专利名称：陀螺模拟器的制作方法
技术领域：
本实用新型专利涉及一种陀螺模拟器，具体涉及一种用于再平衡电路的老化、振
动等试验过程中的液浮速率积分陀螺模拟器。
背景技术：
在陀螺仪再平衡电路的老化、振动等应力筛选试验中，为了保证再平衡电路工作 在零位附近，需要借助于实物陀螺，并通过陀螺与再平衡电路的闭合来实现。因此，在闭合 过程中需要大量实物陀螺，并需给陀螺提供相关的电源、信号等，从而导致试验设备组成部 件多、连接复杂、试验安全性差、陀螺易损坏、价格昂贵等质量隐患，并导致了生产效率低的 显著问题。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种陀螺模拟器代替真实的液浮陀螺，实现与再平衡电 路的闭合，并将该模拟器扩展到老化设备和测试设备中进行使用，在满足实验要求的同时 减少实物陀螺的使用，减少损耗。 本实用新型是这样实现的一种陀螺模拟器，陀螺模拟器的输入信号为再平衡电 路的力矩器低端采样电阻上电压信号和激磁电源信号，输出信号为再平衡电路的解调器输 入信号； 其中，由4个运算放大器、1个乘法器及电阻、电容组成；具体包括连接在陀螺力 矩器输出端的高端和低端之间的模拟陀螺力矩器负载线圈的电阻R、输入端与力矩器输出 端的低端连接的积分环节、输入端与积分环节输出端连接的惯性环节、一个输入端与惯性 环节的输出端连接的乘法器，乘法器的另一个输入端连接经过比例放大环节处理过后的激 磁电源，乘法器的输出经过反向电压跟随器后输出至再平衡电路； 所述的积分环节包括电阻R202、电容C201、电阻R205、运算放大器N3A，电阻 R205连接在运算放大器N3A正向输入端与电源地之间，电容C201连接在运算放大器N3A负 向输入端与运算放大器N3A输出端之间，电阻R202 —端连接运算放大器N3A负向输入端， 一端连接力矩器输出端的低端；传递函数为-l/(R202*C201*s); 所述的惯性环节包括电阻R203、电阻R204、电容C202、电阻R206、运算放大器 N3B，电阻R206连接在运算放大器正向输入端与电源地之间，电容C202与电阻R204并联， 此并联电路连接在运算放大器N3B负向输入端与运算放大器N3B输出端之间；电阻R203 一端连接运算放大器N3B负向输入端，一端连接积分环节的输出端；传递函数为-(R204/ R203)/(R204*C202*s+l); 所述的比例放大环节包括电阻R207、电阻R208、电阻R209、运算放大器N3D，电阻 R209连接在运算放大器正向输入端与电源地之间，电阻R208连接在运算放大器N3B负向输 入端与运算放大器N3B输出端之间；电阻R207 —端连接运算放大器N3B负向输入端， 一端 连接激磁电源；其放大倍数为-Ku = -R208/R207 ;[0009] 并且R20扭C202 = Jx/Kc ;R202*R203*C201 = R204*Rc*Kc/(KT*Kp); 式中Jx是浮子绕输出轴转动惯量； Kc是陀螺阻尼系数； Kp是传感器标度系数； KT是力矩器标度系数； Rc是再平衡电路板上的采样电阻； 具体值与陀螺相关，为事先给定的具体值； 在实际取值时，允许R204*C202 = Jx/Kc±10% ;R202*R203*C201 = R204*Rc*Kc/(KT*Kp) ± 10% ; 电阻值在1M以下的范围内取值； Ku值通过将模拟器与真实陀螺进行比较，取经验值而得到。 如上所述的一种陀螺模拟器，其中，所述的4个运算放大器由1个F147芯片提供、 乘法器为AD532。 本实用新型的优点是再平衡电路板的负载即陀螺模拟器，以及力矩器高低端的 电阻。当再平衡电路在实际使用所带的负载为陀螺，在静态工作时，由于电路工作在零位附 近，采样电阻、陀螺力矩器上电流几乎为零。 而再平衡电路在此老化设备中老化时，再平衡电路板送给采样电阻的电流和送给 负载电阻电流均在零附近，再平衡电路板上各元器件上电压、电流信号的大小、强弱均与在 实际静态使用时相似。 因此能有效的对再平衡电路进行通电老化或振动等试验。 