静电陀螺仪 篇1
静电陀螺监控器是国内最为先进的导航设备,目前该设备广泛应用于第三代航天远洋测量船等大型舰船的系统导航。该设备启动程序复杂,陀螺控制信号的判断与检测更是设备启动成败的关键因素。目前静电陀螺监控器的陀螺控制信号检测系统为模拟信号检测系统,存在测量精度不够,人员手工调节误差较大的问题,严重影响到设备启动的可靠性和成功率。本文针对上述情况,结合设备应用的实际需求,分析陀螺控制信号特点,以虚拟仪器技术为平台,设计了一套数字化的陀螺控制信号检测系统。该系统利用LabVIEW模拟仪器面板,程序化控制信号的采集、滤波、分析、显示、存储等,提高了静电陀螺监控器启动过程中陀螺控制信号的检测精度,确保了设备启动的可靠性,具有较强的实用价值。
1 陀螺控制信号检测现状及需求分析
静电陀螺监控器操作过程复杂,包括状态检查、设备加电、系统初始化、陀螺支承、支承电压检测、置H置Q、低速启动、阻尼定中、陀螺加速、陀螺稳频、六次校、系统标定、位置校、转导航、组合导航、关机等,简单可分为启动系统、启动陀螺、系统标定、设备导航、设备关机五个阶段。静电陀螺监控器启动过程如图1所示。
从图1可以分析出,陀螺启动过程中陀螺控制信号的关键由陀螺支承电压和陀螺转速信号两部分组成。目前启动过程中对相关信号的检测方法存在以下缺陷:
(1) 陀螺支承电压测量方法。静电陀螺监控器支承电压信号的检测利用万用表测量,平台框架角P角角度值读取通过人工观察静电陀螺监控器203机柜面板显示角度。这种方法需要两个人同时配合工作,数据精度不高,角度读取误差大,在上、下陀螺同时支承的情况下不能同时较准确测量支承电压值。支承电压信号测量坐标与平台框架角P角间的关系如表1所示。
(2) 陀螺转速信号检测方法。静电陀螺监控器陀螺转速信号利用示波器检测,当陀螺转速信号与频率计产生的信号频率一致时,在示波器上两者信号的李萨如耦合结果为一清晰椭圆。在陀螺转速信号检测过程需专门人员调节频率计和示波器实时观察陀螺转速信号变化情况,随动前要求陀螺转速信号为300 Hz±1 Hz,随动后工作状态陀螺转速信号为300 Hz±0.1 Hz。如此高的精度仅靠通过模拟信号判断显然存在较大误差,难以满足启动要求。传统用于检测静电陀螺监控器陀螺支承电压与陀螺转速的设备如图2所示。
通过上述分析,可以得出传统检测方法对操作人员要求很高,存在较大人为误差,精度不高难以满足实际需求,操作或者判断不当甚至会导致设备故障,严重影响到设备的正常工作。
2 陀螺控制信号自动检测系统的设计
该系统由硬件和软件两大部分构成。硬件系统主要包括集信号接入口、多路信号调理电路、信号采集卡和USB总线于一起的静电陀螺监控器陀螺控制信号自动检测仪,主要完成被测信号的采集、处理、调理与模数转换;软件系统主要用来分析滤波、记录、显示、存储数据和完成相应的分析功能。为提高系统的便捷性,系统的设计采用了USB总线方案,通过信号接入口将静电陀螺监控器上、下陀螺支承电压信号和上下陀螺转速信号引入信号调理电路,信号调理电路完成信号的调理放大后送至采集卡,采集卡完成信号的A/D转换后通过USB接口送入计算机,利用PC机和虚拟仪器软件平台,对数据进行采样和分析,杂波分析及过滤,结果显示及存储等功能,从而构成了陀螺控制信号自动检测系统。
2.1 硬件设计
该系统的硬件由一台PC计算机和一台静电陀螺监控器陀螺控制信号自动检测仪组成。因为静电陀螺监控器陀螺支承电压信号存在不同时机测量端子不同且需要及时转换,给测量带来不便。基于支承信号的特殊性,硬件需要能够同时处理多路信号采集与处理。通过信号接入口将静电陀螺监控器陀螺支承电压信号与陀螺转速信号接入到静电陀螺监控器陀螺控制信号自动检测仪。信号调理电路首先对静电陀螺监控器输出的电压信号做进一步的处理,使得通过调理电路的电压信号在信号采集卡可接受且能满足精度要求的电压范围之内,从而保证测量精度同时避免信号采集卡损坏。信号采集卡选用高速数据采集卡NI USB-6008,这种数据采集卡采样频率最高可达10 kHz,分辨率为12位,可使用LabVIEW及自带的NI-DAQmx Base测量服务软件编程,能满足陀螺控制信号的精度需求。该采集卡还集成了12路可编程的数字I/O端口,能够满足静电陀螺监控器启动陀螺控制信号检测需求。NI USB-6008具有基本的数据采集功能,其技术参数如表1所示。
