CN113686323A - 一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统及检测方法，包括浮动组件、传感器、力矩器、信号发生器和上位机；所述传感器的输入端与浮动组件相连接，用于采集浮动组件的机械角位移并将其转换成相对应的电信号；该传感器的输出端与力矩器相连接，用于将处理后的电信号输入到力矩器；该力矩器与浮动组件相连接，用于将电流或输入电信号转换成力矩并作用于浮动组件使其发生旋转；所述信号发生器的输出端与力矩器相连接，用于提供低频三角波信号，并将该低频三角波信号输出至力矩器。本发明能够对陀螺仪内部悬浮液是否存在污染物进行准确的识别，对提高陀螺仪可靠性以及故障陀螺仪故障定位的准确性方面效果显著。

Description

一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于悬浮液体污染物检测技术领域，涉及液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测，尤其是一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统及检测方法。

背景技术

液浮陀螺仪是一种利用液体浮力将陀螺仪内部的密封浮动组件浮起的角运动传感器，浮力抵消或减小浮动组件组件的重力，使浮动组件定中支承所受的正压力降低，消除和减小其摩擦力矩，以提高陀螺仪精度，结构如附图1所示。当沿输入轴有角运动输入时，陀螺力矩将使浮动组件绕输出轴转动，力反馈系统遂产生反馈力矩以平衡陀螺力矩，其反馈电流与输入角速度成正比。若浮动组件与壳体之间的悬浮液存在“污染物”，则浮动组件绕输出轴的转动将受到影响，反馈力矩不仅需要平衡陀螺力矩还需要平衡“污染物”导致的摩擦力矩，反馈电流将无法正确反映输入角速度，导致陀螺仪故障。而常规液浮陀螺仪测试多采用力反馈试验法，包括翻滚试验、固定姿态漂移试验和逐次漂移试验等，这些试验侧重陀螺仪参数的测试，且试验条件较为理想，不能对陀螺仪内部悬浮液是否存在污染物进行准确的识别，导致部分陀螺仪交付系统使用后出现故障。

因此，如何研发一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统及检测方法，是本领域技术人员亟待解决的技术难题，经检索未发现相同或相似的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统及检测方法，能够对陀螺仪内部悬浮液是否存在污染物进行准确的识别，进而对有该类故障的陀螺仪进行及时有效筛选。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统，包括浮动组件、传感器、力矩器、信号发生器和上位机；所述传感器的输入端与浮动组件相连接，用于采集浮动组件的机械角位移并将其转换成相对应的电信号；该传感器的输出端与力矩器相连接，用于将处理后的电信号输入到力矩器；该力矩器与浮动组件相连接，用于将电流或输入电信号转换成力矩并作用于浮动组件使其发生旋转；所述信号发生器的输出端与力矩器相连接，用于提供低频三角波信号，并将该低频三角波信号输出至力矩器。

而且，所述传感器的输出端通过运放与力矩器相连接，所述低频三角波信号与传感器输出的解调信号共同施加于运放的输入端，经运算放大器处理后的电信号输出到力矩器，该力矩器产生的旋转力矩使浮动组件按规律缓慢的正、反向等速转动。

而且，所述力矩器还与上位机相连接，该上位机通过主程序中嵌入SCPI语言完成力矩器上反馈电流的实时采集并绘制曲线。

一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测方法，包括以下步骤：

步骤1、测量力矩器的反馈电流，计算得到阻尼力矩；

步骤2、通过记录仪记下反馈电流的轨迹曲线，若曲线上出现了异常的尖峰信号，则说明陀螺仪浮动组件与壳体之间的悬浮液中有污染物存在。

而且，所述步骤1的计算公式为：

在理想的情况下，仅有阻尼力矩M_d：

式中：C——陀螺仪绕输出轴的阻尼系数；

θ——浮动组件绕输出轴的转角。

本发明的优点和有益效果：

本发明是基于陀螺仪闭环状态下的动态全域性测试，弥补了原常规静态测试方法存在的盲区，能够对陀螺仪内部悬浮液是否存在污染物进行准确的识别，对提高陀螺仪可靠性以及故障陀螺仪故障定位的准确性方面效果显著。

附图说明

图1为单自由度液浮陀螺仪的结构原理图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明的的检测曲线图；

附图标记说明：

1.壳体 2.浮动组件 3.传感器 4.浮液 5.力矩器。

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：

一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统，如图1和图2所示，包括浮动组件、传感器、力矩器、信号发生器和上位机；所述传感器的输入端与浮动组件相连接，用于采集浮动组件的机械角位移并将其转换成相对应的电信号；该传感器的输出端与力矩器相连接，用于将处理后的电信号输入到力矩器；该力矩器与浮动组件相连接，用于将电流或输入电信号转换成力矩并作用于浮动组件使其发生旋转；所述信号发生器的输出端与力矩器相连接，用于提供低频三角波信号，并将该低频三角波信号输出至力矩器。

在本实施例中，所述传感器的输出端通过运放与力矩器相连接，所述低频三角波信号与传感器输出的解调信号共同施加于运放的输入端，经运算放大器处理后的电信号输出到力矩器，该力矩器产生的旋转力矩使浮动组件按规律缓慢的正、反向等速转动。

在本实施例中，所述力矩器还与上位机相连接，该上位机通过主程序中嵌入SCPI语言完成力矩器上反馈电流的实时采集并绘制曲线。

所述上位机所绘制的曲线如图3“实测的Md曲线”所示。通过观察实测曲线来判别悬浮液体中是否存在污染物，当实测曲线上出现了尖峰信号，则说明浮动组件外围的悬浮液体中有污染物存在。

