一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统及方法
阅读说明：本技术 一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统及方法 (High-precision signal acquisition system and method applied to liquid floated gyroscope ) 是由 毛佳珍 石慧 赵新宇 于 2021-01-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统及方法,其技术特点是：本发明包括交流信号放大降噪电路、相敏解调器、直流信号放大滤波器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机,其中交流信号放大器、相敏解调器、直流信号放大器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机依次连接,电流频率转换模块的接地端接地。本发明能够有效降低方波驱动陀螺电机的谐波对陀螺仪性能的影响,解决陀螺内部可能出现的强电磁耦合现象,避免拍频问题,降低陀螺仪噪声,并且可根据陀螺仪精度要求设置电机电源转速及传感器的工作频率的合理范围。(The invention relates to a high-precision signal acquisition system and a high-precision signal acquisition method applied to a liquid floated gyroscope, which are technically characterized by comprising the following steps of: the device comprises an alternating current signal amplification noise reduction circuit, a phase sensitive demodulator, a direct current signal amplification filter, a signal correction circuit, a power amplifier, a torquer, a sampling resistor, a current frequency conversion module, a signal acquisition circuit and an upper computer, wherein the alternating current signal amplifier, the phase sensitive demodulator, the direct current signal amplifier, the signal correction circuit, the power amplifier, the torquer, the sampling resistor, the current frequency conversion module, the signal acquisition circuit and the upper computer are sequentially connected, and the grounding end of the current frequency conversion module is grounded. The invention can effectively reduce the influence of the harmonic wave of the square wave driving gyro motor on the performance of the gyro, solve the strong electromagnetic coupling phenomenon possibly occurring in the gyro, avoid the beat frequency problem, reduce the noise of the gyro, and set the reasonable ranges of the motor power supply rotating speed and the working frequency of the sensor according to the precision requirement of the gyro.)
技术领域
本发明属于信号采集技术领域，尤其是一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统及方法。
背景技术
应用于捷联式系统的液浮陀螺仪通常采用力反馈方式进行陀螺测试，其优点在于测试方式与目前采用的工作状态一致，更能准确反映惯性仪表的性能参数。
