CN116817971A - 一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二浮陀螺的测试装置及测试方法，具体涉及一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置及测试方法，用于解决现有的组合传感器测试需要对传感器参数和力矩器参数在不同的测试台进行分别测试，不仅效率低，而且会引入不确定的安装误差，以及与实际工作工况存在差异的不足之处。该二浮陀螺组合传感器一体化测试装置包括测试组件、电源、数据采集处理单元和上位机；本发明可以实现组合传感器的传感器参数、力矩器参数的一体化测试，具有较高测试效率，并且可以通过上位机标定组合传感器零位测试基点，与对定子转子刻线相比重复性更好，精度更高。

Description

一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及二浮陀螺的测试装置及测试方法，具体涉及一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置及测试方法。

背景技术

二浮陀螺由于其高精度、高可靠性，长寿命等特点广泛应用于宇航空间站中，其结构示意图如图1所示。由图1可以看到，二浮陀螺主要由浮子组件01、组合传感器02及其他陀螺结构件组成。二浮陀螺相较于其他陀螺有两大优势，一是浮子组件里的电机使用动压气浮轴承，二浮陀螺开机后轴承几乎没有损耗，因此理论工作寿命可以达到无限长；二是反馈元件把传感器和力矩器组合成一个元件，即组合传感器，组合传感器结构包括由内至外依次同轴设置的转子05、定子04、外导磁环03，如图2、图3所示。组合传感器既有角度传感器敏感浮子相对壳体偏角位置的功能，又具有力矩器功能，将偏离中心浮子拉回陀螺中心，由于组合传感器将传感器及力矩器结构组合在一起，因此能够大幅节省陀螺宝贵空间，提高陀螺可靠性。

由于二浮陀螺动压气浮电机主要功能是提供陀螺所需动量矩，陀螺姿态敏感及变化主要靠组合传感器的传感器及力矩器配合系统电路实现的，组合传感器性能好坏直接决定二浮陀螺精度及稳定性，因此组合传感器参数调试是保证陀螺精度的关键环节。

当浮子无规律运动时在三维空间产生6个自由度，除绕输出轴旋转外其他自由度均可由陀螺结构限位进行保证，但当浮子绕陀螺输出轴旋转时，只能靠力矩器进行位置校正。由于浮子初始状态千变万化，陀螺绕输出轴旋转状态也是不确定的，因此组合传感器在测试时不要求测试受到某个固定力或转矩值，更关注的是浮子运动绕输出轴旋转时，传感器敏感角度偏差——传感器灵敏度，以及力矩器在单位电流下输出最大力矩——力矩器力矩系数。当传感器敏感度不足或力矩器力矩系数不够时，不仅二浮陀螺精度会受到影响，甚至会导致整个惯性平台系统无法正常工作。因此准确测试二浮陀螺传感器及力矩器参数对陀螺甚至惯性导航单元来说是非常必要的。

现有的组合传感器02测试需要对传感器参数和力矩器参数在不同的测试台进行分别测试，测试传感器参数时，在传感器专用测试台上给组合传感器02中传感器转子线圈012通入交流电源，并用数字采集表采集传感器定子线圈011电源输出电压。测试力矩器参数时，在力矩器专用测试台上给组合传感器02力矩器定子线圈08主支架通入直流电源，并通过测试台输出转矩值。该方法不仅效率低，而且由于传感器参数和力矩器参数在不同测试台上分开测试，需要对产品进行二次安装，导致对测试结果带来不确定的安装误差，由于组合传感器在工作时，传感器和力矩器是同时工作的，上述方法与实际工作工况存在差异，必须同时找到传感器和力矩器测试基准，才能在理论上避免安装误差对测试的影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有的组合传感器测试需要对传感器参数和力矩器参数在不同的测试台进行分别测试，不仅效率低，而且会引入不确定的安装误差，以及与实际工作工况存在差异的不足之处，而提供一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置及测试方法。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，其特殊之处在于：包括测试组件、电源、数据采集处理单元和上位机；