采用本发明的陀螺模拟器技术，在实际生产应用中，制成了一个能老化10块再平 衡电路的老化台、一个通用于两个型号最多能老化24块电路的再平衡电路通用老化台、一 个用于电路工艺振动的再平衡电路通用老化振动筛选台。 用电路替代液浮陀螺进行测试方案，极大减少了生产成本。采用陀螺模拟器，不需 要再使用液浮陀螺进行配合老化，提高了产品老化过程的安全性和可靠性，减少了由于陀 螺寿命限制带来的一系列问题。 成功应用陀螺模拟器技术，实现了多块再平衡电路的同时老化，解决了批生产过 程中的瓶颈。陀螺模拟器在一个老化台中的成功应用节省了 30个液浮陀螺，节约经费近90 万元，经济成果显著。 陀螺模拟器技术同时应用于再平衡电路板工艺振动过程中(再平衡电路工艺振 动需通电，以前振动时需要工艺陀螺与再平衡电路相配闭合)，可提高工艺振动时安全性， 并降低试验所需仪器成本。 此外，陀螺模拟器是由电子元器件组成的集成电路，可靠性和寿命远大于液浮陀 螺，可靠性高，稳定性好，并具有良好的维修性。液浮陀螺出现故障后很难进行维修，而陀螺 模拟器易于拆装，组成简单，维修性比液浮陀螺高很多，可长期用于再平衡电路老化和振动 等试验。
图1为液浮陀螺的传递函数框图；[0030] 图中"(S)为陀螺输入角速率，Vi(S)为再平衡电路采样电阻Rc上输出电压， I(S)为再平衡电路板输出力矩器电流，V(S)为传感器输出电压； 图2为陀螺模拟器的电路原理图； 图中N3为F147运算放大器芯片；有4个运算放大器N3A、N3B、N3C、N3D ;负向输 入端分别是2管脚、6管脚、10管脚、13管脚；正向输入端分别是3管脚、5管脚、9管脚、12 管脚；输出端分别是1管脚、7管脚、8管脚、14管脚；正电源端为4管脚，负电源端为11管 N4为AD532乘法器芯片；X1端和Yl端输入的信号相乘，从OUT输出。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明 在实际系统中，液浮速率积分陀螺与再平衡电路闭合形成回路，即陀螺传感器输 出至再平衡电路；再平衡电路输出电流信号至陀螺力矩器，陀螺力矩器给陀螺转子一个力 矩，使转子平衡在零位附近。 本实用新型采用电子线路制作成的陀螺模拟器来代替液浮速率积分陀螺，与再平 衡电路闭合形成回路，即陀螺模拟器输出至再平衡电路；再平衡电路输出电流信号至陀 螺力矩器，陀螺力矩器输出至模拟力矩器线圈的电阻，陀螺模拟器采集陀螺力矩器输出信 号低端的电压信号。 液浮速率积分陀螺包括浮子、传感器、力矩器和陀螺电机等。陀螺的传递函数框图 如图l所示。陀螺传感器所输出的是一个频率与激磁电源相同的交流载波信号，是一个非 线性环节；但对低频信号而言，它相当于一个放大倍数为Kp的比例放大环节。
当输入角速率为零时，陀螺低频信号的传递函数(从再平衡电路的采样电阻输出 电压到陀螺传感器输出电压)为 V(s)= K丁KP /4c ......................................式(1)
Vi(s) Jxs 2 + Xos 式中Jx是浮子绕输出轴转动惯量； Kc是陀螺阻尼系数； Kp是传感器标度系数； KT是力矩器标度系数； Rc是再平衡电路板上的采样电阻。 具体值与陀螺相关，为事先给定的具体值； 但传感器实际输出的信号为交流载波信号，可见下式 Vp(s) = Ku U(s)V(s)...................式(2) 式中Vp(S)为传感器实际输出的载波信号； U(S)为激磁电源电压； V(S)为传感器输出的低频信号； Ku为一比例系数。 每块集成的陀螺模拟器电路板包括三路陀螺模拟器电路通道，分别用于模拟X、Y、 Z路的陀螺，每路由一个F147芯片、一个AD532乘法器及一些电阻、电容组成。[0053] 陀螺模拟器的输入信号为再平衡电路的力矩器低端采样电阻上电压信号，和激磁
电源信号，输出信号为再平衡电路的解调器输入信号，电路供电电源为士15V。 其中的陀螺模拟器包括连接在陀螺力矩器输出端的高端和低端之间的模拟陀螺
力矩器负载线圈的电阻R，输入端与力矩器输出端的低端连接的积分环节，输入端与积分环
节输出端连接的惯性环节，一个输入端与惯性环节的输出端连接的乘法器，乘法器的另一
个输入端连接经过比例放大环节处理过后的激磁电源，乘法器的输出经过反向电压跟随器
