CN110987016A - 一种动力调谐陀螺挠性组件动态特性校准系统 - Google Patents

Abstract

一种动力调谐陀螺挠性组件的动态校准系统，包括信号测量系统和计算分析系统；所述信号测量系统包括振动激励装置、频率发生器、电荷放大器、标准加速度计、工装、解调装置、激光测振传感器、数据采集控制仪；所述计算分析系统，包括FFT变换模块、频域识别模块、动力调谐陀螺动态特性获取模块。本发明利用激光振动传感器进行校准的方法属于绝对校准法，通过直接测量振动台台面的运动量来进行校准。根据校准原理，其校准出的传感器灵敏度是三个基本量—时间、长度和电压的导出量，因此校准结果可以非常精确，同时可以将校准过程中的其他影响因素降到最低。

Description

一种动力调谐陀螺挠性组件动态特性校准系统

技术领域

本发明涉及惯性导航领域，特别涉及陀螺校准系统。

背景技术

目前在陀螺的研制生产中，主要采用两种方法进行校准：计算机仿真法和电动振动台激振法。计算机仿真法是利用计算机仿真，采用频域辨识的方法，获得其频率矩阵，阻尼矩阵和惯量矩阵。也就是振动测试技术中的频域识别方法，识别其模态频率、模态振型和衰减系数；电动振动台激励法是利用电动振动台，以不同的频率对被测系统或者被测零件进行激励，检测其振幅随不同频率的变化情况，观察其是否发生共振，从而获得被测零件或者被测系统的谐振频率。

由于利用计算机仿真是一种纯理论上的分析计算，因此理论计算结果与实际加工、组装好的陀螺特性有一定的差异。由于安装条件和安装位置、加工精度等因素影响，往往会有一定的误差。如果安装位置的一阶谐振频率正好与动力调谐陀螺的频率特性重合，会产生共振的现象，给陀螺的输出带来很大的影响因素，严重的可能会损坏陀螺。

电动振动台激励法，由于被校准的动力调谐陀螺质量较轻，将调谐陀螺安装在电动振动台上时，台面的工装与电动振动台的动圈质量远远大于陀螺自身的质量，因此引入很大的附加质量，实际上对陀螺动态特性的校准结果有可能并不是陀螺自身的真实动态特性。另外由于采用振动传感器来采集陀螺的振动信号，相当于是一种接触式的测量方式，对于传感器的安装位置、校准信号幅值的纯净度等都有着比较严格的要求，校准结果的重复性较差。陀螺在振动时自身产生的信号幅值较小，利用接触法来校准时经常会有采集不到信号的情况，或者是校准信号直接被干扰信号所湮没，导致校准结果失准。因此在实际工作时，对与动力调谐陀螺挠性组件的动态特性校准是一个比较难于解决的问题。

发明内容

为了解决调谐陀螺挠性组件的动态特性校准存在的上述问题，本发明提出了一种动力调谐陀螺挠性组件的动态校准系统。

一种动力调谐陀螺挠性组件的动态校准系统，包括信号测量系统和计算分析系统；所述信号测量系统包括振动激励装置、频率发生器、电荷放大器、标准加速度计、工装、解调装置、激光测振传感器、数据采集控制仪；所述振动激励装置和频率发生器作为振动激励源，产生动力调谐陀螺挠性组件的动态校准所需标准振动信号；所述电荷放大器将标准加速度计输出信号转变为电压信号，并将信号输入到数据采集控制仪当中，实现对振动激励装置的控制；工装主体为金属圆盘形结构，垂直安装在振动激励装置台面上，被校准陀螺通过弹性结构件与工装主体连接，保证动力被校准陀螺安装在工装之后能够完全响应振动激励装置产生的振动信号；激光振动传感器对被校准陀螺和振动激励装置台面的振幅进行测量，激光光路信号通过解调装置将激光振动传感器测量得到的振动信号转变为电压信号，并将电压信号输入到数据采集控制仪；所述计算分析系统，包括FFT变换模块、频域识别模块、动力调谐陀螺动态特性获取模块；所述FFT变换模块对数据采集控制仪采集到的时域信号进行低通滤波，自动读取正弦信号的幅值及频率频域；所述频域识别模块对经FFT变换模块处理后的频域信号进行分析、显示，读取频域信号的幅值、频响分布，得到所需要的频率信号；所述动力调谐陀螺动态特性获取模块，用于实时采集被校准调谐陀螺的一阶到五阶谐振频率，并将采集的谐振频率数据分别以数据报表和数据波形两种方式保存到计算机硬盘上。