所述测试组件包括测试台、以及设置在测试台上的测试轴、联轴器、伺服电机、电机控制器、电机支架、主支架、副支架和传感器固定架；所述测试轴通过轴承设置在主支架上；

所述测试轴一端用于连接待测试组合传感器的转子，定子通过所述传感器固定架与待测试组合传感器的外导磁环连接，外导磁环一端与所述主支架连接，测试轴另一端通过联轴器连接伺服电机的电机轴，所述电机控制器设置在伺服电机上，伺服电机通过所述电机支架设置在测试台上，所述副支架与电机支架固定连接；所述联轴器的一端设置在主支架上，另一端设置在副支架上；

所述电源与待测试组合传感器的连接，用于供电；

所述数据采集处理单元与待测试组合传感器的连接，用于采集处理待测试组合传感器的输出数据，输出传感器参数、力矩器参数；

所述上位机与电机控制器、数据采集处理单元连接。

进一步地，所述数据采集处理单元包括数据采集器、数据存储单元、数据处理器，所述数据采集器用于采集待测试组合传感器的输出数据，并保存至数据存储单元，所述数据处理器用于对数据存储单元存储的数据进行处理，得到传感器参数、力矩器参数。

进一步地，所述数据采集处理单元还包括滤波器，用于将处理待测试组合传感器的输出数据滤波处理后输出至数据采集器。

进一步地，还包括电机转速测速单元，用于测试伺服电机的实际转速，并保存至数据存储单元，以提高数据处理器输出力矩器参数的精度。

同时，本发明提出一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤1、将待测试组合传感器安装在上述二浮陀螺组合传感器一体化测试装置上；

步骤2、标定组合传感器零位测试基点；

打开电源，在上位机中设置组合传感器的允许最小电压后，通过上位机控制转子转动，当组合传感器输出电压变小时，向转动方向同方向旋转，当电压变大时，向转动方向反方向旋转，直至组合传感器输出电压满足允许最小电压时，停止转动，上位机记录的此时转子位置即为组合传感器零位测试基点；

步骤3、测试组合传感器的传感器参数；

通过上位机控制电机控制器，进而控制伺服电机运转至不同位置，由数据采集处理单元采集处理组合传感器在不同位置的输出电压，并输出对应位置的传感器参数；

步骤4、测试组合传感器的力矩器参数；

通过上位机控制电机控制器，进而控制伺服电机带着转子旋转，力矩器定子线圈切割转子旋转磁场进而产生感应电动势；由数据采集处理单元采集N组力矩器定子线圈输出最大电压E_m，并计算得到力矩器力矩系数。

进一步地，所述步骤1具体为：

将待测试组合传感器的转子安装在测试轴一端，并将测试轴另一侧通过联轴器与伺服电机的电机轴相连，将外导磁环通过传感器固定架与定子连接，并将外导磁环一端与主支架连接；

分别连接转子接线柱I与电源正极、转子接线柱II与电源负极；

分别连接定子接线片III与数据采集器的一个传感器采集接口、定子接线片V与数据采集器的另一个传感器采集接口；

分别连接力矩器定子线圈接线片IV与数据采集器的一个力矩器采集接口、力矩器定子线圈接线片VI与数据采集器的另一个力矩器采集接口。

进一步地，所述步骤3具体为：

将需要测试传感器参数的多个位置上传至上位机，通过上位机控制电机控制器，进而控制伺服电机运转至不同位置，由滤波器对组合传感器在不同位置的输出电压进行滤波后，再由数据采集器采集，并保存至数据存储单元中；由数据处理器根据输出电压计算得到传感器参数。

进一步地，所述步骤4具体为：

通过上位机控制电机控制器，进而控制伺服电机通过联轴器带着转子旋转，力矩器定子线圈切割转子旋转磁场进而产生感应电动势；由滤波器对N组力矩器定子线圈输出最大电压E_m进行滤波后，再由数据采集器采集，并保存至数据存储单元中；由数据处理器按照下式计算得到力矩器力矩系数：

