CN104819729A - 液浮陀螺系统及其阻尼比补偿测试方法 - Google Patents

液浮陀螺系统及其阻尼比补偿测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液浮陀螺系统和其阻尼比补偿测试方法。所述液浮陀螺系统包括圆柱形的壳体和依次设置在所述壳体内的力矩器、电机、浮筒和信号器，所述液浮陀螺系统还包括补偿电路系统和输出轴，所述输出轴设置在所述壳体设置力矩器一侧的端部，所述补偿电路系统设置在所述壳体外部并与输出轴电连接。本发明提供的液浮陀螺系统及其阻尼比补偿测试方法是为陀螺系统提供一个信号补偿电路，当它敏感液体阻尼元件运动时，便产生一个补偿信号，使陀螺输出的受温度引起的阻尼变化影响的信号得到补偿。

Description

液浮陀螺系统及其阻尼比补偿测试方法
技术领域
本发明涉及陀螺系统控制技术领域，特别是涉及阻尼比随温度变化的液浮陀螺系统及其阻尼比补偿测试方法。
背景技术
各种精密仪表为了精确地工作都需要阻尼，尤其是像陀螺仪，加速度计和其他各种利用质量运动测量速度或其他功能的传感器更需要阻尼。陀螺仪安装在充满油或者其他液体的壳体里，遇到最难的问题是液体粘度。例如硅油的粘度随环境温度而变化。阻尼液粘度的任何变化都将改变阻尼比，从而引起一个测量误差输出信号。例如角速率输入到速率陀螺仪中就是如此。
从前这方面的技术，包括温度或阻尼补偿的若干机械装置，就是用以达到减小陀螺阻尼变化的影响，得到常值阻尼力。然而，在所有这些系统中，补偿随温度变化引起的阻尼比变化，都需要复杂而昂贵的机械装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低成本、操作简单、可靠性高的液浮陀螺系统。
一种液浮陀螺系统，包括圆柱形的壳体和依次设置在所述壳体内的力矩器、电机、浮筒和信号器，所述液浮陀螺系统还包括补偿电路系统和输出轴，所述输出轴设置在所述壳体设置力矩器一侧的端部，所述补偿电路系统设置在所述壳体外部并与输出轴电连接。
在本发明的一种较佳实施例中，所述信号补偿电路系统包括测温传感器。
在本发明的一种较佳实施例中，所述液浮陀螺系统还包括转子、输入轴、自转轴，所述输入轴和自转轴支撑所述转子设置在所述浮筒内。
在本发明的一种较佳实施例中，所述液浮陀螺系统还包括放大器，所述放大器设置在所述壳体外部并分别与所述信号器和力矩器电连接。
本发明还公开一种液浮陀螺系统阻尼比补偿测试方法，该方法包括如下步骤：
确立陀螺仪力反馈速率陀螺的传递函数；
决定陀螺阻尼比的要素；
建立阻尼比补偿的平衡回路的传递函数；
建立电路补偿电路系统；
统计分析测试结果。
在本发明的一种较佳实施例中，所述液浮陀螺系统阻尼主要依靠浮筒转动时与浮液之间形成的剪切阻尼力矩形成，所述陀螺阻尼比的要素包括阻尼力矩和阻尼系数，陀螺的阻尼力矩MD由式MD=                                                确定，阻尼系数D由式D=确定；
其中，式中μ为浮液粘度、l为浮筒长度、r为浮筒半径、δ为浮筒与壳体之间的间隙、v为浮筒绕输出半径相对壳体转动的角速度。
在本发明的一种较佳实施例中，所述平衡回路的传递函数为G1（S）=；
则整个闭环回路的开环传递函数为：
G2（S）= ；
当m1=m2时，
G2（S）=；
选择合适的T1、T2、T3、T4、T5、T6和K值，根据温度调整m2的值，即可满足系统全温范围内阻尼比指标的要求。
其中，式中 H 为电机的角动量、Jx为浮子绕陀螺输出轴的转动惯量、D为浮子的阻尼系数、Ku为传感器系数 、Km为力矩器系数、Kl为放大器的放大倍数。
在本发明的一种较佳实施例中，所述电路补偿电路系统步骤为：温度采集-电压变换-A/D转换-多路模拟开光-校正网络-陷波网络-V/I变换功效-陀螺本体-放大器-相敏调节-校正网络。
相较于现有技术，本发明提供的液浮陀螺系统及其阻尼比补偿测试方法是为陀螺系统提供一个信号补偿电路，当它敏感液体阻尼元件运动时，便产生一个补偿信号，使陀螺输出的受温度引起的阻尼变化影响的信号得到补偿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的液浮陀螺系统的立体结构图。
图2是本发明液浮陀螺系统阻尼比补偿测试方法步骤流程图。
图3是力反馈速率陀螺的方块图。
图4是分段补偿电路原理图。
图5是本发明提供的液浮陀螺系统电路实现框图。
