CN103913597B - 一种陀螺加速度计浮子对中监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陀螺加速度计浮子对中监测系统，该监测系统包括磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路、直流电源及功率电源、温控电路和温控电路电源，温控电路用来控制外部加速度计内部浮液的温度在设定的范围内，磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路包括N个位置测量及功率控制电路、多路选通器，相敏解调电路和控制器等，其中每个位置测量及功率控制电路包括位置测量电桥、电平转换电路，功率三极管和电荷泄放电路，外部交流电压信号分别输入位置测量电桥的两路，电桥两路的交流电压信号随外部电感的变化而变化；该监测系统可以提高测试效率及自动化水平，减少人工计数与计算带来的出错情况，节约时间和人力成本，且显著提高电感测量的精度。

Description

一种陀螺加速度计浮子对中监测系统

技术领域

本发明涉及采用磁悬浮技术进行辅助支承的液浮陀螺加速度计中，一种用以测量浮子对中情况的测试系统，特别是涉及一种陀螺加速度计浮子对中监测系统。

背景技术

磁悬浮支承技术是三浮惯性仪表的关键技术之一。在三浮陀螺加速度计中，磁悬浮技术应用在对内环轴的辅助支承上。通过磁悬浮支承，使三浮加表的浮子分别沿内环轴、外环轴和自转轴定中心，起到完全脱离机械接触，消除内环轴上的摩擦力矩，克服浮子的重浮力残差，从而提高仪表精度的作用。

磁悬浮支承是通过加表外部的磁悬浮电路控制内部的磁悬浮元件来实现的。磁悬浮元件分为轴向定子、径向定子、轴向转子、径向转子四种，其中定子上绕有线圈，通电流后定转子间产生电磁力，可使浮子产生运动，从而调整其位置。磁悬浮电路以脉冲调宽的方式控制磁悬浮定子元件中的电流，从而达到控制浮子位置的目的。目前的加速度计浮子对中监测系统均采用手工操作，消耗大量的时间和人力，效率较低。同时，在测量浮子位置信号时，由于测量电路与功率电路存在电气连接，测量时受到功率电路的影响，测量精度难以提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种陀螺加速度计浮子对中监测系统，该监测系统可以提高测试效率及自动化水平，减少人工计数与计算带来的出错情况，节约时间和人力成本，且显著提高电感测量的精度。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种陀螺加速度计浮子对中监测系统，包括磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路、直流电源及功率电源、温控电路和温控电路电源，其中直流电源及功率电源为磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路供电，温控电路电源为温控电路供电，温控电路与外部加速度计连接，用来控制加速度计内部浮液的温度在设定的范围内，磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路也与外部加速度计连接，所述磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路包括N个位置测量及功率控制电路、多路选通器，前置放大器，相敏解调电路，限幅电路和微控制器，其中每个位置测量及功率控制电路包括位置测量电桥、电平转换电路，功率三极管和电荷泄放电路，其中：

位置测量电桥：包括电阻R1、电阻R2、可调电阻R3和三组共六个继电器开关A1、A2、B1、B2、C1、C2，其中电阻R1、继电器开关A1、继电器开关B1、继电器开关C1依次连接形成电桥的一路，电阻R2、可调电阻R3、继电器开关A2、继电器开关B2、继电器开关C2依次连接形成电桥的另外一路，电桥的两路并联连接，继电器开关B1、B2分别与功率三极管连接，继电器开关C1、C2分别与外部加速度计的电感连接，外部交流电压信号分别输入电桥的两路，电桥两路中的交流电压信号随外部电感的变化而变化，且所述电桥两路中的交流电压信号分别从继电器开关A1、C1之间，继电器开关A2、C2之间输出给多路选通器；

电平转换电路：把微控制器输出的0伏和5伏电平控制信号转换为-15V或+15V电压控制信号，并输出给功率三极管；

功率三极管：接收电平转换电路输出的电压控制信号，产生控制电流输出给外部电感；

电荷泄放电路：将位置测量电桥中产生的尖峰脉冲电压消除，防止尖峰脉冲电压对电路的不良影响；

多路选通器：将N个位置测量及功率控制电路输出的交流电压信号以分时的方式进行选通，使所述交流电压信号按设定的时间顺序依次从多路选通器的输出端输出给前置放大器；

前置放大器：接收多路选通器输出的交流电压信号，对所述交流电压信号进行放大，并转换为对地的单端信号输出给相敏解调电路；

相敏解调电路：接收前置放大器输出的交流电压信号，并转化为与所述交流电压信号呈正比关系的直流电压信号，将所述直流电压信号输出给限幅电路；

限幅电路：接收相敏解调电路输出的直流电压信号，将所述直流电压信号的幅值限制为要求的幅值；

微控制器：接收限幅电路输出的直流电压信号，对所述直流电压信号进行计算处理，产生0伏和5伏电平的控制信号，将所述控制信号分别输出给位置测量及功率控制电路中的N个电平转换电路；