式中K为力矩器力矩系数；E_m为力矩器定子线圈输出最大电压；n为伺服电机转速。

进一步地，步骤2中，所述允许最小电压为阈值1/10量级，阈值为转子(05)转动最小位移对应的组合传感器输出电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，包括测试组件、电源、数据采集处理单元和上位机；本发明可以实现组合传感器的传感器参数、力矩器参数的一体化测试，具有较高测试效率，并且可以通过上位机标定组合传感器零位测试基点，与对定子转子刻线相比重复性更好，精度更高。

(2)本发明一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，可以通过改变联轴器与被测组合传感器定子配合尺寸，以实现不同尺寸、不同量程的力矩器调试，避免了出现测试轴因测量装置质量过大无法悬浮的问题。

附图说明

图1为一种二浮陀螺的结构示意图；

图2为图1中组合传感器的结构示意图；

图3为图1中组合传感器的结构剖视图。

图1至图3附图标记说明如下：01-浮子组件；02-组合传感器；03-外导磁环；04-定子；05-转子；06-转子接线柱I；07-转子接线柱II；08-力矩器定子线圈；09-定子接线片III；010-定子接线片V；011-传感器定子线圈；012-传感器转子线圈；013-力矩器定子线圈接线片IV；014-力矩器定子线圈接线片VI。

图4为本发明一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置实施例的结构示意图(未示出上位机)。

图4附图标记说明如下：1-测试台；2-测试轴；3-联轴器；4-伺服电机；5-电机控制器；6-电机支架；7-主支架；8-副支架；9-数据采集处理单元；10-电源；11-锁紧螺钉；12-传感器固定架。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。

参照图4，一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，包括测试组件、电源10、数据采集处理单元9、上位机、电机转速测速单元。

测试组件包括测试台1、以及设置在测试台1上的测试轴2、联轴器3、伺服电机4、电机控制器5、电机支架6、主支架7、副支架8、传感器固定架12。

测试轴2通过轴承设置在主支架7上，测试轴2一端用于连接待测试组合传感器02的转子05，定子04通过传感器固定架12与外导磁环03连接，外导磁环03一端与主支架7连接，测试轴2另一端通过联轴器3连接伺服电机4的电机轴，电机控制器5设置在伺服电机4上；伺服电机4通过电机支架6设置在测试台1上，副支架8与电机支架6固定连接,联轴器3的一端设置在主支架7上，另一端设置在副支架8上。电机支架6、主支架7分别通过锁紧螺钉11固定在测试台1上。

电源10的正极、负极分别与待测试组合传感器02的转子接线柱I 06、转子接线柱II 07连接，用于输出交流电压和频率。

数据采集处理单元9包括滤波器、数据采集器、数据存储单元、数据处理器；滤波器用于将处理待测试组合传感器02的输出数据滤波处理后输出至数据采集器；数据采集器的两个传感器采集接口分别连接待测试组合传感器02的定子接线片III 09、定子接线片V010，数据采集器的两个力矩器采集接口分别连接待测试组合传感器02的力矩器定子线圈接线片IV 013、力矩器定子线圈接线片VI 014，用于采集待测试组合传感器02的的输出数据，并保存至数据存储单元，数据处理器用于对数据存储单元存储的数据进行处理，得到传感器参数、力矩器参数。

上位机与电机控制器5、数据采集处理单元9连接。

电机转速测速单元采用光电测试仪，用于测试伺服电机4的实际转速，并保存至数据存储单元，以提高数据处理器输出力矩器参数的精度。

一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，采用上述二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，包括如下步骤：