后输出至再平衡电路； 所述的积分环节包括电阻R202、电容C201、电阻R205、运算放大器N3A，电阻 R205连接在运算放大器N3A正向输入端与电源地之间，电容C201连接在运算放大器N3A负 向输入端与运算放大器N3A输出端之间，电阻R202 —端连接运算放大器N3A负向输入端， 一端连接力矩器输出端的低端；传递函数为-l/(R202*C201*s); 所述的惯性环节包括电阻R203、电阻R204、电容C202、电阻R206、运算放大器 N3B，电阻R206连接在运算放大器正向输入端与电源地之间，电容C202与电阻R204并联， 此并联电路连接在运算放大器N3B负向输入端与运算放大器N3B输出端之间；电阻R203 一端连接运算放大器N3B负向输入端，一端连接积分环节的输出端；传递函数为-(R204/ R203)/(R204*C202*s+l);所述的比例放大环节包括电阻R207、电阻R208、电阻R209、运算放大器N3D，电阻 R209连接在运算放大器正向输入端与电源地之间，电阻R208连接在运算放大器N3B负向输 入端与运算放大器N3B输出端之间；电阻R207 —端连接运算放大器N3B负向输入端， 一端 连接激磁电源；其放大倍数为-Ku = -R208/R207 ; 通过积分环节和惯性环节电路实现 式中Jx是浮子绕输出轴转动惯量； Kc是陀螺阻尼系数； Kp是传感器标度系数； KT是力矩器标度系数； Rc是再平衡电路板上的采样电阻； 具体值与陀螺相关，为事先给定的具体值； Vi(S)是指Vi(S)为再平衡电路采样电阻Rc上输出电压，即陀螺力矩器输出端 低端的电压； V(S)为传感器输出电压；即经过积分环节和惯性环节处理过的电压值； 由上述传函之间的关系得到 R204*C202 = Jx/Kc ;R202*R203*C201 = R204*Rc*Kc/(KT*Kp); 在实际取值时，允许R204*C202 = Jx/Kc±10% ; R202*R203*C201 = R204*Rc*Kc/(KT*Kp) ± 10% ; 电阻值在1M以下的范围内取值；电容没有特别要求； 陀螺传感器实际输出的信号为交流载波信号，可见下式 Vp(s) = Ku U(s)V(s)...................式(2)
V(s) Vi(s)
式(1)[0075] 式中Vp(S)为传感器实际输出的载波信号； U(S)为激磁电源电压； V(S)为传感器输出的低频信号； Ku为一比例系数。 在模拟器中，即-Ku = -R208/R207 ;此值通过将模拟器与真实陀螺进行比较取经 验值而得到； —块再平衡电路板(包括三路再平衡电路)与一块陀螺模拟器电路板(包括三路 模拟器)配套形成三个再平衡回路。陀螺模拟器电路与再平衡电路共地。在再平衡电路的 X、 Y、 Z三个力矩器输出端的高端和低端之间分别连接了一个低阻值、大功率的电阻R，使回 路能闭合。此电阻相当于模拟陀螺的力矩器线圈电阻(一般为几十欧)，但为了避免在再平 衡电路板出现异常时采样电阻上电流过大，可将此电阻阻值稍微增加。 再平衡电路板的负载即陀螺模拟器，以及力矩器高低端的电阻。当再平衡电路在 实际使用所带的负载为陀螺，在静态工作时，由于电路工作在零位附近，采样电阻、陀螺力 矩器上电流几乎为零。 而再平衡电路在此老化设备中老化时，再平衡电路板送给采样电阻的电流和送给 负载电阻电流均在零附近，再平衡电路板上各元器件上电压、电流信号的大小、强弱均与在 实际静态使用时相似。 因此能有效的对再平衡电路进行通电老化或振动等试验。 采用本发明的陀螺模拟器技术，在实际生产应用中，制成了一个能老化10块再平 衡电路的老化台、一个通用于两个型号最多能老化24块电路的再平衡电路通用老化台、一 个用于电路工艺振动的再平衡电路通用老化振动筛选台。 用电路替代液浮陀螺进行测试方案，极大减少了生产成本。采用陀螺模拟器，不需 要再使用液浮陀螺进行配合老化，提高了产品老化过程的安全性和可靠性，减少了由于陀 螺寿命限制带来的一系列问题。 成功应用陀螺模拟器技术，实现了多块再平衡电路的同时老化，解决了批生产过 程中的瓶颈。陀螺模拟器在一个老化台中的成功应用节省了 30个液浮陀螺，节约经费近90 万元，经济成果显著。 陀螺模拟器技术同时应用于再平衡电路板工艺振动过程中(再平衡电路工艺振 动需通电，以前振动时需要工艺陀螺与再平衡电路相配闭合)，可提高工艺振动时安全性， 并降低试验所需仪器成本。 此外，陀螺模拟器是由电子元器件组成的集成电路，可靠性和寿命远大于液浮陀 螺，可靠性高，稳定性好，并具有良好的维修性。液浮陀螺出现故障后很难进行维修，而陀螺 模拟器易于拆装，组成简单，维修性比液浮陀螺高很多，可长期用于再平衡电路老化和振动 等试验。