其中N为正整数，且N≥1。

在上述陀螺加速度计浮子对中监测系统中，电平转换电路包括比较器芯片，微控制器输出的加力控制信号输入至比较器芯片的一个输入端，+2.5V的固定电平输入至比较器芯片的另一个输入端；当加力控制信号为高电平+5V时，比较器芯片输出+15V，当加力控制信号为低电平0V时，比较器芯片输出为-15V；比较器芯片输出的电平信号经电阻R11后与功率三极管的基极相连，功率三极管的发射极与外部电感的输入端相连；功率三极管的集电极通过限流电阻R12与-5V电压相连。

在上述陀螺加速度计浮子对中监测系统中，电荷泄放电路包括一个电荷泄放电阻R3或R4，第一电压调整二极管V1或V3，第二电压调整二极管V2或V4，电荷泄放电阻R3或R4的一端与外部电感的输入端相连，电荷泄放电阻R3或R4的另一端与第一电压调整二极管V1或V3的阳极相连；第一电压调整二极管V1或V3的阴极与第二电压调整二极管V2或V4的阴极相连，第二电压调整二极管V2或V4的阳极与外部电感的接地端相连。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

（1）、本发明创新提出一种陀螺加速度计浮子对中监测系统，该监测系统包括多个位置测量及功率控制电路，每个电路中包括一个位置测量电桥，位置测量电桥由三组继电器开关、两个固定电阻和一个可调电阻组成，位置测量电桥与外部电感连接，通过位置测量电桥的巧妙设计将电感量的变化准确传输给多路选通器，显著提高电感测量的精度；

（2）、本发明陀螺加速度计浮子对中监测系统整体结构设计显著提高了测试效率及自动化水平，减少人工计数与计算带来的出错情况，节约时间和人力成本；

（3）、本发明采用了一种匀速释放感性负载内积聚能量的电荷泄放电路。采用两电压调整二极管对接并串联电阻器的形式。当提供给负载的外部电流突然被切断时，为负载内电流的流动提供一个通路，使负载内存储的能量以适当的速度被释放，避免能量过快释放引起的尖峰电压对整个电路的不良影响。

附图说明

图1为本发明陀螺加速度计浮子对中监测系统结构示意图；

图2为本发明磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路结构示意图；

图3为本发明位置测量电桥结构示意图；

图4为本发明多路选通器结构示意图；

图5为本发明前置放大器结构示意图；

图6为本发明限幅电路结构示意图；

图7为本发明微控制器结构示意图；

图8为本发明电平转换电路和功率三极管结构示意图；

图9为本发明位置测量电桥、电荷泄放电路与定子线圈连接电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明陀螺加速度计浮子对中监测系统结构示意图，由图可知本发明陀螺加速度计浮子对中监测系统，主要包括磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路、直流电源及功率电源、温控电路和温控电路电源，其中直流电源及功率电源为磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路供电，本实施例中为±15V直流电源及功率电源，±15V直流电源要求每路最大输出电流不小于0.5A，允许偏差±0.5V。功率电源为固定电源，其标称值根据磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路的具体形式而定，但应尽量小些，一般绝对值不应大于5V，其最大输出电流不小于1A。

温控电路电源为温控电路供电，温控电路与外部加速度计连接，温控电路用来控制加速度计内部浮液的温度在设定的范围内。只有将浮液温度控制在一定的范围内，磁悬浮湿对中测试才能够顺利运行。本实施例中采用带有报警功能的温控电路。

磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路也与外部加速度计连接，如图2所示为本发明磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路结构示意图，磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路包括N个位置测量及功率控制电路、多路选通器，前置放大器，相敏解调电路，限幅电路和微控制器，其中每个位置测量及功率控制电路包括位置测量电桥、电平转换电路，功率三极管和电荷泄放电路，用以对位置测量电桥的参数进行精确调整，从而使陀螺加速度计对中的准确度得到提高。

如图3所示为本发明位置测量电桥结构示意图，由图可知位置测量电桥包括电阻R1、电阻R2、可调电阻R3和三组共六个继电器开关A1、A2、B1、B2、C1、C2，其中电阻R1、继电器开关A1、继电器开关B1、继电器开关C1依次连接形成电桥的一路，电阻R2、可调电阻R3、继电器开关A2、继电器开关B2、继电器开关C2依次连接形成电桥的另外一路，电桥的两路并联连接，继电器开关B1、B2分别与功率三极管连接，继电器开关C1、C2分别与外部加速度计的电感连接，外部固定的交流电压信号分别输入电桥的两路，使电桥两路中的交流电压信号随外部加速度计中电感的变化而变化，电桥两路中的交流电压信号分别从继电器开关A1、C1之间，继电器开关A2、C2之间输出给多路选通器。

