CN107830870A - 一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、测量各静电支承电极区域边界线坐标值，得到各边界线上坐标点；步骤2、建立各静电支承电极区域边界线坐标方程并细化坐标点：步骤3、根据边界曲线方程模型采用循环迭代法分别计算得出多个引针的静电支承电极面积，并根据各引针的静电支承电极面积计算得出各引针的相对电极电容值；步骤4、测量各静电支承电极区域电容值；步骤5、启动电源，通过控制电路测量支承电压测试，检测电极分配正确性。本发明通过静电支承电压测试，检验电极分配测试技术，从而保证故障陀螺仪修理能力。
Description
技术领域
本发明属于高精度陀螺仪的热阴极泵故障修理技术领域，涉及静电支承电压测试和检验电极分配测试技术，尤其是一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法。
背景技术
目前，惯性导航系统为舰艇航行和武器系统提供位置、姿态等信息，是保障舰艇安全航行和导弹作战效能的关键设备。其中高精度陀螺仪是惯性导航系统的核心惯性元件。高精度陀螺仪是一种球形转子的自由陀螺仪，球形转子密封于陶瓷碗内部，球面电极接通高电压，与转子之间形成很强的静电力去支承球形转子。当转子出现位移时，位移检测电极电压可自动调节对应控制电极上所加电压大小，把转子稳定在中间位置，从而起到支承作用，系统支承电压测试预度值小于0.4V。
当前，现役装备是从国外进口的高精度陀螺仪，随着其使用频率、运行时间大幅度提高和增加，热阴极泵故障率不断增加，严重影响海军作战效能。热阴极泵在结构上位于陀螺仪中心位置，和陶瓷电极碗铟封连接。要修复它必须将陀螺仪全部拆解、打开裸露出陶瓷电极碗的控制电极。由于该仪表属于国外进口，没有可参考的技术资料，对于裸露的控制电极引柱，没有明确的技术定义。因此需要一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试技术方法，为海军提供性能合格的高精度陀螺仪，保障海军部队试验急需。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，能够通过静电支承电压测试和检验电极分配测试技术解决高精度陀螺仪的热阴极泵故障修理问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，包括以下步骤：
步骤1、测量各静电支承电极区域边界线坐标值，得到各边界线上坐标点；
步骤2、建立各静电支承电极区域边界线坐标方程并细化坐标点：
步骤3、根据边界曲线方程模型采用循环迭代法分别计算得出多个引针的静电支承电极面积，并根据各引针的静电支承电极面积计算得出各引针的相对电极电容值；
步骤4、依据步骤3的引针标号分配，获得对称电极分配信息，并采用六位半高精度数字电容表依次测量各静电支承电极区域电容值；
步骤5、启动电源，通过控制电路测量支承电压测试，检测电极分配正确性；
而且，所述步骤1的具体方法为：采用精度为0.6微米三坐标测量机测量各静电支承电极区域边界线坐标值，得到各边界线上坐标点。
而且，所述步骤2的具体方法为：以支承电极区域所在球面球心为原点建立球坐标系，得到各静电支承电极区域边界线坐标方程模型，用步骤1中得到各边界线上坐标点代入边界线坐标方程模型得到各边界线坐标方程，通过计算得到细化坐标点。
而且，所述步骤3的根据边界曲线方程模型采用循环迭代法分别计算得出多个引针的静电支承电极面积的具体步骤包括：
(1)把电极区域分解成典型矩形区域，其中，f1和f2分别是两个边界曲线方程模型；
初始设定将典型矩形区域沿Y轴方向分成n个子区域，每个子区域高度为hn，每个子区域面积为:
Si＝[f2(yi)-f2(yi)]×h (1)
(2)按照分成n块子区域计算得到，该电极区域面积和为：
(3)按照分成2n块子区域，按式(1)和式(2)可计算得到Sn2,计算两种分隔子区域方法得到面积差的相对比率ΔS：
ΔS＝(Sn1-Sn2)/Sn1 (3)
(4)如果ΔS≥0.001时，则继续细分分隔数，直至ΔS≤0.001时迭代结束，取最后计算静电支承电极面积。
而且，所述步骤3的根据各引针的静电支承电极面积计算得出各引针的相对电极电容值的具体步骤包括：
(1)计算单块电极电容计算公式为：
式中,ε0是介电常数；εr是相对介电常数，真空中是1；S是电极面积；δ是电极与转子之间距离；
(2)相对电极区域电容按照两个串接电容计算，计算公式为：
