CN107702731B - 一种对未知参数陀螺仪的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对未知参数陀螺仪的测试方法，其技术特点是：从惯导系统中分离出陀螺仪输出信号并分离出传感器激磁信号，构建陀螺仪激磁信号电路；从惯导系统中分离出陀螺电机信号，构建陀螺仪电机激励信号电路；使用传感器激磁信号及电机信号作为陀螺仪的激励信号，构建参数匹配的力反馈回路；将陀螺仪激磁信号电路、陀螺仪电机激励信号电路、力反馈回路连接在一起组成陀螺测试系统，对未知参数陀螺仪进行测试。本发明通过对惯导系统中的陀螺仪信号进行分析并设计出满足测试要求的激励信号电路、电机激励信号电路和力反馈回路，实现了对未知参数液浮陀螺仪的精确测试功能，最终提供性能合格的惯导陀螺仪，保障舰艇惯性导航系统正常运行。

Description

一种对未知参数陀螺仪的测试方法
技术领域
本发明属于陀螺仪技术领域，尤其是一种对未知参数陀螺仪的测试方法。
背景技术
惯性导航系统为舰艇航行和武器系统提供位置、姿态和速度等信息，是保障舰艇安全航行和充分发挥武器系统和导弹作战效能的关键系统之一。其中，陀螺仪是系统的关键部件。对于国外进口的惯导系统及液浮陀螺仪，当其性能发生变化，在系统中难于准确分离定位，国内缺少必要的技术资料和检测手段。同时，新引进的液浮惯导陀螺仪在装艇过程中如果不能提前判断出其性能，将影响正常的设备保障工作，严重时甚至会影响全艇任务的执行。
现有的液浮陀螺仪性能测试方法为力反馈测试方法，其基本原理为：根据陀螺效应，沿输入轴IA的角速度输入将会因陀螺力矩作用而使浮子沿输出轴转动，此转动通过角度传感器输出角度信号，设置一力矩平衡电路，将角度信号输出变为成比例的电流量以负反馈形式输给陀螺力矩器，产生力矩与陀螺力矩相平衡，则按照反馈电流的大小及符号可对输入角速度进行准确测量。这种测量方法存在准确性差、可靠性低等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、测量准确且可靠性高的对未知参数陀螺仪的测试方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种对未知参数陀螺仪的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、从惯导系统中分离出陀螺仪输出信号，从陀螺仪输出信号中剥离传感器激磁信号，构建陀螺仪激磁信号电路；
步骤2、从惯导系统中分离出陀螺电机信号，构建陀螺仪电机激励信号电路；
步骤3、使用传感器激磁信号及电机信号作为陀螺仪的激励信号，构建参数匹配的力反馈回路；
步骤4、将陀螺仪激磁信号电路、陀螺仪电机激励信号电路、力反馈回路连接在一起组成陀螺测试系统，对未知参数陀螺仪进行测试。
所述陀螺仪激磁信号电路包括依次连接的比较器、锁相环、带通滤波器、功率放大器并安装在电压振荡器板上；所述比较器的两个输入端与两通道正弦交流电压信号相连接，所述两通道正弦交流电压信号的频率为3.9kHz、幅度为3.7V和5.2V；比较器将输入电压振荡器板的3.9kHz正弦信号变换为方波信号，锁相环电路跟踪输入的3.9kHz频率并输出3.9kHz方波信号，为陀螺信号处理板提供解调用的参考信号；同时锁相环电路输出3.9kHz方波信号经过带通滤波器，转变为正弦信号，为陀螺仪提供激磁信号。
所述比较器采用比较器芯片LM119H；锁相环电路采用精密锁相环芯片CD4046；所述带通滤波器采用四阶带通滤波器。
所述陀螺仪电机激励信号包括电源模块、1200K晶振、2.4K时钟移位电路、激励附加脉冲和充磁脉冲电路、激励附加脉冲和充磁脉冲放大电路、求和变压器和三相马达驱动桥路；所述电源模块的输入端与27V电源相连接并输出30V/15V连接到三相马达驱动桥路上，所述1200K晶振经处理后形成120KHz时钟信号、24KHz时钟信号、2.4KHz时钟信号、六路相移信号、三路相移120度信号、三路相移400Hz驱动ABC高低控制信号至三相马达驱动桥路，为陀螺仪电机线圈的两个相位供电；所述24KHz时钟信号、2.4KHz时钟信号连接到2.4K时钟移位电路，所述2.4K时钟移位电路输出端和2.4KHz时钟信号连接到激励附加脉冲和充磁脉冲电路，该激励附加脉冲和充磁脉冲电路经激励附加脉冲和充磁脉冲放大电路后连接到求和变压器，该求和变压器还与三相马达驱动桥路相连接，由求和变压器输出陀螺仪电机线圈的第三个相位的控制信号，并为陀螺仪线圈的第三个相位供电。
所述反馈回路包括依次相连接的滤波电路、放大电路、解调校正装置和直流放大电路，所述滤波电路输入端与传感器输出浮子信号相连接，直流放大器的输出端通过力矩器与感器输出浮子信号相连接。