液浮陀螺仪在较小的空间内安装有陀螺电机、传感器、力矩器、磁悬浮、加热组件以及其它部件，各种元件有相应的工作电压及工作频率，极易出现相互间的电磁干扰现象。陀螺电机由方波或正弦波驱动，采用方波电源的控制方式较简单、线路功耗低，因此得到广泛应用。由于电机电机磁场的影响，其方波信号会产生畸变，在陀螺仪传感器绕组上叠加的电磁信号会不同体现，基频信号的高次谐波将在传感器输出上形成干扰源，严重时将产生拍频现象，极大地影响陀螺性能检测，特别在高精度大带宽工作条件下表现得尤为严重。
力反馈测试方式下的液浮陀螺仪通过测量采集其力矩器的电信号来得到陀螺仪的性能指标，采集测量的准确性直接影响表体精度体现。为满足高精度陀螺仪的测试要求，往往采用大时间常数RC滤波器及成本很高的高精度数字万用表来达到相匹配的测试要求，传统测量方式同时为满足数据量程，往往采取提高仪表数据采集位数的方法，其影响是降低了仪表数据采样的速率，对陀螺信号高频部分的还原差，形成测量误差源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统及方法，能够提供一种不使用高精度电压表的直接采集力矩器电流的信号采集方法，同时能准确反映惯性仪表的性能参数。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统，包括交流信号放大降噪电路、相敏解调器、直流信号放大滤波器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机，其中交流信号放大器、相敏解调器、直流信号放大器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机依次连接，电流频率转换模块的接地端接地。
而且，所述信号采集电路包括信号缓冲器、FPGA和串口接口，FPGA包括第一计数器、第二计数器、加法器和串口通讯模块，电流频率转换模块的正脉冲输出端连接信号缓冲器的正脉冲输入端，电流频率转换模块的负脉冲输出端连接信号缓冲器的负脉冲输入端，信号缓冲器的第一输出端通过第一计数器连接加法器，信号缓冲器的第二输出端通过第二计数器连接加法器，加法器的输出端连接串口通讯的输入端，串口通讯的输出端连接上位机。
一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统的采集方法，包括以下步骤：
步骤1、陀螺仪输出电信号至交流信号放大降噪电路，进行交流信号的放大以及降噪，同时对信号进行傅里叶分析以确定干扰信号；
步骤2、根据干扰信号，调整陀螺仪中传感器的工作频率位于干扰信号两个高次谐波中心位置，将信号输出再次入至交流信号放大降噪电路；
步骤3、降噪后的交流信号输入至相敏解调器进行交直流信号的转换；
步骤4、转换生成的直流信号输入至直流信号放大滤波器，进行直流信号的放大并在信号放大后进行滤波；
步骤5、滤波后的直流信号输入至信号校正电路进行信号校正；
步骤6、信号校正后的直流信号输入至功率放大器进行功率放大；
步骤7、功率放大的电流信号输入至力矩器；
步骤8、与通过力采样电阻连接矩器连接的电流频率转换模块接地端断开，将电流频率转换模块串入陀螺仪电路，陀螺仪参考地连接至电流频率转换模的模拟地，信号采集电路采集通过力矩器的信号并转换成激磁频率信号；
步骤9、激磁频率信号输入至上位机，并在上位机产生陀螺仪信号结果。
而且，所述步骤1中确定干扰信号的具体实现方法为：对输出信号进行低通或者带通滤波处理，剔除杂散干扰，经处理后的信号接至示波器，做信号的频谱分析。
而且，所述步骤1中交流信号放大降噪电路中附加高Q值的带通滤波器，调节高Q值的带通滤波器的参数，在二阶BPF的结构基础上增加一级反相比例运放，引入适量的正反馈，把Q值提高到50。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明包括交流信号放大降噪电路、相敏解调器、直流信号放大滤波器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机，其中交流信号放大器、相敏解调器、直流信号放大器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机依次连接，电流频率转换模块的接地端接地。本发明能够有效降低方波驱动陀螺电机的谐波对陀螺仪性能的影响，解决陀螺内部可能出现的强电磁耦合现象，避免拍频问题，降低陀螺仪噪声，并且可根据陀螺仪精度要求设置电机电源转速及传感器的工作频率的合理范围。
2、本发明采取电流频率转换模块的方式进行信息转换，具有抗干扰能力强、温度系数小的特点，对液浮陀螺仪力矩器电流信号的转换方式采取“电流平衡式”原理设计，连续采集转换输入信号，可以克服了丢数的现象，同时电流频率转换模块和数据采集电路对液浮陀螺仪电流信号的高速处理设计，提高数据的采样速率，有效解决了现有测试方式的信号混叠问题。
3、本发明将陀螺仪测试中使用的模拟反馈回路与高精度的数字信号转换过程结合起来，有利于检测装置的小型化。
附图说明
图1是本发明系统结构图；
图2是本发明高Q值的带通滤波器结构图；
图3是本发明电流频率转换信号采集装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统及方法，包括以下步骤：