进一步，所述的标准振动信号为正弦信号，频率范围从5z到8kHz，频率上限高于动力调谐陀螺动态特性频率。

进一步，所述的低通滤波采用零相位偏移的巴特沃斯型低通滤波器进行滤波。

进一步，所述的动力调谐陀螺动态特性获取模块自动生成谐振频率数据word文档的报告。

进一步，所述的动力调谐陀螺动态特性获取模块对实时采集到的谐振频率信号曲线进行缩放与移动，实现通过游标手动进行信号曲线分析。

进一步，所述的动态校准系统还包括一个温场发生装置，所述温场发生装置包括温箱和温场控制系统；温箱的温度范围-60℃～180℃，温度波动度±2℃，温场均匀度±2℃；温箱顶面设置有透明观察窗，用于激光振动传感器对陀螺进行校准；温箱的底面开有连接孔，用于振动激励装置与温箱连接，对被校准陀螺进行校准；温场控制系统对温箱进行控制，使得温箱的温度、温度波动度、温场均匀度在校准所需的范围内。

进一步，所述温场控制系统设有内置的热电偶及控制面板显示屏，测得的温箱箱体内的温度显示在控制面板上的显示屏上，实时监测温场温度。

利用激光振动传感器进行校准的方法属于绝对校准法，通过直接测量振动台台面的运动量来进行校准。根据校准原理，其校准出的传感器灵敏度是三个基本量—时间、长度和电压的导出量，因此校准结果可以非常精确，同时可以将校准过程中的其他影响因素降到最低。

附图说明

图1是校准系统整体框图，

图2是拓展后可以实现陀螺高低温条件下校准框图，

图3是零相移滤波器原理图

图4是二阶的巴特沃斯型低通滤波器幅频和相频特性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种动力调谐陀螺挠性组件的动态校准系统，如图1所示，包括信号测量系统和计算分析系统。

所述信号测量系统包括振动激励装置、频率发生器、电荷放大器、标准加速度计、工装、解调装置、激光测振传感器、数据采集控制仪。

所述振动激励装置和频率发生器作为振动激励源，产生动力调谐陀螺挠性组件的动态校准所需标准振动信号。该信号为正弦信号，频率范围从5z到8kHz，频率上限高于动力调谐陀螺动态特性频率。所述电荷放大器将标准加速度计输出信号转变为电压信号，并将信号输入到数据采集控制仪当中，实现对振动激励装置的控制。

由于被校准的动力调谐陀螺质量较轻，为减轻试验中附加质量对试验结果的影响，采用工装进行连接。工装主体为金属圆盘形结构，垂直安装在振动激励装置台面上，被校准陀螺通过弹性结构件与工装主体连接，保证动力被校准陀螺安装在工装之后能够完全响应振动激励装置产生的振动信号。

激光振动传感器对被校准陀螺和振动激励装置台面的振幅进行测量，激光光路信号通过解调装置将激光振动传感器测量得到的振动信号转变为电压信号，并将测量电压信号输入到数据采集控制仪。数据采集控制仪自动同步采集各路测试参数。

所述计算分析系统，包括FFT变换模块、频域识别模块、动力调谐陀螺动态特性获取模块。

信号处理过程中，由于信号的多样性和不确定性，很多情况下处理信号时候在时域很难看出信号特点和所需信息。这时需要通过FFT变换，也就是快速傅里叶变换，将信号从时域信号转变到频域信号上去。做快速傅里叶变换前后的信号从本质上是相同的，只不过是在不同基下的不同表现形式。