所述步骤4的具体方法为：将传感器的输出经过信号处理后直接作用到力矩器上，当陀螺仪绕输入轴有角速率时，浮子将绕输出轴转动，传感器的输出电压经过处理后形成施矩电流反馈给力矩器，与力矩器固连在一起的浮子朝进动的相反方向运动，直到该力矩与陀螺力矩相平衡，使浮子始终工作在零位附近，从而组成闭路系统；通过标准采样电阻将输入力矩器的电流转换为电压，由数字电压表检测后经通讯卡输入计算机解算，便得到陀螺仪的随机漂移性能参数。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其通过对惯导系统中的陀螺仪信号进行分析并设计出满足测试要求的激励信号电路、电机激励信号电路和力反馈回路，实现了对未知参数液浮陀螺仪的精确测试功能，最终提供性能合格的惯导陀螺仪，保障舰艇惯性导航系统正常运行。
附图说明
图1是本发明的陀螺仪激磁信号电路原理框图；
图2是本发明的陀螺仪电机激励信号电路原理框图；
图3是本发明的力反馈回路原理框图；
图4是本发明的测试原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种对未知参数陀螺仪的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、从惯导系统中分离出陀螺仪输出信号，从陀螺仪输出信号中剥离传感器激磁信号(频率及电压)，构建陀螺仪激磁信号电路。
本步骤是根据从陀螺仪输出信号中剥离传感器激磁信号(频率为3.9kHz，电压为8V)，构建如图1所示的测量未知参数陀螺仪的激磁信号电路。该激励信号电路包括依次连接的比较器、锁相环、带通滤波器、功率放大器并安装在电压振荡器板上。
所述电压振荡器板与15V电源相连接，该15V电源为电压振荡器板提供正负15V的工作电源。比较器的两个输入端与电压放大器板(УШ-1B)输出的两通道正弦交流电压信号相连接，两通道正弦交流电压信号的频率为3.9kHz、幅度为3.7V和5.2V。比较器将输入电压振荡器板的3.9kHz正弦信号变换为方波信号，经过锁相环电路跟踪输入的3.9kHz频率，锁相环电路输出3.9kHz方波信号，为陀螺信号处理板提供解调用的参考信号。同时，3.9kHz方波信号经过带通滤波器，变为正弦信号，为陀螺仪提供激磁信号。
在本实施例中，比较器选用高精度、低失调、低漂移比较器芯片LM119H搭成过零较器，能够将输入的3.9kHz正弦信号变为方波信号；锁相环电路采用精密锁相环芯片CD4046，能够跟踪3.9kHz频率，输出方波信号；带通滤波器采用四阶带通滤波器，能够将方波信号变成正弦信号，保证了激磁信号输出电流能力大于150mA，幅值稳定性优于1％，失真度小于1％，满足特制陀螺性能的指标。
步骤2、从惯导系统中分离出陀螺电机信号(驱动电压及频率)，构建陀螺仪电机激励信号电路。
如图2所示，陀螺仪电机激励信号电路主要用来产生陀螺电机的三相电源，该电路包括电源模块、1200K晶振、2.4K时钟移位电路、激励附加脉冲和充磁脉冲电路、激励附加脉冲和充磁脉冲放大电路、求和变压器、三相马达驱动桥路。电源模块的输入端与27V电源相连接并输出30V/15V连接到三相马达驱动桥路上，1200K晶振经处理后形成120KHz时钟信号、24KHz时钟信号、2.4KHz时钟信号、六路相移信号、三路相移120度信号、三路相移400Hz驱动ABC高低控制信号至三相马达驱动桥路，为陀螺仪电机线圈的相位1和相位2供电；同时，24KHz、2.4KHz时钟信号连接到2.4K时钟移位电路，2.4K时钟移位电路输出端和2.4KHz时钟信号连接到激励附加脉冲和充磁脉冲电路，该激励附加脉冲和充磁脉冲电路经激励附加脉冲和充磁脉冲放大电路后连接到求和变压器，同时三相马达驱动桥路与求和变压器相连接，由求和变压器输出相位3的控制信号，并为陀螺仪线圈的相位3供电。
陀螺仪电机激励信号电路使用了1200K的晶体振荡器作为时钟输入。通过计数器产生120KHz时钟信号、24KHz时钟信号、2.4KHz时钟信号，供电路使用。通过解码器和触发器设计，产生三相400Hz的脉冲信号用来控制由MOS管组成的桥路，形成电机基本控制号。
系统接通27V电源，陀螺仪电机激励信号电路开始工作，首先联锁4s左右，然后开始形成用于陀螺电机需要的频率为400赫兹的相位基本控制脉冲电压，这对应于加速方式。19s后，陀螺电机的基本脉冲幅度减小到15.0±0.5V，对应于稳定工作方式。同时接通相位3的附加激励脉冲信号。基本脉冲信号和附加脉冲信号通过求和变压器作用后，输出于相位3。
步骤3、使用传感器激磁信号及电机信号作为陀螺仪的激励信号，构建参数匹配的力反馈回路。