一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统，如图1所示，包括交流信号放大降噪电路、相敏解调器、直流信号放大滤波器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机，其中交流信号放大器、相敏解调器、直流信号放大器、信号校正电路、功率放放大器、力矩器、采样电阻、电流频率转换模块、信号采集电路和上位机依次连接，电流频率转换模块的接地端接地。
如图3所示，信号采集电路包括信号缓冲器、FPGA和串口接口，FPGA包括第一计数器、第二计数器、加法器和串口通讯模块，电流频率转换模块的正脉冲输出端连接信号缓冲器的正脉冲输入端，电流频率转换模块的负脉冲输出端连接信号缓冲器的负脉冲输入端，信号缓冲器的第一输出端通过第一计数器连接加法器，信号缓冲器的第二输出端通过第二计数器连接加法器，加法器的输出端连接串口通讯的输入端，串口通讯的输出端连接上位机。
一种应用于液浮陀螺仪的高精度信号采集系统的采集方法，包括以下步骤：
步骤1、陀螺仪输出电信号至交流信号放大降噪电路，进行交流信号的放大以及降噪，同时对信号进行傅里叶分析以确定干扰信号。
本步骤中确定干扰信号的方法是对经降噪处理的传感器输出信号进行傅里叶分析，利用示波器的频谱分析功能，对传感器输出绕组的电信号进行频域分析。具体实现方法为对陀螺仪传感器输出绕组的交流电信号进行低通或者带通滤波处理，剔除杂散干扰，经处理后的信号接至示波器，做信号的频谱分析。
以某型永磁电机陀螺仪为例，当它的驱动电源频率为fm时，电机对陀螺仪传感器产生的电磁干扰主要为fm的整数倍频谱信号，此时可使用示波能使传感器的工作频率fc位于电机干扰信号两个高次谐波中心位置，即fc＝(n+1/2)fm,此时可以获得最大的降噪效果。必要时，在传感器激磁电源和电机电源设计过程中综合考虑两者的可行参数方案。
同时为加强对陀螺仪传感器信号中噪声成分的抑制，如图2所示，使用较高的Q值的带通滤波器，在二阶BPF的结构基础上增加一级反相比例运放，引入适量的正反馈，把Q值提高到50左右。
具体参数通过下式获得：
在确定滤波器的放大倍数KF、中心角频率ω0及Q值后，可通过下列公式确定各元件参数值。
电路中的电容器取值相同，由第二级运算放大器实现信号10倍的反相放大，并施加于第一级运放的输入端，形成一定的正反馈，可相应提高电路的Q值。标注为R1的三个电阻器取值相同，根据预先设计确定的放大倍数KF、中心角频率ω0及Q值和电容器取值，使用上述计算公式得到电阻R1、R2、R3的数值。
本实施中，采用两个高精度低噪声低漂移运算放大器OP27以及电阻电容组成，滤波器的中心频率设置为传感器的激磁频率，Q值设置为50，放大倍数KF设为10。该电路的输入信号是陀螺仪传感器输出交流电压信号，输出信号接至后级相敏解调电路。
步骤2、根据干扰信号，调整陀螺仪中传感器的工作频率位于干扰信号两个高次谐波中心位置，将信号输出再次入至交流信号放大降噪电路。
步骤3、降噪后的交流信号输入至相敏解调器进行交直流信号的转换。
步骤4、转换生成的直流信号输入至直流信号放大滤波器，进行直流信号的放大并在信号放大后进行滤波。
步骤5、滤波后的直流信号输入至信号校正电路进行信号校正。
步骤6、信号校正后的直流信号输入至功率放大器进行功率放大。
步骤7、功率放大的电流信号输入至力矩器。
步骤8、与通过力采样电阻连接矩器连接的电流频率转换模块接地端断开，将电流频率转换模块串入陀螺仪电路，陀螺仪参考地连接至电流频率转换模的模拟地，信号采集电路采集通过力矩器的信号并转换成正负脉冲F+及F-，脉冲采用TTL输出，低电平有效，高电平持续时间取决于输入电流大小。
在本步骤中采用高精度电流频率转换模块IFC对通过液浮陀螺仪力矩器的陀螺施矩电流进行采集。电流频率转换模块使用的是株洲宏达电子股份有限公司出品的成熟模块，型号为HMIFC541ST35，其量程范围为±35mA(全温)，标度因子7000±300pulses/mA，最大输出频率为256KHz，具有全温1pulse量化噪声、温度系数优于0.5ppm/℃的特点。原产品主要使用于作为惯性导航和制导产品测量元件的加速度计输出电流信号的转换采集中。将高精度电流频率转换模块应用于液浮陀螺仪检测电路输出信号的采集过程。
采用电流-频率转换模块的高速采集，提高了采样频率，所得到的数据可以更好的还原陀螺仪输出信号中由陀螺电机带来的高频电磁干扰信号，在后续的陀螺仪数据分析工作中，对其进行有针对的滤波处理，将测试数据更集中于反映载体运动特性的频率范围。本实施中，经过分析权衡，选择进行数据的100s平滑滤波处理，消除了噪声和抖动影响。
步骤9、激磁频率信号输入至上位机，并在上位机产生陀螺仪信号结果。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，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的实施例，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。
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