所述FFT变换模块的作用是对数据采集控制仪采集到的时域信号进行处理，方便后续的计算分析。FFT变换模块自动读取正弦信号的幅值及频率，进行低通滤波，以减小噪声等干扰信号在后续的信号幅值判定中对有用信息引入误差，影响校准准确度。

为了获得更好的相频特性，GB/T20485.13-2007中推荐利用零相移技术设计零相位偏移的巴特沃斯型低通滤波器。原理是先使数字信号序列正向通过滤波器，然后将输出序列在时间轴上翻转，再通过同样的滤波器进行二次滤波，最后将二次滤波后序列再进行时域翻转，即可实现零相位。零相移巴特沃斯型的低通滤器原理图如图3所示，图中X(z)是输入信号z变换，H(z)是一个巴特沃斯低通滤波器传递函数的z变换，Y(z)是输出信号z变换，

Y(z)＝X(z)·H(1/z)·H(z) (1)

式中，Y(z)为输出信号的Z变换，X(z)为输入信号z变换，H(z)为滤波器低通函数的z变换，H(1/z)为滤波器高通函数的Z变换。

当|z|＝1时，即z＝e^jω，代入(1)得到：

Y(e^jω)＝X(e^jω)·H(e^-jω)·H(e^jω) (2)

式中，Y(e^jω)为输出信号的傅里叶变换，X(e^jω)为输入信号傅里叶变换，H(e^-jω)为滤波器低通函数的傅里叶变换，H(e^jω)为滤波器高通函数的傅里叶变换。

由于H(z)为实系数等式，因此H(e^-jω)＝H^*(e^jω)，(H^*(e^jω)是H(e^jω)的复共轭)，所以：

Y(e^jω)＝X(e^jω)·|H(e^-jω)|² (3)

式中，Y(e^jω)为输出信号的傅里叶变换，X(e^jω)为输入信号傅里叶变换，H(e^-jω)为滤波器低通函数的傅里叶变换。

输入数字信号序列频谱的幅度被频率响应函数修改，而相位无变化，实现了零相移滤波。零相移滤波器中进行了二次滤波，多采用二阶的巴特沃斯型低通滤波器。

二阶的巴特沃斯滤波器的传递函数如下：

式中，H(s)为传递函数；ω_n为自然角频率；s为复频率。其频率响应如图4所示。

所述频域识别模块，其作用是通过对FFT变换后频域信号的分析、显示，读取信号的幅值、频响分布，得到所需要的频率信号。在频域信号上进行频域识别，可以看到整个频带内调谐陀螺响应信号的频率分布和幅度分布情况，以及信号的相位特性。相比于时域信号，从频域上能够得到更多的测量信息。

调谐陀螺的谐振频率附近，陀螺响应信号由于共振的影响会放大，反映在频谱内就是一个很明显的尖峰信号。在整个频带范围内，找到第一个尖峰信号，就可以确定调谐陀螺的一阶谐振频率。以此类推，第二个明显尖峰就是陀螺的二阶谐振频率，一直测量到第五阶谐振频率，即完成动力调谐陀螺的动态特性的校准。

所述动力调谐陀螺动态特性获取模块，用于实时采集被校准调谐陀螺的一阶到五阶谐振频率，并将采集的谐振频率数据分别以数据报表和数据波形两种方式保存到计算机硬盘上；自动生成word文档的报告；对实时采集到的谐振频率信号曲线进行缩放与移动，实现通过游标手动进行信号曲线分析。

本发明还预留了扩展功能。当被校准陀螺需要在高低温的环境下进行校准时，通过温场发生装置，得到动力调谐陀螺动态特性在不同温度条件下校准结果。

所述温场发生装置，包括温箱和温场控制系统。

温箱的温度范围-60℃～180℃，温度波动度±2℃，温场均匀度±2℃。温箱顶面设置有透明观察窗，便于激光振动传感器对陀螺进行校准。在温箱的底面开的有连接孔，以方便振动激励装置与温箱连接，对被校准陀螺进行校准。