如图3所示，反馈回路包括依次相连接的滤波电路、放大电路、解调校正装置和直流放大，滤波电路输入端与传感器输出浮子信号相连接，直流放大器的输出端通过力矩器与感器输出浮子信号相连接。当接收到陀螺仪的传感器输出浮子信号后，经过滤波、放大、解调后，进入校正装置，在校正装置中调整与俄罗斯陀螺仪匹配的电气参数，经直流放大后，由力矩器施矩，将浮子调整到原始位置。
步骤4、将陀螺仪激磁信号电路、陀螺仪电机激励信号电路、力反馈回路与其它仪器设备一起，组成陀螺测试系统，对陀螺仪进行测试。
如图4所示，将传感器的输出经过信号处理后直接作用到力矩器上，此时当陀螺仪绕输入轴有角速率时，由于陀螺的进动，浮子将绕输出轴转动，此时传感器的输出电压经过处理后形成施矩电流反馈给力矩器，使与力矩器固连在一起的浮子朝进动的相反方向运动，直到该力矩与陀螺力矩相平衡，使浮子始终工作在零位附近，从而组成闭路系统。通过标准采样电阻将输入力矩器的电流转换为电压，由数字电压表检测后经通讯卡输入计算机解算，便可以得到陀螺仪的随机漂移等性能参数。
经过对引进陀螺仪的测试，精度与惯导系统测试精度匹配。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种对未知参数陀螺仪的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、从惯导系统中分离出陀螺仪输出信号，从陀螺仪输出信号中剥离传感器激磁信号，构建陀螺仪激磁信号电路；
步骤2、从惯导系统中分离出陀螺电机信号，构建陀螺仪电机激励信号电路；
步骤3、使用传感器激磁信号及电机信号作为陀螺仪的激励信号，构建参数匹配的力反馈回路；
步骤4、将陀螺仪激磁信号电路、陀螺仪电机激励信号电路、力反馈回路连接在一起组成陀螺测试系统，对未知参数陀螺仪进行测试；
所述陀螺仪激磁信号电路包括依次连接的比较器、锁相环电路、带通滤波器、功率放大器并安装在电压振荡器板上；所述比较器的两个输入端与两通道正弦交流电压信号相连接，所述两通道正弦交流电压信号的频率为3.9kHz、幅度为3.7V和5.2V；比较器将输入电压振荡器板的3.9kHz正弦信号变换为方波信号，锁相环电路跟踪输入的3.9kHz频率并输出3.9kHz方波信号，为陀螺信号处理板提供解调用的参考信号；同时锁相环电路输出3.9kHz方波信号经过带通滤波器，转变为正弦信号，为陀螺仪提供激磁信号。
2.根据权利要求1所述的一种对未知参数陀螺仪的测试方法，其特征在于：所述比较器采用比较器芯片LM119H；锁相环电路采用精密锁相环芯片CD4046；所述带通滤波器采用四阶带通滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种对未知参数陀螺仪的测试方法，其特征在于：所述陀螺仪电机激励信号包括电源模块、1200K晶振、2.4K时钟移位电路、激励附加脉冲和充磁脉冲电路、激励附加脉冲和充磁脉冲放大电路、求和变压器和三相马达驱动桥路；所述电源模块的输入端与27V电源相连接并输出30V/15V连接到三相马达驱动桥路上，所述1200K晶振经处理后形成120KHz时钟信号、24KHz时钟信号、2.4KHz时钟信号、六路相移信号、三路相移120度信号、三路相移400Hz驱动ABC高低控制信号至三相马达驱动桥路，为陀螺仪电机线圈的两个相位供电；所述24KHz时钟信号、2.4KHz时钟信号连接到2.4K时钟移位电路，所述2.4K时钟移位电路输出端和2.4KHz时钟信号连接到激励附加脉冲和充磁脉冲电路，该激励附加脉冲和充磁脉冲电路经激励附加脉冲和充磁脉冲放大电路后连接到求和变压器，该求和变压器还与三相马达驱动桥路相连接，由求和变压器输出陀螺仪电机线圈的第三个相位的控制信号，并为陀螺仪线圈的第三个相位供电。
4.根据权利要求1所述的一种对未知参数陀螺仪的测试方法，其特征在于：所述力反馈回路包括依次相连接的滤波电路、放大电路、解调校正装置和直流放大电路，所述滤波电路输入端与传感器输出浮子信号相连接，直流放大电路的输出端通过力矩器与传感器输出浮子信号相连接。
5.根据权利要求1所述的一种对未知参数陀螺仪的测试方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：将传感器的输出经过信号处理后直接作用到力矩器上，当陀螺仪绕输入轴有角速率时，浮子将绕输出轴转动，传感器的输出电压经过处理后形成施矩电流反馈给力矩器，与力矩器固连在一起的浮子朝进动的相反方向运动，直到该力矩与陀螺力矩相平衡，使浮子始终工作在零位附近，从而组成闭路系统；通过标准采样电阻将输入力矩器的电流转换为电压，由数字电压表检测后经通讯卡输入计算机解算，便得到陀螺仪的随机漂移性能参数。
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