一种三浮惯性仪表浮子跑合设备

摘要

本发明涉及一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，属于惯性仪表技术领域。包括三浮惯性仪表浮子(待测件)、多通道马达电源、多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱及上位机组成；可同时驱动多个三浮惯性仪表浮子进行跑合筛选。该设备采用自动化控制的手段取代人工操作，实现跑合的定时自动启动与停止、跑合过程数据的自动采集与记录，将操作者从单调、枯燥的数据记录工作中解脱出来；此外，浮子跑合设备引入跑合异常实时监测与自动处理功能，提高跑合设备的可靠性，当跑合异常情况发生时能够对异常进行及时响应与自动分级处理，避免跑合异常对浮子或设备可能造成的损伤。

权利要求

1.一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：该跑合设备包括多通道马达电源、多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱、报警模块和上位机，其中：多通道马达电源，简称马达电源，包括马达电源下位机和多个输出通道，每个输出通道输出三相方波信号，每个输出通道输出的三相方波信号驱动一个浮子进行跑合；

多通道电信号监测模块，简称电信号监测模块，电信号监测模块的监测通道数及通道编号与马达电源输出通道一致；电信号监测模块的各监测通道之间相互独立，每个通道均包含一套电信号测量单元，电信号测量单元对浮子三相驱动信号的三相电压与三相电流进行采集，电信号监测模块采用“应答”模式进行信号采集，即上位机定时、周期性地通过通信总线发送采集指令，该电信号监测模块根据指令采集相关监测通道的采集值、并将结果汇总后作为响应回传上位机；

多通道温度采集模块包括多路温度采集通道，多通道温度采集模块在跑合过程中对浮子表面温度进行采集，温度采集通道数及通道编号与马达电源输出通道一一对应；

程控温箱用于待测三浮惯性仪表浮子加热，为待测三浮惯性仪表浮子提供温度场环境；

报警模块用于跑合异常提示；

上位机用于控制并协调马达电源、电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱和报警模块。

2.根据权利要求1所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：待测的三浮惯性仪表浮子的核心为半球动压磁滞马达，该型马达采用跑合频率为1kHz、相位差为120°的三相方波信号进行驱动，驱动信号的电压分为“同步电压”与“跑合电压”；其中，“同步电压”为马达的启动电压，用于马达同步；马达同步后，驱动信号的电压切换并长期稳定在“跑合电压”，驱动马达跑合；同步电压切换为跑合电压的过渡过程平稳过渡、无突变。

3.根据权利要求1所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：马达电源的各输出通道相互独立，每个输出通道包括三相功率放大单元和数模转换成单元，在马达电源下位机的控制下，三相功率放大单元产生频率为1kHz、相位差为120°的三相方波信号并进行功率放大，数模转换单元用于对三相方波信号的电压进行调整；马达电源上电后为待机状态，各输出通道输出未使能，即不输出信号，马达电源通过通信总线受上位机控制，被控项包括各通道的输出使能与断使能操作、“同步电压”与“跑合电压”设定、同步电压持续时长，即“同步时间”设定、“同步电压”切换为“跑合电压”的“降压斜率”设定；当上位机对马达电源某通道进行使能操作后，被使能通道将输出三相驱动信号，三相驱动信号的初始电压为“同步电压”，持续一段时间“同步时间”设定值后，以“降压斜率”设定值将输出电压由“同步电压”匀速降至“跑合电压”，并长期稳定在“跑合电压”，直至上位机对该通道进行断使能操作。

4.根据权利要求1所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：多通道温度采集模块包括温度变换电路和多个温度采集探头，温度采集探头为小型化探头，温度采集探头粘贴于浮子表面，温度采集探头用于采集浮子表面温度，温度采集探头数量与马达电源输出通道数一致；温度变换电路接收上位机定时发送的温度采集指令，根据温度采集指令对各温度采集探头的采集值进行数据处理，并将处理结果回传上位机。

5.根据权利要求1所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：程控温箱上电后为待机状态，需要上位机通过通信总线发送使能指令使能程控温箱工作，程控温箱加温并将内温保持在目标温度；当程控温箱工作时，若上位机发送断使能指令，将程控温箱切换为待机状态，程控温箱立即停止工作；上位机通过装订指令对程控温箱的目标温度及温升速率进行设置，还通过查询指令读取程控温箱的箱内温度、目标温度及温升速率参数。