温场控制系统对温箱进行控制，使得温箱的温度在校准所需的范围内，同时让温度波动度和温场均匀性满足校准的技术要求。

在校准过程中热防护是需要注意的一个重要问题。虽然采用了激光非接触测振方法，但是透过温场发生装置底部的连接孔还是会有热量传递出来。若不加监控防护，流出来的热空气会直接作用于温箱底部的振动激励装置台面，使台面温度升高，设备易发生危险。为此，温场控制系统设有内置的热电偶，测得的箱体内的温度显示在控制面板上的液晶屏上，实时监测温场温度。

本发明的技术方案充分考虑到被校准调谐陀螺的自身结构特性、动态特性频率范围、校准特性技术指标等方面，技术方案设计合理，结构紧凑，操作简便，自动化程度高，可以减少由不同操作人员工作所带来的系统误差，校准结果准确度高，可以充分满足动力调谐陀螺的动态特性校准需求。

Claims (7)

1.一种动力调谐陀螺挠性组件的动态校准系统，其特征是包括信号测量系统和计算分析系统；所述信号测量系统包括振动激励装置、频率发生器、电荷放大器、标准加速度计、工装、解调装置、激光测振传感器、数据采集控制仪；所述振动激励装置和频率发生器作为振动激励源，产生动力调谐陀螺挠性组件的动态校准所需标准振动信号；所述电荷放大器将标准加速度计输出信号转变为电压信号，并将信号输入到数据采集控制仪当中，实现对振动激励装置的控制；工装主体为金属圆盘形结构，垂直安装在振动激励装置台面上，被校准陀螺通过弹性结构件与工装主体连接，保证动力被校准陀螺安装在工装之后能够完全响应振动激励装置产生的振动信号；激光振动传感器对被校准陀螺和振动激励装置台面的振幅进行测量，激光光路信号通过解调装置将激光振动传感器测量得到的振动信号转变为电压信号，并将电压信号输入到数据采集控制仪；所述计算分析系统，包括FFT变换模块、频域识别模块、动力调谐陀螺动态特性获取模块；所述FFT变换模块对数据采集控制仪采集到的时域信号进行低通滤波，自动读取正弦信号的幅值及频率频域；所述频域识别模块对经FFT变换模块处理后的频域信号进行分析、显示，读取频域信号的幅值、频响分布，得到所需要的频率信号；所述动力调谐陀螺动态特性获取模块，用于实时采集被校准调谐陀螺的一阶到五阶谐振频率，并将采集的谐振频率数据分别以数据报表和数据波形两种方式保存到计算机硬盘上。

2.如权利要求1所述的动态校准系统，其特征是所述的标准振动信号为正弦信号，频率范围从5z到8kHz，频率上限高于动力调谐陀螺动态特性频率。

3.如权利要求1所述的动态校准系统，其特征是所述的低通滤波采用零相位偏移的巴特沃斯型低通滤波器进行滤波。

4.如权利要求1所述的动态校准系统，其特征是所述的动力调谐陀螺动态特性获取模块自动生成谐振频率数据word文档的报告。

5.如权利要求1所述的动态校准系统，其特征是所述的动力调谐陀螺动态特性获取模块对实时采集到的谐振频率信号曲线进行缩放与移动，实现通过游标手动进行信号曲线分析。

6.如权利要求1至5任意一项所述的动态校准系统，其特征是还包括一个温场发生装置，所述温场发生装置包括温箱和温场控制系统；温箱的温度范围-60℃～180℃，温度波动度±2℃，温场均匀度±2℃；温箱顶面设置有透明观察窗，用于激光振动传感器对陀螺进行校准；温箱的底面开有连接孔，用于振动激励装置与温箱连接，对被校准陀螺进行校准；温场控制系统对温箱进行控制，使得温箱的温度、温度波动度、温场均匀度在校准所需的范围内。

7.如权利要求6所述的动态校准系统，其特征是所述温场控制系统设有内置的热电偶及控制面板显示屏，测得的温箱箱体内的温度显示在控制面板上的显示屏上，实时监测温场温度。

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