CN114858153A - 一种半球谐振陀螺振动状态监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

一种半球谐振陀螺振动状态监测系统及监测方法，它属于半球谐振陀螺振动状态监测技术领域。本发明解决了现有的半球谐振陀螺振动状态监测方式存在振动信息缺失的问题。本发明方法所采取的主要技术方案为：建立包括半球谐振陀螺表头、陀螺控制板卡、转台、转台驱动器、数据采集卡和计算机的半球谐振陀螺振动状态监测系统，转台负责提供角速度输入，陀螺控制板卡负责解算陀螺振动信息并驱动谐振子振动，数据采集卡负责将陀螺振动信号采集到计算机中，计算机负责实时解算出各待监测量，并将其进行显示和保存，以及给转台驱动器发送指令来控制转台。本发明方法可以应用于对半球谐振陀螺振动状态进行监测。

Description

一种半球谐振陀螺振动状态监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于半球谐振陀螺振动状态监测技术领域，具体涉及一种半球谐振陀螺振动状态监测系统及监测方法。

背景技术

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro，HRG)是上世纪60年代出现的一种新型振动陀螺，具有高精度、高可靠性、寿命长、抗冲击性强等优点，是导航级陀螺仪中，体积、重量、功耗最小的一种。与其他陀螺仪相比，半球谐振陀螺仪的结构更加简单，不易损坏，谐振子在真空罩内振动时基本不存在机械损耗，并且即便在突然掉电的情况下仍可以正常工作15分钟以上。所以，相对于其他高精密结构的陀螺仪而言，半球谐振陀螺仪更加耐用，更加适合大批量生产。在全角模式的工作状态下，半球谐振陀螺具有大范围动态输出的特点；在力平衡模式下，半球谐振陀螺具有非常优良的噪声特性。半球谐振陀螺因其具有诸多优点，而被广泛应用于飞航武器、潜艇潜伏、深空探测、通信卫星导航等领域。

半球谐振陀螺具有良好的发展前景，研究半球谐振陀螺对惯性技术的发展，特别是长寿命的空间应用的实施，有着重大的意义。对于一个完整的陀螺系统，需要实时监测其工作状态，观察各个被控量的变化情况，据此来分析陀螺的振动状态，从而能够更好地评估陀螺的性能，为进一步优化陀螺系统提供重要的参考信息。现有的半球谐振陀螺振动状态监测方式多为将硬件处理得到的数据发送到上位机中进行显示，但由于串口数据传输的带宽有限，各个量的更新频率不高，且无法长时间、高采样地输出陀螺状态，这将造成数据的缺失，进而导致陀螺振动信息的缺失，不利于研究者分析陀螺在各个时刻的振动状态。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的半球谐振陀螺振动状态监测方式存在振动信息缺失的问题，而提出的一种半球谐振陀螺振动状态监测系统及监测方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

基于本发明的一个方面，一种半球谐振陀螺振动状态监测系统，所述系统包括半球谐振陀螺表头、陀螺控制板卡、转台、转台驱动器、数据采集卡和计算机，其中：

所述半球谐振陀螺表头固定在转台台面上，且半球谐振陀螺敏感轴与转台台面垂直；

所述半球谐振陀螺表头内部包含有半球谐振子、驱动电极、检测电极和前端缓冲电路；转台用于为半球谐振陀螺表头的半球谐振子提供角速度输入，半球谐振子与检测电极和驱动电极相连，检测电极与前端缓冲电路相连；前端缓冲电路用于电容-电压转换(C/V转换)，并输出陀螺振动电压信号；

所述陀螺控制板卡上包含有AD芯片、DA芯片及控制芯片；前端缓冲电路分别与AD芯片和数据采集卡相连，AD芯片与控制芯片相连，控制芯片与DA芯片相连；DA芯片的输出再通过驱动电极为半球谐振子提供输入；

数据采集卡用于将陀螺振动电压信号实时采集到计算机中，计算机用于对陀螺振动电压信号进行实时解算，获得反映陀螺性能的各个振动参数，并将各个振动参数进行显示和保存；计算机还通过转台驱动器与转台相连，由计算机发送指令实现对转台的控制。

