，则测量高程误差为：1 0 0 xt a n1 0 ：1 7 5 r a m而两测点的水平距离为5 0 0 m m 时，那么倾角传感器测量误差为：5 0 0 xt a n l o ：8 7 5 m m若采用多点高程传感器，其精度为2 m m ，测量点间的压力差值不会因为测量距离的改变而发生变化，也就是说测量精度不会因测量距离而改变，所以，当测点的距离由1 0 0 m m 变为5 0 0 m m 甚至1 0 0 0 m m ，此传感器的测量误差不会变大。2 2 2 传感器的数学模型为了建立高程测量传感器数学模型，作如下假设：1 、传感器1 4 1 1 5 1 为硅压力传感器，电路部分是全桥电路，传感器信号的输出如下：u = 等一铋zj r c r u o ( 2 - 2 )令k l ；刀，则：【，。等u 。k 1 盯( 2 - 3 )尺1依据前面的理论，易知：1 7第二章多点高程测量传感器的原理a ptp 液g h其中g 为重力加速度，p 液为液体介质的密度。设k 2 = p 液g ，那么a p = 七2 h因为a p 是传感器的压力值，那么p 即为传感器受到的压力仃，综合以上等式u 可为：u ；x u o p 液g htk l k 2 h ( 2 - 4 )2 、电路部分假设分为四部分，电路示意图如图2 5 所示：图2 5 电路不意图这里简要介绍下这四部分电路的功能，开始的电路为前置放大部分，主要是对传感器的微弱信号实现放大功能。紧跟的电路为电压跟随器，电压跟随器的输入阻抗高，而对后级电路呈低阻，主要是实现对前后级电路隔离功能。随后为电压比较器和低通有源滤波器的组合。最后一部分的电路为一阶低通滤波器，主要用于消除高频信号。以上电路的信号输入输出关系如下：第一部分是前置放大电路，如果输入电压u ，输出电压为u ，则：玑= g u其中g 为电路的放大倍数。接下来的电路为电压跟随器，设输入电压阢，输出电压为u ：，则：叫卜老卜u，第三部分为低通电压比较器与有源滤波器的组合，设输出电压为以。有：u 3t4 u 2式中以为放大倍数。电路最后的那部分是低通滤波器，主要是减少外部的高频信号的干扰，电压的输出值以和第三部分相同。有：1 8第二章多点高程测量传感器的原理u 。一a 3 u 3 = 4 4 u 2 = 4 4 u l( 2 6 )所以传感器的信号u 。与高度差h 之i b j 的关系为：u 总= u 4 一( - u 4 ) 。2 u 4 = 2 a 2 a 3 g ：c v p 液g s = 2 t 七2 g a 2 4 h( 2 7 )其中g 、为常量，万、v 的值由所选用的传感器的类型决定，当电路确定各电子元器件的值后，a z 、a 3 、g 是常数，易知，概念样机的电信号输出值和测量点的高程差之间成为线性关系。为简化输入输出关系，即可建立如下数学模型：u = k h式中：h 输入高度差；u 总_ 出电压；k 线性系数( 七一2 缸七：啦4 ) ；2 2 3 高程测量传感器的性能1 、线性度由高程测量传感器的数学模型，可以看出：当输出量为高程差时，该传感器的特性基本上成线性分布。目前，其它倾角传感器的输出量为角度，在小角度情况下为近似线性传感器，这是本高程测量传感器的一个重要的特点。对于需要直接得到高程的轨道板施工而言，这种特性的优势非常明显。2 、灵敏度由数学模型，高程测量传感器的灵敏度为：k = 碱七：g 4 以故影响高程差传感器的灵敏度主要因素是：( 1 ) 毛由上述知，k ，一万砜，故k 。与供给压力传感器电压值有关，也和压力传感器的压阻系数有关，提高压力传感器的供电电压，便能提高传感器灵敏度。( 2 ) 七2由上述分析知，k ：= p 液g ，由于重力加速度g 是不变的，所以k ：只与p 液有关，液体介质的密度越大，k ，越大，高程测量传感器的灵敏度就更高。