6.根据权利要求1所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：报警模块用于跑合异常提示，由三色报警灯与蜂鸣器组成，在跑合过程中，上位机一旦监测到跑合异常，便通过通信总线使能三色报警灯及蜂鸣器进行分级报警，当异常处理后，需要上位机发送“复位”命令将报警模块复位，之后若再次出现异常，报警模块仍被触发报警。

7.根据权利要求1所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：上位机运行浮子跑合上位机软件，控制并协调马达电源、电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱及报警模块工作；具备数据采集及处理功能，定时、周期性地读取电信号监测模块与多通道温度采集模块的监测量，进行数据处理、显示、存储并生成报表；具备跑合异常实时监测及自动处理功能，具备人机交互功能，为调整各功能模块的控制参数及跑合异常的判定阈值提供接口。

8.根据权利要求1所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：所述的跑合设备由总控开关控制设备上电，总控开关闭合后，设备的所有模块一同上电，其中，多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块与报警模块上电后直接进入正常工作状态，等待上位机指令执行对应操作；程控温箱上电后处于待机状态，由上位机进行使能操作后开始工作，使能前，需要上位机对程控温箱的目标温度及温升速率进行装订；多通道马达电源上电后处于待机状态，由上位机控制其工作。

9.根据权利要求7所述的一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，其特征在于：所述的浮子跑合上位机软件具备通信总线自检功能，上位机软件启动后，首先通过发送握手指令对上位机与各功能模块的通信功能进行检查，若上位机与某一功能模块握手失败，将在操作界面中弹出提示框，提示通信异常；若自检无误，执行后续的跑合控制操作。

说明书

一种三浮惯性仪表浮子跑合设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，一种具备定时自动启动与停止跑合、跑合过程数据实时采集与记录、跑合异常实时监测与自动处理能力的三浮惯性仪表浮
子跑合设备，用于三浮惯性仪表浮子的跑合筛选，属于惯性仪表技术领域。

背景技术

[0002] 三浮陀螺仪与三浮陀螺加速度计(合称为三浮惯性仪表)分别利用了高速旋转刚体(陀螺马达)的定轴性与进动性进行设计。两类三浮惯性仪表的陀螺马达均为动压气浮磁
滞马达，密封于惯性仪表浮子内。由于仪表体积限制，该型马达体积小、加工精度高、工艺复
杂、制备难度大、容易出现质量隐患。因此，动压马达装入浮子并密封后，需要在浮子状态下
进行多个姿态、多个周期、共计上百个小时的跑合筛选测试(简称为浮子跑合筛选)，避免存
在隐患的三浮惯性仪表浮子(后文简称为浮子)流入后续的三浮惯性仪表装配环节、影响仪
表的装配合格率与装配效率。

[0003] 传统的浮子跑合设备不具备自动化能力，需要操作者手动进行浮子的上电、断电以及跑合电压切换等操作；传统的浮子跑合设备为开环结构，输出频率为1kHz、相位差为
120°的三相方波信号驱动浮子跑合，但对跑合过程无监控、无数据记录，需要操作者定时、
周期性地对马达的跑合电流、跑合电压、浮子表面温度等过程数据进行手动记录；传统的浮
子跑合设备不具备跑合异常实时监测功能，不能对异常进行及时处理，存在损坏设备或浮
子可能，需要操作者在跑合过程中时常关注设备的运行状况，避免跑合异常对设备或浮子
可能造成的损伤。

[0004] 《测控技术》2015年第34卷第9期《LabVIEW在加速度计动压马达跑合监测系统中的应用》介绍了一种马达跑合监测系统，可以在动压马达跑合过程中对10路动压马达的电流、
功率、电压和频率等电信号进行采集。与传统的跑合设备相比，该监测系统一定程度上将操
作者从枯燥、繁琐的数据记录过程中解脱出来；但是，该监测系统是在传统的马达跑合设备
基础上实现了数据自动采集功能，不具备与跑合设备的交互能力，未形成对跑合过程的闭
环控制，不能对跑合过程中出现的异常情况进行自动、及时处理，无法避免跑合异常可能对
浮子或设备造成的损伤；此外，该设备仍依赖于操作者手动进行浮子的上电、断电与跑合电
压切换等操作。