图1是单自由度液浮陀螺仪的结构原理图，它主要由壳体1、浮动组件2、传感器3、浮液4、力矩器5组成。

图2是本发明的工作原理图，主要由传感器、相敏解调、高精度三角波信号发生器、功率放大、力矩器等几部分组成。高精度三角波发生器由高精度DA转换器和单片机实现，目的是产生周期较长、线性度极高的可变压、变频的三角波信号。该信号与传感器输出的解调信号共同施加于运放的输入端，陀螺仪浮动组件在其作用下绕陀螺仪输出轴以相应的周期作匀速等幅摆动。三角波信号的周期和幅值可依据不同型号陀螺仪结构参数不同而设定，如限位角、浮动组件间隙及几何尺寸、悬浮液粘度以及对浮动组件摆动的速率要求等。

需要注意的是：三角波信号产生的的浮动组件转动速率必须选择的足够小，以便以高分辨率检测尽可能小的摩擦力矩及其变化，为此要求三角波的周期足够长，一般应大于100秒；合理选择输入三角波的电压，确定其与浮动组件摆动角的对应关系，保证浮动组件的摆动速率为预期的范围；

图3是本发明的检测曲线图，陀螺仪力矩器电流的采集选用数字电压表，通过在计算机主程序中嵌入SCPI语言，完成计算机对测试仪表包括数据精度、采样速率、数据传输等各参数的控制，计算机主程序同时完成陀螺仪各参数和漂移系数的分离计算以及采样数据图形的实时显示。

一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测方法，包括以下步骤：

步骤1、测量力矩器的反馈电流，计算得到阻尼力矩；

步骤2、通过记录仪记下反馈电流的轨迹曲线，若曲线上出现了异常的尖峰信号，则说明陀螺仪浮动组件与壳体之间的悬浮液中有污染物存在。

所述步骤1的计算公式为：

在理想的情况下，仅有阻尼力矩M_d：

式中：C——陀螺仪绕输出轴的阻尼系数；

θ——浮动组件绕输出轴的转角。

在本实施例中，当三角波信号与传感器输出的解调信号共同施加于运放的输入端后，为了保持力矩平衡，陀螺仪浮动组件将产生缓慢的正、反向的等速转动，此时作用在浮动组件上的阻尼力矩与力矩器中的力矩相平衡，测量力矩器的反馈电流，就可得到阻尼力矩。

在理想的情况下，仅有阻尼力矩M_d：

式中：C——陀螺仪绕输出轴的阻尼系数；

θ——浮动组件绕输出轴的转角。

当浮动组件作等速运动时，

为常值。因此，由反馈电流所代表的阻尼力矩呈方波，如图3虚线所示。如有角弹性力矩作用在浮动组件上时，实测的曲线就会倾斜，如图3“实测的M_d曲线”所示，若曲线上出现了异常的尖峰信号，则说明陀螺仪浮动组件与壳体之间的悬浮液中有污染物存在。

本发明的工作原理是：

本发明采用一个低频函数发生器，在力反馈回路运放的输入端外加一个设定周期的三角波信号，要求周期大于100秒且线性度高。在此三角波信号的驱动作用下，为了保持力矩平衡，陀螺仪浮动组件将产生缓慢的正、反向的等速转动，传感器的输出电压也是三角波，此时作用在浮动组件上的阻尼力矩与力矩器中的力矩相平衡，测量力矩器的反馈电流，就可得到阻尼力矩。通过记录仪记下反馈电流的轨迹曲线，若曲线上出现了异常的尖峰信号，则说明陀螺仪浮动组件与壳体之间的悬浮液中有污染物存在。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，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)

1.一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统，其特征在于：包括浮动组件、传感器、力矩器、信号发生器和上位机；所述传感器的输入端与浮动组件相连接，用于采集浮动组件的机械角位移并将其转换成相对应的电信号；该传感器的输出端与力矩器相连接，用于将处理后的电信号输入到力矩器；该力矩器与浮动组件相连接，用于将电流或输入电信号转换成力矩并作用于浮动组件使其发生旋转；所述信号发生器的输出端与力矩器相连接，用于提供低频三角波信号，并将该低频三角波信号输出至力矩器。

2.根据权利要求1所述的一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统，其特征在于：所述传感器的输出端通过运放与力矩器相连接，所述低频三角波信号与传感器输出的解调信号共同施加于运放的输入端，经运算放大器处理后的电信号输出到力矩器，该力矩器产生的旋转力矩使浮动组件按规律缓慢的正、反向等速转动。

3.根据权利要求1所述的一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测系统，其特征在于：所述力矩器还与上位机相连接，该上位机通过主程序中嵌入SCPI语言完成力矩器上反馈电流的实时采集并绘制曲线。

4.一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、测量力矩器的反馈电流，计算得到阻尼力矩；

步骤2、通过记录仪记下反馈电流的轨迹曲线，若曲线上出现了异常的尖峰信号，则说明陀螺仪浮动组件与壳体之间的悬浮液中有污染物存在。

5.根据权利要求4所述的一种液浮陀螺仪的悬浮液体污染物检测方法，其特征在于：所述步骤1的计算公式为：

在理想的情况下，仅有阻尼力矩M_d：

式中：C——陀螺仪绕输出轴的阻尼系数；

θ——浮动组件绕输出轴的转角。

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