式中，C1和C2是串接两个电容值。
而且，所述步骤4的具体步骤包括：
(1)依据静电支承电极区域边界线坐标方程计算分析，确定电极的分配对极；
(2)采用电容表分别测量各对极区间电容。
而且，所述步骤5的具体方法为：根据电容表测量的各对极区间电容和支承电压值，将分配的电极极区，分别接入控制电路与位移检测电路，进行支承电压的测量，用于检测步骤3和步骤4的电极分配正确性。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明在国外对我国技术完全封锁情况下，研究静电支承电极区域边界线特点，采用三坐标测量机测量各静电支承电极区域边界线坐标值；二是建立球坐标系，采用循环迭代法计算支承电极面积及电容容值；三是通过建立横坐标基准线分配电极引针序号并通过高位数测量表测量确定电极引针的对称性；进而研究解决了高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，保证国外故障陀螺仪修理能力。本发明属于原创并填补国内空白，将修复的陀螺仪交付海军部队使用后，性能可靠，得到用户好评。本发明实现了维修能力的突破，提高现役装备保障能力，为海军的应急保障试验任务做出贡献，具有军事及社会效益。
2、本发明的高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，在没有任何技术资料背景下，潜心研究、缜密分析，通过测绘计算球腔内电容面积、分离单极电容容值、双极电容比对等方式，自行测绘、计算、研究解决了电极分配测试技术，经过步骤5的支承信号检测电压测试，结果满足系统要求。
3、本发明的高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，可主要应用于国外高精度陀螺仪的热阴极泵故障修理。在国外对我国技术封锁情况下，需要一种对高精度陀螺仪静电支承电极分配测试技术，用于检验热阴极泵故障修理的正确性。本发明所述的电极分配测试技术在国内也是首次应用。采用上述技术后，通过静电支承电压测试，检验电极分配测试技术，从而保证国外故障陀螺仪修理能力。
附图说明
图1是本发明的静电支承电极上端盖平面图；
图2是本发明的静电支承电极下端盖平面图；
图3是本发明的典型电极面积迭代计算区域示意图；
图4是本发明的静电支承电压原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
本发明为实现静电支承电极准确分配首先要知道各电极区域准确面积及间隙，并将相对静电支承电极区域电容理论计算值与实测值对比分析，再与接入控制电路与位移检测电路，进行支承电压的测量验证。各静电支承电极区域准确面积采用测绘方式得到，首先测绘到各电极区域边界点坐标值，建立边界曲线方程，用边界曲线方程采用循环迭代法逐步细分区域得到计算误差范围内的静电支承电极区域准确面积。本发明的主要创新点在于采取实测点坐标值与静电支承电极图形理论计算相结合方法，计算出各区域静电支承电极参数。
一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，包括以下步骤：
步骤1、测量各静电支承电极区域边界线坐标值，得到各边界线上坐标点；
所述步骤1的具体方法为：采用精度为0.6微米三坐标测量机测量各静电支承电极区域边界线坐标值，得到各边界线上坐标点。
步骤2、建立各静电支承电极区域边界线坐标方程并细化坐标点：
所述步骤2的具体方法为：以支承电极区域所在球面球心为原点建立球坐标系，得到各静电支承电极区域边界线坐标方程模型，用步骤1中得到各边界线上坐标点代入边界线坐标方程模型得到各边界线坐标方程，通过计算得到细化坐标点。
边界线坐标方程模型1:与0°基准线平行剖面方程；
边界线坐标方程模型2:与90°基准线平行剖面方程；
边界线坐标方程模型3:与45°和135°基准线平行剖面方程；
步骤3、根据边界曲线方程模型采用循环迭代法分别计算得出多个引针的静电支承电极面积，并根据各引针的静电支承电极面积计算得出各引针的相对电极电容值；
所述步骤3的根据边界曲线方程采用循环迭代法分别计算得出多个引针的静电支承电极面积的具体步骤包括：
(1)把电极区域分解成如图3所示典型矩形区域，如图3所示。其中，f1和f2分别是两个边界曲线方程模型；
初始设定将典型矩形区域沿Y轴方向分成n个子区域，每个子区域高度为hn，每个子区域面积为:
Si＝[f2(yi)-f2(yi)]×h (1)
(2)按照分成n块子区域计算得到，该电极区域面积和为：