[0005] 综上所述，传统的跑合设备自动化程度偏低，对操作者的依赖程度较高，对人力的浪费较为严重，而且不具备跑合异常监测功能，不能及时对异常进行自动处理，存在对设备
或浮子造成损伤的风险。

发明内容

[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，该跑合设备为一种带过程参数监测功能的多通道三浮惯性仪表浮子跑合设备，可
驱动多路浮子同时跑合，采用自动化控制的手段取代人工操作，实现跑合的定时自动启动
与停止、跑合过程数据的自动采集与记录、跑合异常的实时监测与分级处理，将操作者从单
调、枯燥的跑合状态监控与数据记录工作中解脱出来。

[0007] 基于上述一种带过程参数监测功能的多通道三浮惯性仪表浮子跑合设备，引入跑合异常实时监测与自动处理功能，提高跑合设备的可靠性，当跑合异常情况发生时能够对
异常进行及时响应与自动分级处理，避免跑合异常对浮子或设备可能造成的损伤。

[0008] 本发明的技术解决方案是：

[0009] 一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，该跑合设备包括三浮惯性仪表浮子、多通道马达电源、多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱、报警模块和上位机，其
中：

[0010] 三浮惯性仪表浮子为待测组件，其核心为半球动压磁滞马达(密封于浮子内)，浮子跑合的目的就是在浮子状态下对动压马达进行跑合筛选。该型马达跑合需要频率为
1kHz、相位差为120°的三相方波信号进行驱动，驱动信号的电压分为“同步电压”与“跑合电
压”。其中，“同步电压”为马达的启动电压(高电压)，用于马达同步；马达同步后，驱动信号
的电压切换并长期稳定在“跑合电压”(低电压)，驱动马达跑合；同步电压切换为跑合电压
的过渡过程要求平稳过渡、无突变。

[0011] 多通道马达电源(后文简称马达电源)包括马达电源下位机和多个输出通道，每个输出通道输出三相方波信号，每个输出通道输出的三相方波信号驱动一个浮子进行跑合；
各输出通道相互独立，每个输出通道包括三相功率放大单元和数模转换成单元。在马达电
源下位机的控制下，三相功率放大单元产生频率为1kHz、相位差为120°的三相方波信号并
进行功率放大，数模转换单元用于对三相方波信号的电压进行调整。马达电源上电后为待
机状态(各输出通道输出未使能，即不输出信号)，马达电源通过通信总线受上位机控制，被
控项包括各通道的输出使能与断使能操作、“同步电压”与“跑合电压”设定、同步电压持续
时长(即“同步时间”)设定、“同步电压”切换为“跑合电压”的“降压斜率”设定。当上位机对
马达电源某通道进行使能操作后，被使能通道将输出三相驱动信号，三相驱动信号的初始
电压为“同步电压”，持续一段时间(“同步时间”设定值)后，以“降压斜率”设定值将输出电
压由“同步电压”匀速降至“跑合电压”，并长期稳定在“跑合电压”，直至上位机对该通道进
行断使能操作。

[0012] 多通道电信号监测模块(后文简称电信号监测模块)的监测通道数及通道编号与马达电源输出通道保持一致，各监测通道之间相互独立，每个通道均包含一套电信号测量
单元，电信号测量单元对浮子三相驱动信号的三相电压与三相电流进行采集。电信号监测
模块采用“应答”模式进行信号采集，即上位机定时、周期性地通过通信总线发送采集指令，
该电信号监测模块根据指令采集相关监测通道的采集值、并将结果汇总后作为响应回传上
位机。

[0013] 多通道温度采集模块包括多路温度温度采集通道，多通道温度采集模块在跑合过程中对浮子表面温度进行采集，温度采集通道数及通道编号与马达电源输出通道一一对
应。该多通道温度采集模块包括温度变换电路和多个温度采集探头，温度采集探头为小型
化探头，温度采集探头粘贴于浮子表面，温度采集探头用于采集浮子表面温度，温度采集探
头数量与马达电源输出通道数一致；温度变换电路接收上位机定时发送的温度采集指令，
根据温度采集指令对各温度采集探头的采集值进行数据处理，并将处理结果回传上位机。