( 3 ) g 、4 、41 9第二章多点高程测量传感器的原理g 、4 、a 为电路部分的放大倍数，高程差传感器的灵敏度随着放大倍数g 、4 、4 的增大而增大。由上述分析可知，传感器的灵敏度取决于以下几个因素：a ) 压力传感器的供电电压b ) 压力传感器的压阻系数c ) 电路的放大倍数d ) 液体介质的密度。当上述参数的值越大，传感器的灵敏度越高。3 、响应时间响应时间是传感器一项非常重要的指标，影响高程测量传感器的响应时间主要有以下几方面的因素：( 1 ) 压力传感器感受应变的响应时间。以往的研究表明，压力波在介质中传播速度和声波速度是相同的。当它通过基底、胶层( 两者都很薄，为几微米，可忽略不计，) 和栅长，而时，会因应变计的响应出现时间的滞后。应变计的时间滞后对动态( 高频) 测量的影响更加明显，工作频率限t 为：、，m 缸：二丽r t l式中：f _ 一栅长m 传感器的测量精度；v 压力应变波在介质中的传播速度；即压力传感器的响应时间为：1n r lf ；= 2 v 6 e l假如压力传感器没有采用胶粘连接，滞后时间非常短暂。( 2 ) 压力波在管道的传递时间。这部分的时间由管道的长度和压力波在管道中传递速度决定。假设传感器两测点最大间距为，压力波在液压油中的传播速度u ，则压力波在管道传递中的响应时间为：第二二章多点高科测量传感器的原理lt l = h( 3 ) 电路的响应时间。由于电流的传递速度和光速基本接近，而且用于传递电信号的线路较短，故此响应时间t ，可忽略不计。所以，高程测量传感器的响应时间t 为：l死t扫”铲”铲叫v l 丽所以，传影响感器的响应时间的主要因素是：管道的长度，响应时间随着管道的变长而增大。压力传感器的响应时间。压力波在介质中传播速度和声波的速度类似的。那么，可以得到在液压油中的传播速度近似为4 5 x 3 4 0 m s 一1 5 3 0 m s假设：传感器中的两个测头的最大距离为5 米；压力传感器的精度为0 2 f s ；栅长z 为l m m ；压力波在介质的传播速度y 为3 0 0 0 m s ；那么其响应时间为：生+?坚；土+兰：!兰兰丝：3588mt8 2 s m s= + = = = + = = = = = = = ，v lv 4 6 e 1 3 5 03 0 0 0 x4 6x0 0 0 3而事实上，传感器的响应时间比上述值要大，主要是没有考虑以下因素：认为压力波在液体的传输过程中其速度不受液体纯度的影响。没有考虑压力波受机械结构( 如接头、管道内有凸凹点等) 的影响。在计算压力波时忽略了高次项，并且认为其低次项比较理想。略去了电路的响应时间。由于电路的焊点、集成块与集成块连接等的影响，实际中电流传递亦会有一定的响应时间。2 2 4 多点高程测量传感器与现有传感器比较本课题所要研究和分析的高程差传感器是一种可直接测量多点高程的传感器，它完全不同于摆式和加速度计式倾角传感器以及以陀螺仪为核心的惯性式2 1第二章多点高程测量传感器的原理水平测量平台，在原理上属于一种创新。从应用的角度讲，它突破了结构的限制：现有倾角传感器的体积的越来越小，但是用长距离测量时分辩率就会降低。本课题多点高程测量传感器可对信号进行直接转换，不存在因为所测点距离的增多而致使误差增大的问题，对于长距离的测量，多点测量传感器具有明显的优势。第三章多点高程测量传感器的机械结构设计第三章多点高程测量传感器的机械结构设计高程差传感器工作原理是基于二个压力传感器的压力差值变化，而压力传感器型号的选择及高程差传感器结构的设计在很大程度上会影响传感器的性能。这一章主要介绍选择的压力传感器，以及传感器机械结构部分的设计。3 1 压力传感器选型3 1 1 多点高程测量传感器的结构框图多点高程测量传感器是由三个结构完全相同的压力传感器及管道连接而成。二端高度差的变化引起传感器压力差值的变化，通过电路的设计将压力差值的变化转换成电压的差动变化，进而检测出与该高度差相关的输出。