图6是校正电路系统电路图。
图7是电平转换电路图。
图8是陷波器工作电路图。
图9是改进前后数据对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开一种液浮陀螺系统，请参阅图1，是本发明提供的液浮陀螺系统立体结构图。所述液浮陀螺系统1包括圆柱形的壳体11和依次设置在所述壳体11内的力矩器12、电机13、浮筒14和信号器15。
所述液浮陀螺系统1还包括补偿电路系统10、输出轴16、放大器17、转子141、输入轴142、自转轴143和放大器18，所述输出轴16设置在所述壳体11设置力矩器一侧的端部，所述补偿电路系统10设置在所述壳体11外部并与所述输出轴16电连接，所述输入轴142和自转轴143支撑所述转子141设置在所述浮筒14内，所述放大器18设置在所述壳体11外部并分别与所述信号器15和力矩器12电连接，
所述信号补偿电路系统10包括测温传感器（图未视），在平衡回路中增加一个由测温传感器控制的信号补偿电路系统抵消由于浮液粘度随温度变化的阻尼系数量值。
本发明还公开一种液浮陀螺系统阻尼比补偿测试方法,请参阅图2，是本发明液浮陀螺系统阻尼比补偿测试方法步骤流程图。该方法包括如下步骤：
步骤S1，确立陀螺仪力反馈速率陀螺的传递函数；
请参阅图3，是力反馈速率陀螺的方块图。虚线所包围的部分为陀螺本体，根据方块图可以得到陀螺本体（不含控制回路) 的传递函数一般式（1）为：
W（s）== =  
由方块图的结构变换法则，可以得到力反馈速率陀螺的传递函数式（2）如下：
W（s）== = 
由式(2)可得：
力反馈速率陀螺的稳态放大倍数：K=（3）;
力反馈速率陀螺的固有频率：=（4）;
力反馈速率陀螺的阻尼比：（5）;
在上述函数式中，式中 H 为电机的角动量、Jx为浮子绕陀螺输出轴的转动惯量、D为浮子的阻尼系数、Ku为传感器系数、Km为力矩器系数、Kl为放大器的放大倍数。
步骤S2，决定陀螺阻尼比的要素；
所述液浮陀螺系统阻尼主要依靠浮筒转动时与浮液之间形成的剪切阻尼力矩形成，所述陀螺阻尼比的要素包括阻尼力矩和阻尼系数，陀螺的阻尼力矩MD由式MD=确定，阻尼系数D由式D=确定；
其中，式中μ为浮液粘度、l为浮筒长度、r为浮筒半径、δ为浮筒与壳体之间的间隙、v为浮筒绕输出半径相对壳体转动的角速度。
从式（5）～式（7）可以看出，在陀螺设计、制造完成后，其结构参数l、r、δ和物理性能参数Jx、Ku、Km、Kl在一定的温度变化范围内，这些参数是不会发生变化的，因此陀螺的阻尼比主要随浮液粘度μ的变化而变化。
步骤S3，建立阻尼比补偿的平衡回路的传递函数；
从公式（1）中可以看出，陀螺体随温度的变化的量为D(浮子的阻尼系数),是螺传递函数的一个极点。令=m1为了消除浮子的阻尼系数对系统动态性能的影响，设想在陀螺再平衡回路中有一个一界微分环节（S+m2），当工作温度变化时m1=m2恒成立，则一界微分环节（S+m2）与陀螺本体的惯性环节1/（S+m1）相互抵消，从而达到全文工作范围内调控的目的。
所述平衡回路的传递函数为G1（S）：；
则整个闭环回路的开环传递函数为：
G2（S）= ；
当m1=m2时，
G2（S）=；
选择合适的T1、T2、T3、T4、T5、T6和K值，根据温度调整m2的值，即可满足系统全温范围内阻尼比指标的要求。
其中，式中 H 为电机的角动量、Jx为浮子绕陀螺输出轴的转动惯量、D为浮子的阻尼系数、Ku为传感器系数 、Km为力矩器系数、Kl为放大器的放大倍数。
由于m1是随温度在变化，完全做到m1=m2是不可能的，但在工程实现的时候可以将工作温度范围（-55℃～+85℃）分成几个区域段，通过电子模拟开关实现m2的调整，使m2与m1值近似相等。
请参阅图4，是分段补偿电路原理图。为了合理调整m2的值，以提高动态特性的精度，只需调整电容Cx即可，温度信号经A/D转换为8位数字信号，取其高三位送入8选1模拟开关的片选端，在不同的温度下选择不同的电容值，满足调整m2的要求。
步骤S4，建立电路补偿电路系统；
请参阅图5，是本发明提供的液浮陀螺系统电路实现框图。所述液浮陀螺系统电路实现步骤依次为：温度采集-电压变换-A/D转换-多路模拟开光-校正网络-陷波网络-V/I变换功效-陀螺本体-放大器-相敏调节-校正网络。
校正电路包括滞后校正环节和超前校正环节、比例-积分环节、惯性环节、延迟环节电路组成，请参阅图6，是校正电路系统电路图。
所述超前滞后校正环节传递函数为：
        