进一步地，所述半球谐振子二阶振型的谐振频率为7520Hz。

进一步地，所述控制芯片采用FPGA，FPGA用于根据输入的陀螺振动电压信号计算并输出陀螺驱动信号。

进一步地，所述转台的电机采用三相无刷直流电机。

更进一步地，所述数据采集卡为PCIE-1840L高速数据采集卡。

基于本发明的另一个方面，一种半球谐振陀螺振动状态监测系统的监测方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、半球谐振陀螺进入稳定工作状态后，检测电极敏感到半球谐振子的振动状态，即检测到半球谐振子与检测电极间的电容值；

步骤二、前端缓冲电路对检测到的电容值进行C/V转换，得到陀螺振动电压信号；

步骤三、陀螺振动电压信号经过AD芯片采样后进入控制芯片，控制芯片进行解算后得到控制量，并根据控制量生成驱动信号；驱动信号再经过DA芯片输出给半球谐振陀螺表头的驱动电极，以驱动半球谐振陀螺振动；

步骤四、陀螺振动电压信号通过数据采集卡直接采集到计算机中，在计算机中对陀螺振动电压信号进行解调，实时解算出各个振动参数，并将解算出的各个振动参数进行显示和保存；

计算机向转台驱动器发送指令，使转台为半球谐振陀螺提供不同的角速度输入；

步骤五、重复步骤一至步骤四的过程，获得半球谐振陀螺的各个振动参数与外部角速度输入的实时对应关系。

本发明的有益效果是：

本发明能够以较高的频率显示并保存各待监测量的变化情况，从而尽可能完整地展示陀螺的振动状态，有助于更好地分析和评估陀螺的工作状态，为进一步提升陀螺的性能提供重要参考。解决了现有方法因数据传输的带宽有限，各个量的更新频率不高，且无法长时间、高采样地输出陀螺状态，而导致的陀螺振动信息缺失问题。

附图说明

图1为本发明的一种半球谐振陀螺振动状态监测系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实例用于说明本发明的实施方式，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，一种半球谐振陀螺振动状态监测系统，包括：一个半球谐振陀螺表头；一个陀螺控制板卡；一个转台；一个转台驱动器；一个数据采集卡；一个计算机。

半球谐振陀螺表头是整个系统的控制对象；转台负责提供角速度输入；陀螺控制板卡负责解算陀螺振动信息并驱动陀螺振动；数据采集卡负责将陀螺振动信号采集到计算机中；计算机负责实时解算各待监测量，并将其进行显示和保存，以及给转台驱动器发送指令来控制转台。

在一优选实施方案中，所述的半球谐振陀螺表头包含有半球谐振子、驱动电极、检测电极和前端缓冲电路，其中谐振子二阶振型的谐振频率约为7520Hz。

在一优选实施方案中，所述的前端缓冲电路具备电容-电压转换(C/V转换)功能，能够将检测电极电容的变化转换为电压的变化，得到反映陀螺振动信息的陀螺振动电压信号。

在一优选实施方案中，所述的陀螺控制板卡上，含有AD芯片、DA芯片、控制芯片及外围电路。

在一优选实施方案中，所述的控制芯片采用FPGA，能够根据输入的陀螺振动信号计算并输出陀螺驱动信号，以维持陀螺正常的工作状态。

在一优选实施方案中，所述的转台通过转台驱动器与计算机相连，转台的电机采用三相无刷直流电机，选用绝对式圆光栅，配有雷尼绍光栅读数头。驱动器采用ELMO公司的运动控制器，可使用计算机通过其驱动软件Elmo Application Studio II实现对转台的控制。

在一优选实施方案中，所述的数据采集卡能够将陀螺振动信号实时采集到计算机中。选用研华公司PCIE-1840L高速数据采集卡，该设备最多支持4通道同时进行采集，采样速率最高可达每通道每秒钟采集80M个数据点。

在一优选实施方案中，所述的计算机能够将陀螺振动信号实时进行解算，得到反映陀螺性能的各待监测量，并将其进行显示和保存，以及能够给转台驱动器发送指令来控制转台。

在一优选实施方案中，所述的半球谐振陀螺表头固定在转台台面上，并使陀螺敏感轴与转台台面垂直。在半球谐振陀螺表头中，检测电极与前端缓冲电路相连，前端缓冲电路既与数据采集卡相连，又与陀螺控制板卡上的AD芯片相连。在陀螺控制板卡中，信号的流向是经AD芯片到控制芯片再到DA芯片，DA芯片与陀螺表头的驱动电极相连。数据采集卡与计算机相连，转台通过转台驱动器与计算机相连。