最后信号由通用串口总线USB传入PC计算机。USB接口具有速度快,连接简单,不需要外接电源,兼容性好,可连接多路信号或设备的优点。该自动检测系统的硬件结构框图如图3所示。
2.2 软件设计
静电陀螺监控器陀螺控制信号自动检测系统软件是检测系统运行的核心,该检测系统能否成功运行,很大程度上取决于虚拟仪器的软件。该系统采用由NI公司(美国国家仪器公司)开发的LabVIEW图形化软件编写。软件大致可分为3部分:硬件驱动层、测试资源层、用户应用层。硬件驱动层就是对标准的I/O函数库及其相关程序的调用。在将硬件连接到USB总线后,对硬件进行地址配置和功能配置。它在检测系统之中执行仪器总线的功能,是计算机与仪器之间的软件层连接,以实现对仪器的程控。测试资源层是提供完成测试所需要的数据分析、仪器控制与通信的软件程序集,包含测试程序库、参比信号库、调用函数库、控制函数库,它是检测软件的核心。用户应用层直接面对操作用户,通过直观友好的操作界面来设定工作方式、数据录取和结果显示。用户通过设定工作方式调用硬件驱动层的设备驱动程序初始化虚拟仪器并启动检测程序,在测试过程中控制流程调用测试资源层资源及程序。该检测系统软件设计同时参考了传统示波器的功能,并结合虚拟仪器的特点与计算机强大的信息处理能力,实现了滤波、波形显示、杂波处理、数据存储、打印、生成报表和时域、频域参数自动测量、显示、查询以及相位差的自动计算功能。该检测软件设计结构如图4所示。
LabVIEW提供有USB接口处理控件,在安装USB驱动程序后,可以方便调用USB处理控件进行USB接口读/写操作,可实现系统即插即用的便捷性和实用性。系统软件采用虚拟仪器软件架构(Virtual Instruments Software Architecture,VISA)实现对串口的配置、写入、读取、关闭等控制。信号流程设计图如图5所示。
2.3 软件界面
静电陀螺监控器陀螺控制信号自动检测系统软件模拟传统示波器及万用表功能,界面示意图如图6所示。
3 结 语
本文依据静电陀螺监控器启动工作中遇到的实时数据处理和自动化测试要求,设计了一套基于虚拟仪器的静电陀螺监控器陀螺控制信号自动检测系统。该系统不仅能满足多路数据采集,信号监视,波形显示,关键点提示的优点,且在设计上充分考虑静电陀螺监控器陀螺转速信号杂波多、干扰信号强的特点,从而实现自动检测功能。该系统可以实时处理多路的采集数据,相对于现在使用的测试手段,结构简单,占用空间小,人员需求减少,检测简便,数据处理准确,可同时处理支承电压信号和陀螺仪转速信号,测试报表可以自动生成,提高了自动化测试水平,具有较好的扩展性、通用性和可移植性。
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静电陀螺仪 篇2
为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁橱放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的`解调电路.实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0.005821Hz,相位分辨率可以达到0.006rad,检测轴向灵敏度为1.34V/μm,检测径向灵敏度为0.092V/μm,测量电路的轴向位移分辨率为0.45nm,径向位移分辨率为6.6nm,转角的分辨率为0.25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要.
作 者：肖奇军 陈文元 崔峰 李胜勇 黄晓刚 邵 作者单位：肖奇军(上海交通大学微纳科学技术研究院,上海,130;广东肇庆学院电子信息工程系,广东肇庆,526061)
陈文元,崔峰,李胜勇,黄晓刚,邵(上海交通大学微纳科学技术研究院,上海,2000130)