如图8所示为本发明电平转换电路和功率三极管结构示意图，电平转换电路把微控制器输出的0伏和5伏电平控制信号转换为-15V或+15V电压控制信号，并输出给功率三极管。如图9所示，电平转换电路包括比较器芯片，微控制器输出的加力控制信号输入至比较器芯片的一个输入端，+2.5V的固定电平输入至比较器芯片的另一个输入端；当加力控制信号为高电平+5V时，比较器芯片输出+15V，当加力控制信号为低电平0V时，比较器芯片输出为-15V；比较器芯片输出的电平信号经电阻R11后与功率三极管的基极相连，功率三极管的发射极与外部电感的输入端相连；功率三极管的集电极通过限流电阻R12与-5V电压相连。

如图8所示，功率三极管接收电平转换电路输出的电压控制信号，产生控制电流输出给外部加速度计的电感，电感接收控制电流后产生电磁力使加速及内部液体中的浮子产生运动，使浮子位移发生变化，使电感值达到设定值。

如图9所示为本发明位置测量电桥、电荷泄放电路与定子线圈连接电路图，由于磁悬浮定子绕组是感性负载，当电流施加或截止的瞬间，会产生尖峰脉冲，电荷泄放电路将位置测量电桥中产生的尖峰脉冲电压消除，防止尖峰脉冲电压对电路的不良影响。电荷泄放电路包括一个电荷泄放电阻R3或R4，第一电压调整二极管V1或V3，第二电压调整二极管V2或V4，电荷泄放电阻R3或R4的一端与外部电感的输入端相连，电荷泄放电阻R3或R4的另一端与第一电压调整二极管V1或V3的阳极相连；第一电压调整二极管V1或V3的阴极与第二电压调整二极管V2或V4的阴极相连，第二电压调整二极管V2或V4的阳极与外部电感的接地端相连。

如图4所示为本发明多路选通器结构示意图，多路选通器的功能是在同时接收到多路差动信号输入的情况下，根据控制信号的变化，最多只能有一路差动信号出现在输出端。通过使用多路选通器，将N个位置测量及功率控制电路输出的交流电压信号以分时的方式进行选通，使这些电压信号按预定的时间顺序依次出现在多路选通器的输出端，并输出给前置放大器。多路选通器的输入信号和输出信号均为差动模拟信号。

如图5所示为本发明前置放大器结构示意图，电路中对传感器进行激磁的一般是交流电压，测量电桥输出的一般是幅值较小的差动交流信号。该信号经多路选通器选通后，需要由前置放大器进行放大，使其达到一定的幅度，同时转换为对地的单端信号，以便于后级电路进行处理。由于前置放大器的信号是差动输入，如果采用普通的运算放大器来实现，如只用一片，无法在正负两个输入端同时实现高阻抗输入；如果用三片级连的方式来实现，在增加电路复杂性的同时，又很难将失调电压控制在较小范围。所以一般不采用普通运算放大器，而是用仪表放大器集成电路来实现前置放大器的功能。

相敏解调电路接收前置放大器输出的交流电压信号，并转化为与所述交流电压信号呈正比关系的直流电压信号，将直流电压信号输出给限幅电路。一般通过相敏解调的方法来实现上述功能，即以激磁信号作为参考信号，与参考信号相位差为0°的输入信号，输出为按比例放大的正的直流信号；与参考信号相位差为180°的输入信号，输出为按比例放大的负的直流信号；与参考信号相位差为90°的输入信号，相应的输出信号为零；与参考信号的相位差为其它值的输入信号，输出信号与两者相位差的余弦值呈比例关系。由于从测量电桥输出的有用信号通常与参考信号同相或反相，因此输入信号经过解调器后，噪声和杂波均被有效滤除。解调器一般以集成电路配以外围无源元件来实现。

如图6所示为本发明限幅电路结构示意图，限幅电路接收相敏解调电路输出的直流电压信号，将直流电压信号的幅值限制为要求的幅值。当输入信号过高或者过低时，通过限幅电路后，输出信号的幅值被限制在一定的范围内。通过使用限幅电路，可以避免后级的微控制器电路输入过高或过低的电压，以防对其造成伤害。限幅电路一般采用开关二极管或电压调整二极管来实现。使用开关二极管主要是利用其导通时正负压降基本不变的特性，使用电压调整二极管主要是利用其反向工作电压基本不变的特性。但要避免选择漏电流大的电压调整二极管，以免影响后级模数转换的精度。