利用上述的半球谐振陀螺振动状态监测系统对陀螺的振动状态进行监测时，具体过程如下：

在陀螺进入稳定工作状态后，半球谐振子将维持四波腹振型，检测电极敏感到振子的振动状态，体现为它们所构成电容传感器的电容变化，该变化经前端缓冲电路进行C/V转换后，即得到陀螺振动电压信号。陀螺振动信号一方面经过陀螺控制板卡上的AD芯片采样进入控制芯片，在控制芯片中解算得到控制量并生成驱动信号，驱动信号经DA芯片输出给陀螺表头的驱动电极，来驱动半球谐振子振动；陀螺振动信号另一方面由数据采集卡直接采集到计算机中，在计算机中经过解调算法实时解算出各待监测量，并进行显示和保存。在上述过程中，可以通过计算机向转台驱动器发送指令，使转台为陀螺提供不同的角速度输入，以测试陀螺各项振动参数与外部角速度输入的实时对应关系。

本发明可实现以较高的频率显示并保存各待监测量的变化情况，从而尽可能完整地展示陀螺的振动状态，有助于更好地分析和评估陀螺的工作状态，为进一步提升陀螺的性能提供重要参考。

本发明的上述内容仅为详细地说明本发明的流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种半球谐振陀螺振动状态监测系统，其特征在于，所述系统包括半球谐振陀螺表头、陀螺控制板卡、转台、转台驱动器、数据采集卡和计算机，其中：

所述半球谐振陀螺表头固定在转台台面上，且半球谐振陀螺敏感轴与转台台面垂直；

所述半球谐振陀螺表头内部包含有半球谐振子、驱动电极、检测电极和前端缓冲电路；转台用于为半球谐振陀螺表头的半球谐振子提供角速度输入，半球谐振子与检测电极和驱动电极相连，检测电极与前端缓冲电路相连；前端缓冲电路用于电容-电压转换，并输出陀螺振动电压信号；

所述陀螺控制板卡上包含有AD芯片、DA芯片及控制芯片；前端缓冲电路分别与AD芯片和数据采集卡相连，AD芯片与控制芯片相连，控制芯片与DA芯片相连；DA芯片的输出再通过驱动电极为半球谐振子提供输入；

数据采集卡用于将陀螺振动电压信号实时采集到计算机中，计算机用于对陀螺振动电压信号进行实时解算，获得反映陀螺性能的各个振动参数，并将各个振动参数进行显示和保存；计算机还通过转台驱动器与转台相连，由计算机发送指令实现对转台的控制。

2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺振动状态监测系统，其特征在于，所述半球谐振子二阶振型的谐振频率为7520Hz。

3.根据权利要求2所述的一种半球谐振陀螺振动状态监测系统，其特征在于，所述控制芯片采用FPGA，FPGA用于根据输入的陀螺振动电压信号计算并输出陀螺驱动信号。

4.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺振动状态监测系统，其特征在于，所述转台的电机采用三相无刷直流电机。

5.根据权利要求4所述的一种半球谐振陀螺振动状态监测系统，其特征在于，所述数据采集卡为PCIE-1840L高速数据采集卡。

6.基于权利要求1所述的一种半球谐振陀螺振动状态监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、半球谐振陀螺进入稳定工作状态后，检测电极敏感到半球谐振子的振动状态，即检测到半球谐振子与检测电极间的电容值；

步骤二、前端缓冲电路对检测到的电容值进行C/V转换，得到陀螺振动电压信号；

步骤三、陀螺振动电压信号经过AD芯片采样后进入控制芯片，控制芯片进行解算后得到控制量，并根据控制量生成驱动信号；驱动信号再经过DA芯片输出给半球谐振陀螺表头的驱动电极，以驱动半球谐振陀螺振动；

步骤四、陀螺振动电压信号通过数据采集卡直接采集到计算机中，在计算机中对陀螺振动电压信号进行解调，实时解算出各个振动参数，并将解算出的各个振动参数进行显示和保存；

计算机向转台驱动器发送指令，使转台为半球谐振陀螺提供不同的角速度输入；

步骤五、重复步骤一至步骤四的过程，获得半球谐振陀螺的各个振动参数与外部角速度输入的实时对应关系。

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