(3)按照分成2n块子区域，按式(1)和式(2)可计算得到Sn2,计算两种分隔子区域方法得到面积差的相对比率ΔS：
ΔS＝(Sn1-Sn2)/Sn1 (3)
(4)如果ΔS≥0.001时，则继续细分分隔数，直至ΔS≤0.001时迭代结束，取最后计算静电支承电极面积。
在本实施例中，用各静电支承电极区域边界线坐标方程计算多个引针的静电支承电极面积，采取循环迭代方法计算得到引针1～16引出静电支承电极面积，结果见表1。
表1
所述步骤3的根据各引针的静电支承电极面积计算得出各引针的相对电极电容值的具体步骤包括：
(1)计算单块电极电容计算公式为：
式中,ε0是介电常数；εr是相对介电常数，真空中是1；S是电极面积；δ是电极与转子之间距离；
(2)相对电极区域电容按照两个串接电容计算，计算公式为：
式中，C1和C2是串接两个电容值；
在本实施例中，从测绘情况看，3号引针和7号引针、11号引针和15号引针、9号引针和13号引针、1号引针和5号引针由外部引线连接，相应两个电极区域就合成一个电极区域。按照转子居于电极中心位置计算，可计算得到相对电极电容理论计算值，结果见表2。
表2
所述步骤3的工作原理为：
按照式(1)-(3)计算得到各电极面积，在表1中列出。按照式(4)-(5)，用表1中电极面积计算得到相对电极电容值，在表2中列出。
其中，上端盖电极引针序号定义，以横坐标为基准：30°位置为标号8、45°位置为标号1、90°位置为标号2、135°位置为标号3、180°位置为标号4、225°位置为标号5、270°位置为标号6、315°位置为标号7。
其中，下端盖电极引针序号定义，以横坐标为基准：30°位置为标号16、45°位置为标号9、90°位置为标号10、135°位置为标号11、180°位置为标号12、225°位置为标号13、270°位置为标号14、315°位置为标号15。其示意图分别见图1、图2。
步骤4、依据步骤3的引针标号分配，获得对称电极分配信息，并采用六位半高精度数字电容表依次测量各静电支承电极区域电容值；
静电支承电极序号编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。其中1～8编号分布在上端面，9～16分布在下端面。
所述步骤4的具体步骤为：
(3)依据静电支承电极区域边界线坐标方程计算分析，确定电极的分配对极；
在本实施例中，电极的分配对极为：2/6、4/8、3/9、5/13、10/14、12/16。
(4)采用电容表分别测量各对极区间电容，测量结果见表3。
表3
| 电极标号 | 2/6 | 4/8 | 3/11 | 5/13 | 12/16 | 10/14 |
| 电容值(pF) | 21.74 | 20.79 | 23.08 | 23.42 | 21.92 | 21.83 |
通过计算及测量，发现2/6、3/9、12/16、4/8、5/13、10/14各极间电容具有对称性，和步骤3计算的面积相差8pF左右，是由于测量线带来的误差，属于正常误差范围。
表2中列出成对工作电极计算电容值与表3中列出实测值相符，差值属于正常误差。
步骤5、启动电源，通过控制电路测量支承电压测试，检测电极分配正确性：
支承电压测量需要外部为支承电极提供直流电源，同时配置相应的位移检测与控制电路方可实现。原理框图见图4，直流支承电源主要功能为位移检测与控制电路提供+27V工作电源。控制电路通过模数及数模转换实现静电支承闭环控制算法，输出支承信号的检测电压。高压放大信号将检测电压进行功率放大。位移检测电路是采用电容电桥将转子偏离球腔中心的位置距离转换成高频交流信号，再经过增益放大、相敏解调和滤波后产生与转子位移成比例的直流电压信号。该电压测量值见表4。该测量值满足系统性能要求。
表4
| 序号 | 支承电压1 | 支承电压2 | 支承电压3 | 备注 |
| 电压值(V) | 0.153 | 0.047 | 0.068 |
所述步骤5的具体方法为：根据电容表测量的各极区间电容和支承电压值，将分配的电极极区，分别接入控制电路与位移检测电路，进行支承电压的测量，用于检测步骤3和步骤4的电极分配正确性。
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。
Claims (7)
1.一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、测量各静电支承电极区域边界线坐标值，得到各边界线上坐标点；
步骤2、建立各静电支承电极区域边界线坐标方程并细化坐标点：