步骤1、将待测试组合传感器02的安装在二浮陀螺组合传感器一体化测试装置上；

具体为：

将待测试组合传感器02的转子05安装在测试轴2一端，并将测试轴2另一侧通过联轴器3与伺服电机4的电机轴相连，将外导磁环03通过传感器固定架12与定子04连接，并将外导磁环03一端与主支架7连接；

分别连接转子接线柱I 06与电源10的正极、转子接线柱II 07电源10的负极；

分别连接定子接线片III 09与数据采集器的一个传感器采集接口、定子接线片V010与数据采集器的另一个传感器采集接口；

分别连接力矩器定子线圈接线片IV 013与数据采集器的一个矩器采集接口、力矩器定子线圈接线片VI 014与数据采集器的另一个力矩器采集接口；

步骤2、标定组合传感器02零位测试基点；

打开电源10，由电源10通过转子接线柱I 06、转子接线柱II 07向组合传感器02输出交流电压和频率；

在上位机中设置组合传感器02允许最小电压后，通过上位机控制转子05转动，当组合传感器02输出电压变小时，向转动方向同方向旋转，当电压变大时，向转动方向反方向旋转，直至组合传感器02输出电压满足允许最小电压时，停止转动，上位机记录的此时转子05位置即为组合传感器02零位测试基点；允许最小电压取阈值1/10量级，阈值为转子05转动最小位移对应的组合传感器02输出电压；

步骤3、测试组合传感器02的传感器参数；

将需要测试传感器参数的多个位置上传至上位机，通过上位机控制电机控制器5，进而控制伺服电机4运转至不同位置，由对组合传感器02在不同位置的输出电压进行滤波后，再由数据采集器采集，并保存至数据存储单元中；由数据处理器根据输出电压计算得到传感器参数，如表1所示；

表1

步骤4、测试组合传感器02的力矩器参数；

通过上位机控制电机控制器5，进而控制伺服电机4通过联轴器3带着转子旋转，力矩器定子线圈08切割转子旋转磁场进而产生感应电动势；由滤波器对N组力矩器定子线圈08输出最大电压E_m进行滤波后，再由数据采集器采集，并保存至数据存储单元中；由数据处理器按照下式计算得到力矩器力矩系数：

式中K为力矩器力矩系数；E_m为力矩器定子线圈08输出最大电压；n为伺服电机4转速；

本实施例测试结果如表2所示：

表2

通过对比现有装置数据可以看到，本实施例的数据重复性更好，测试精度更高；通过上位机按预设程序控制测试轴2测试传感器参数、力矩器参数时，数据采集器按照预设程序自动转动采点，测试效率更高。

Claims (9)

1.一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，其特征在于：包括测试组件、电源(10)、数据采集处理单元(9)和上位机；

所述测试组件包括测试台(1)、以及设置在测试台(1)上的测试轴(2)、联轴器(3)、伺服电机(4)、电机控制器(5)、电机支架(6)、主支架(7)、副支架(8)和传感器固定架(12)；

所述测试轴(2)通过轴承设置在主支架(7)上，测试轴(2)一端用于连接待测试组合传感器(02)的转子(05)，定子(04)通过所述传感器固定架(12)与待测试组合传感器(02)的外导磁环(03)连接，外导磁环(03)一端与所述主支架(7)连接，测试轴(2)另一端通过联轴器(3)连接伺服电机(4)的电机轴，所述电机控制器(5)设置在伺服电机(4)上，伺服电机(4)通过所述电机支架(6)设置在测试台(1)上，所述副支架(8)与电机支架(6)固定连接；所述联轴器(3)的一端设置在主支架(7)上，另一端设置在副支架(8)上；

所述电源(10)与待测试组合传感器(02)的连接，用于供电；

所述数据采集处理单元(9)与待测试组合传感器(02)的连接，用于采集处理待测试组合传感器(02)的输出数据，输出传感器参数、力矩器参数；

所述上位机与电机控制器(5)、数据采集处理单元(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，其特征在于：所述数据采集处理单元(9)包括数据采集器、数据存储单元、数据处理器，所述数据采集器用于采集待测试组合传感器(02)的输出数据，并保存至数据存储单元，所述数据处理器用于对数据存储单元存储的数据进行处理，得到传感器参数、力矩器参数。