如图7所示为本发明微控制器结构示意图，微控制器接收限幅电路输出的直流电压信号，对直流电压信号进行计算处理，产生0伏和5伏电平的控制信号，将控制信号分别输出给位置测量及功率控制电路中的N个电平转换电路，实现控制功能。对微控制器的要求是具有较快的运算速度，并有足够多的输出口线以同时发送多路控制信号。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种陀螺加速度计浮子对中监测系统，其特征在于：包括磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路、直流电源及功率电源、温控电路和温控电路电源，其中直流电源及功率电源为磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路供电，温控电路电源为温控电路供电，温控电路与外部加速度计连接，用来控制加速度计内部浮液的温度在设定的范围内，磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路也与外部加速度计连接，所述磁悬浮测量电桥桥臂电阻调试用电路包括N个位置测量及功率控制电路、多路选通器，前置放大器，相敏解调电路，限幅电路和微控制器，其中每个位置测量及功率控制电路包括位置测量电桥、电平转换电路，功率三极管和电荷泄放电路，其中：

位置测量电桥：包括电阻R1、电阻R2、可调电阻R3和三组共六个继电器开关A1、A2、B1、B2、C1、C2，其中继电器开关B1、继电器开关C1并联后与电阻R1、继电器开关A1串联形成电桥的一路，继电器开关B2、继电器开关C2并联后与电阻R2、可调电阻R3、继电器开关A2串联形成电桥的另外一路，电桥的两路并联连接，继电器开关B1、B2分别与功率三极管连接，继电器开关C1、C2分别与外部加速度计的电感连接，外部交流电压信号分别输入电桥的两路，电桥两路中的交流电压信号随外部加速度计的电感的变化而变化，且所述电桥两路中的交流电压信号分别从继电器开关A1、C1之间，继电器开关A2、C2之间输出给多路选通器；

电平转换电路：把微控制器输出的0伏和5伏电平控制信号转换为-15V或+15V电压控制信号，并输出给功率三极管；

功率三极管：接收电平转换电路输出的电压控制信号，产生控制电流输出给外部加速度计的电感；

电荷泄放电路：将位置测量电桥中产生的尖峰脉冲电压消除，防止尖峰脉冲电压对电路的不良影响；

多路选通器：将N个位置测量及功率控制电路输出的交流电压信号以分时的方式进行选通，使所述交流电压信号按设定的时间顺序依次从多路选通器的输出端输出给前置放大器；

前置放大器：接收多路选通器输出的交流电压信号，对所述交流电压信号进行放大，并转换为对地的单端信号输出给相敏解调电路；

相敏解调电路：接收前置放大器输出的交流电压信号，并转化为与所述交流电压信号呈正比关系的直流电压信号，将所述直流电压信号输出给限幅电路；

限幅电路：接收相敏解调电路输出的直流电压信号，将所述直流电压信号的幅值限制为要求的幅值；

微控制器：接收限幅电路输出的直流电压信号，对所述直流电压信号进行计算处理，产生0伏和5伏电平的控制信号，将所述控制信号分别输出给位置测量及功率控制电路中的N个电平转换电路；

其中N为正整数，且N≥1。

2.根据权利要求1所述的一种陀螺加速度计浮子对中监测系统，其特征在于：所述电平转换电路包括比较器芯片，微控制器输出的加力控制信号输入至比较器芯片的一个输入端，+2.5V的固定电平输入至比较器芯片的另一个输入端；当加力控制信号为高电平+5V时，比较器芯片输出+15V，当加力控制信号为低电平0V时，比较器芯片输出为-15V；比较器芯片输出的电平信号经电阻R11后与功率三极管的基极相连，功率三极管的发射极与外部加速度计的电感的输入端相连；功率三极管的集电极通过限流电阻R12与-5V电压相连。

3.根据权利要求1所述的一种陀螺加速度计浮子对中监测系统，其特征在于：所述电荷泄放电路包括一个电荷泄放电阻R3或R4，第一电压调整二极管V1或V3，第二电压调整二极管V2或V4，电荷泄放电阻R3或R4的一端与外部加速度计的电感的输入端相连，电荷泄放电阻R3或R4的另一端与第一电压调整二极管V1或V3的阳极相连；第一电压调整二极管V1或V3的阴极与第二电压调整二极管V2或V4的阴极相连，第二电压调整二极管V2或V4的阳极与外部加速度计的电感的接地端相连。