权利要求一种陀螺模拟器，陀螺模拟器的输入信号为再平衡电路的力矩器低端采样电阻上电压信号和激磁电源信号，输出信号为再平衡电路的解调器输入信号；其特征在于由4个运算放大器、1个乘法器及电阻、电容组成；具体包括连接在陀螺力矩器输出端的高端和低端之间的模拟陀螺力矩器负载线圈的电阻R、输入端与力矩器输出端的低端连接的积分环节、输入端与积分环节输出端连接的惯性环节、一个输入端与惯性环节的输出端连接的乘法器，乘法器的另一个输入端连接经过比例放大环节处理过后的激磁电源，乘法器的输出经过反向电压跟随器后输出至再平衡电路；所述的积分环节包括电阻R202、电容C201、电阻R205、运算放大器N3A，电阻R205连接在运算放大器N3A正向输入端与电源地之间，电容C201连接在运算放大器N3A负向输入端与运算放大器N3A输出端之间，电阻R202一端连接运算放大器N3A负向输入端，一端连接力矩器输出端的低端；传递函数为-1/(R202*C201*s)；所述的惯性环节包括电阻R203、电阻R204、电容C202、电阻R206、运算放大器N3B，电阻R206连接在运算放大器正向输入端与电源地之间，电容C202与电阻R204并联，此并联电路连接在运算放大器N3B负向输入端与运算放大器N3B输出端之间；电阻R203一端连接运算放大器N3B负向输入端，一端连接积分环节的输出端；传递函数为-(R204/R203)/(R204*C202*s+1)；所述的比例放大环节包括电阻R207、电阻R208、电阻R209、运算放大器N3D，电阻R209连接在运算放大器正向输入端与电源地之间，电阻R208连接在运算放大器N3B负向输入端与运算放大器N3B输出端之间；电阻R207一端连接运算放大器N3B负向输入端，一端连接激磁电源；其放大倍数为-Ku＝-R208/R207；并且R204*C202＝Jx/Kc；R202*R203*C201＝R204*Rc*Kc/(KT*Kp)；式中Jx是浮子绕输出轴转动惯量；Kc是陀螺阻尼系数；Kp是传感器标度系数；KT是力矩器标度系数；Rc是再平衡电路板上的采样电阻；具体值与陀螺相关，为事先给定的具体值；在实际取值时，允许R204*C202＝Jx/Kc±10％；R202*R203*C201＝R204*Rc*Kc/(KT*Kp)±10％；电阻值在1M以下的范围内取值；Ku值通过将模拟器与真实陀螺进行比较，取经验值而得到。
2. 如权利要求1所述的一种陀螺模拟器，其特征在于所述的4个运算放大器由1个 F147芯片提供、乘法器为AD532。
专利摘要本实用新型属于陀螺模拟器，具体涉及一种液浮速率积分陀螺模拟器。目的是提供一种陀螺模拟器代替真实的液浮陀螺，实现与再平衡电路的闭合。它由4个运算放大器、1个乘法器及电阻、电容组成；具体包括连接在陀螺力矩器输出端的高端和低端之间的模拟陀螺力矩器负载线圈的电阻R、输入端与力矩器输出端的低端连接的积分环节、输入端与积分环节输出端连接的惯性环节、一个输入端与惯性环节的输出端连接的乘法器，乘法器的另一个输入端连接经过比例放大环节处理过后的激磁电源，乘法器的输出经过反向电压跟随器后输出至再平衡电路。本实用新型的优点是替代液浮陀螺进行老化，提高了安全性和可靠性，减少了由于陀螺寿命限制带来的一系列问题。
文档编号G01M7/02GK201522548SQ200920217790
公开日2010年7月7日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者余德芳, 刑世杰, 刘毅, 李志州, 邸建安, 郭红保 申请人:中国航天科工集团第三研究院第三十三研究所