3.根据权利要求2所述的一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，其特征在于：所述数据采集处理单元(9)还包括滤波器，用于将待测试组合传感器(02)的输出数据滤波处理后输出至数据采集器。

4.根据权利要求2或3所述的一种二浮陀螺组合传感器一体化测试装置，其特征在于：还包括电机转速测速单元，用于测试伺服电机(4)的实际转速，并保存至数据存储单元，以提高数据处理器输出力矩器参数的精度。

5.一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将待测试组合传感器(02)安装在权利要求1所述二浮陀螺组合传感器一体化测试装置上；

步骤2、标定组合传感器(02)零位测试基点；

打开电源(10)，在上位机中设置组合传感器(02)的允许最小电压后，通过上位机控制转子(05)转动，当组合传感器(02)输出电压变小时，向转动方向同方向旋转，当电压变大时，向转动方向反方向旋转，直至组合传感器(02)输出电压满足允许最小电压时，停止转动，上位机记录的此时转子(05)位置即为组合传感器(02)零位测试基点；

步骤3、测试组合传感器(02)的传感器参数；

通过上位机控制电机控制器(5)，进而控制伺服电机(4)运转至不同位置，由数据采集处理单元(9)采集处理组合传感器(02)在不同位置的输出电压，并输出对应位置的传感器参数；

步骤4、测试组合传感器(02)的力矩器参数；

通过上位机控制电机控制器(5)，进而控制伺服电机(4)带着转子(05)旋转，力矩器定子线圈(08)切割转子(05)旋转磁场进而产生感应电动势；由数据采集处理单元(9)采集N组力矩器定子线圈(08)输出最大电压E_m，并计算得到力矩器力矩系数。

6.根据权利要求5所述的一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

将待测试组合传感器(02)的转子(04)安装在测试轴(2)一端，并将测试轴(2)另一侧通过联轴器(3)与伺服电机(4)的电机轴相连，将外导磁环(03)通过传感器固定架(12)与定子(04)连接，并将外导磁环(03)一端与主支架(7)连接；

分别连接转子接线柱I(06)与电源(10)正极、转子接线柱II(07)与电源(10)负极；

分别连接定子接线片III(09)与数据采集器的一个传感器采集接口、定子接线片V(010)与数据采集器的另一个传感器采集接口；

分别连接力矩器定子线圈接线片IV(013)与数据采集器的一个力矩器采集接口、力矩器定子线圈接线片VI(014)与数据采集器的另一个力矩器采集接口。

7.根据权利要求5所述的一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

将需要测试传感器参数的多个位置上传至上位机，通过上位机控制电机控制器(5)，进而控制伺服电机(4)运转至不同位置，由滤波器对组合传感器(02)在不同位置的输出电压进行滤波后，再由数据采集器采集，并保存至数据存储单元中；由数据处理器根据输出电压计算得到传感器参数。

8.根据权利要求5所述的一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

通过上位机控制电机控制器(5)，进而控制伺服电机(4)通过联轴器(3)带着转子(05)旋转，力矩器定子线圈(08)切割转子(05)旋转磁场进而产生感应电动势；由滤波器对N组力矩器定子线圈(08)输出最大电压E_m进行滤波后，再由数据采集器采集，并保存至数据存储单元中；由数据处理器按照下式计算得到力矩器力矩系数：

式中K为力矩器力矩系数；E_m为力矩器定子线圈(08)输出最大电压；n为伺服电机转速。

9.根据权利要求5所述的一种二浮陀螺组合传感器一体化测试方法，其特征在于，步骤2中，所述允许最小电压为阈值的1/10量级，阈值为转子(05)转动最小位移对应的组合传感器(02)输出电压。