该超前滞后校正网络采用T型有源比例-微分校正结构实现。其参数如下：
        ,T1=，T2=，T3=
所述惯性环节传递函为:
F(S)=
其参数如下：T4=C3R9、T5=C4R12、T6=C5R18
延迟环节传递函为:
F(S)=       
其参数如下：；
在本实施例中，所述测温传感器使用AD公司生产的AD22100，该传感器具有线性输出温度系数，其输出信号幅度通常比其它各类型传感器高得多,更不易受噪声和干扰的影响。AD22100输出电压22.5 mV/℃，测温范围–55℃～+150℃，全温范围测温误差小于0.02℃，输出电压线性度优于1%。
请参阅图7，是电平转换电路图。采用了无限增益低通滤波电路与一个减法电路实现。将热敏电阻检测到的温度电压通过低通滤波放大，放大后的信号通过减法变换电路，将信号变换到满足A/D转换要求的电平电压，输入到A/D的模拟输入口。
请参阅图8，是陷波器工作电路图。在陀螺工作时，为了减低陀螺输出的噪声，消除陀螺仪转子1倍频干扰。回路中采用陷波器网络，从而有效改善了速率陀螺组件输出特性，电路原理图如图1所示。中心频率通过调整R1、R2、R3、C1、C2、C3的值来实现。
步骤S5，统计分析测试结果。
在本发明提供的实施例中，按照《GJB669-1989速率陀螺仪试验方法》对3套某型速率陀螺组件在-55～+85℃温度范围内分别进行了性能指标测试。请参阅图9，是改进前后数据对比图。常温为(20±5)℃，低温为(-55±2 )℃，高温为(85±2)℃；ωb为-3dB频率，ωn为固有频率。
改进前速率陀螺组合带宽频率是18Hz～137Hz，固有频率67Hz～75Hz阻尼比为0.36～2.8，带宽频率不同温度下相差较大，回路噪声较大；改进后速率陀螺组合的固有频率70Hz～73Hz，带宽频率是105Hz～111Hz，阻尼比为0.7士0.1，带宽频率基本稳定，固有频率与带宽频率比较接近，回路噪声得到有效的降低。
本发明提供的液浮陀螺系统和其阻尼比补偿测试方法，增加了一个电子线路，用以补偿受温度变化影响的速率陀螺输出信号，当固有频率保持不变时，大约在-55℃～+85℃的温度范围内，达到临界阻尼的总特性约0.7±0.2，而经过补偿的输出信号，其振幅和相位均不受液体粘性变化的影响。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种液浮陀螺系统，包括圆柱形的壳体和依次设置在所述壳体内的力矩器、电机、浮筒和信号器，其特征在于，所述液浮陀螺系统还包括补偿电路系统和输出轴，所述输出轴设置在所述壳体设置力矩器一侧的端部，所述补偿电路系统设置在所述壳体外部并与输出轴电连接。
2.根据权利要求1所述的液浮陀螺系统，其特征在于，所述信号补偿电路系统包括测温传感器。
3.根据权利要求1所述的液浮陀螺系统，其特征在于，所述液浮陀螺系统还包括转子、输入轴、自转轴，所述输入轴和自转轴支撑所述转子设置在所述浮筒内。
4.根据权利要求1所述的液浮陀螺系统，其特征在于，所述液浮陀螺系统还包括放大器，所述放大器设置在所述壳体外部并分别与所述信号器和力矩器电连接。
5.一种液浮陀螺系统阻尼比补偿测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
确立陀螺仪力反馈速率陀螺的传递函数；
决定陀螺阻尼比的要素；
建立阻尼比补偿的平衡回路的传递函数；
建立电路补偿电路系统；
统计分析测试结果。
6.根据权利要求5所述的液浮陀螺系统，其特征在于，所述液浮陀螺系统阻尼主要依靠浮筒转动时与浮液之间形成的剪切阻尼力矩形成，所述陀螺阻尼比的要素包括阻尼力矩和阻尼系数，陀螺的阻尼力矩MD由式MD=                                               确定，阻尼系数D由式D=确定；
其中，式中μ为浮液粘度、l为浮筒长度、r为浮筒半径、δ为浮筒与壳体之间的间隙、v为浮筒绕输出半径相对壳体转动的角速度。
7.根据权利要求5所述的液浮陀螺系统，其特征在于，所述平衡回路的传递函数为G1（S）=；
则整个闭环回路的开环传递函数为：
G2（S）= ；
当m1=m2时，
G2（S）=；
选择合适的T1、T2、T3、T4、T5、T6和K值，根据温度调整m2的值，即可满足系统全温范围内阻尼比指标的要求；其中，式中 H 为电机的角动量、Jx为浮子绕陀螺输出轴的转动惯量、D为浮子的阻尼系数、Ku为传感器系数 、Km为力矩器系数、Kl为放大器的放大倍数。
8. 根据权利要求5所述的液浮陀螺系统，其特征在于，所述电路补偿电路系统步骤为：温度采集-电压变换-A/D转换-多路模拟开光-校正网络-陷波网络-V/I变换功效-陀螺本体-放大器-相敏调节-校正网络。
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Address before: 721006 No. 43 Xibao Road, Weibin District, Baoji City, Shaanxi Province

Patentee before: Shaanxi Aerospace Navigation Equipment Co., Ltd.