步骤3、根据边界曲线方程模型采用循环迭代法分别计算得出多个引针的静电支承电极面积，并根据各引针的静电支承电极面积计算得出各引针的相对电极电容值；
步骤4、依据步骤3的引针标号分配，获得对称电极分配信息，并采用六位半高精度数字电容表依次测量各静电支承电极区域电容值；
步骤5、启动电源，通过控制电路测量支承电压测试，检测电极分配正确性。
2.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：采用精度为0.6微米三坐标测量机测量各静电支承电极区域边界线坐标值，得到各边界线上坐标点。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：以支承电极区域所在球面球心为原点建立球坐标系，得到各静电支承电极区域边界线坐标方程模型，用步骤1中得到各边界线上坐标点代入边界线坐标方程模型得到各边界线坐标方程，通过计算得到细化坐标点。
4.根据权利要求1或2所述的一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其特征在于：所述步骤3的根据边界曲线方程模型采用循环迭代法分别计算得出多个引针的静电支承电极面积的具体步骤包括：
(1)把电极区域分解成典型矩形区域，其中，f1和f2分别是两个边界曲线方程模型；
初始设定将典型矩形区域沿Y轴方向分成n个子区域，每个子区域高度为hn，每个子区域面积为:
Si＝[f2(yi)-f2(yi)]×h
(2)按照分成n块子区域计算得到，该电极区域面积和为：
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</msubsup>
<mi>S</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
(3)按照分成2n块子区域，按步骤(1)和步骤(2)的两个公式可计算得到Sn2,计算两种分隔子区域方法得到面积差的相对比率ΔS：
ΔS＝(Sn1-Sn2)/Sn1
(4)如果ΔS≥0.001时，则继续细分分隔数，直至ΔS≤0.001时迭代结束，取最后计算静电支承电极面积。
5.根据权利要求1或2所述的一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其特征在于：所述步骤3的根据各引针的静电支承电极面积计算得出各引针的相对电极电容值的具体步骤包括：
(1)计算单块电极电容计算公式为：
<mrow>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>&epsiv;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<msub>
<mi>&epsiv;</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mfrac>
<mi>S</mi>
<mi>&delta;</mi>
</mfrac>
</mrow>
式中,ε0是介电常数；εr是相对介电常数，真空中是1；S是电极面积；δ是电极与转子之间距离；
(2)相对电极区域电容按照两个串接电容计算，计算公式为：
<mrow>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，C1和C2是串接两个电容值。
6.根据权利要求1或2所述的一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤包括：
(1)依据静电支承电极区域边界线坐标方程计算分析，确定电极的分配对极；
(2)采用电容表分别测量各对极区间电容。
7.根据权利要求1或2所述的一种高精度陀螺仪静电支承电极分配测试方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：根据电容表测量的各对极区间电容和支承电压值，将分配的电极极区，分别接入控制电路与位移检测电路，进行支承电压的测量，用于检测步骤3和步骤4的电极分配正确性。
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|---|---|
| CN107830870B (zh) | 2020-09-01 |
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