[0014] 程控温箱用于浮子加热，为浮子提供其在仪表中正常工作时的温度场环境。程控温箱上电后为待机状态，需要上位机通过通信总线发送使能指令使能温箱工作(温箱加温
并将内温保持在目标温度)；当程控温箱工作时，若上位机发送断使能指令，可将温箱切换
为待机状态，程控温箱立即停止工作。此外，上位机不仅可以通过装订指令对程控温箱的目
标温度及温升速率进行设置，还可以通过查询指令读取程控温箱的箱内温度、目标温度及
温升速率等参数。

[0015] 报警模块用于跑合异常提示，由三色报警灯与蜂鸣器组成。在跑合过程中，上位机一旦监测到跑合异常，便通过通信总线使能三色报警灯及蜂鸣器进行分级报警，提醒操作
者注意。当操作者将异常处理后，需要上位机发送“复位”命令将报警模块复位，之后若再次
出现异常，报警模块仍可被触发报警。

[0016] 上位机作为跑合设备的控制核心，运行浮子跑合上位机软件，控制并协调各功能模块(马达电源、电信号监测模块、温度采集模块、程控温箱及报警模块)工作；具备数据采
集及处理功能，定时、周期性地读取电信号监测模块与温度采集模块的监测量，进行数据处
理、显示、存储并生成报表；具备跑合异常实时监测及自动处理功能，避免跑合异常对浮子
或设备可能造成的损伤；具备人机交互功能，为调整各功能模块的控制参数及跑合异常的
判定阈值提供接口，实现跑合过程的人为干预。

[0017] 所述的多通道三浮惯性仪表浮子跑合设备由总控开关控制设备上电，总控开关闭合后，设备的所有模块一同上电。其中，多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块与报
警模块上电后直接进入正常工作状态，等待上位机指令执行对应操作；程控温箱上电后处
于待机状态，由上位机进行使能操作后开始工作(使能前，需要上位机对温箱的目标温度及
温升速率进行装订)；多通道马达电源上电后同样处于待机状态，由上位机控制其工作；上
位机采用Windows操作系统、上电自启动，需要操作者打开并启动“浮子跑合上位机软件”。

[0018] 所述的浮子跑合上位机软件具备通信总线自检功能，上位机软件启动后，首先通过发送握手指令对上位机与各功能模块的通信功能进行检查。若上位机与某一功能模块握
手失败，将在操作界面中弹出提示框，提示通信异常；若自检无误，方可执行后续的跑合控
制操作。

[0019] 前述的浮子跑合上位机软件具备多个跑合通道的控制及监测功能，跑合通道作为马达电源的输出通道、电信号监测模块的监测通道、温度采集模块的温度采集通道在上位
机中的映射，跑合通道的个数与上述模块的通道数目保持一致，且通道编号与上述模块的
通道编号一一对应。操作者在上位机中对某一跑合通道的设置可以等效为对马达电源对应
输出通道的设置；同时，电信号监测模块及温度采集模块各监测通道的采集量也会在对应
的跑合通道上进行显示。操作者将某一跑合通道选通后，需要首先设置该跑合通道的跑合
参数(包括“浮子编号”、“操作人员”、“跑合姿态”、“同步电压”、“跑合电压”、“同步时间”、
“降压斜率”、“定时上电”、“上电温度”、“跑合时长”以及“异常阈值”等)，随后，上位机软件
根据上述参数设定值对浮子跑合进行控制及过程监控。

[0020] 前述的浮子跑合上位机软件具备对程控温箱的控制功能，待完成所有待跑合通道的设置后，操作者需要在上位机中对程控温箱的“目标温度”与“温升速率”进行设置，上位
机软件根据设定值对程控温箱进行参数装订并使能温箱工作。程控温箱被使能后，将按照
“温升速率”进行加温，当箱内温度达到“目标温度”后切换为保温状态，将箱内温度维持在
“目标温度”，为浮子加热。当所有通道跑合结束后，上位机软件对程控温箱发送断使能命
令，停止温箱工作。

[0021] 前述的浮子跑合上位机软件采用定时与定温相结合的方式使能马达电源输出，驱动浮子跑合。当操作者在上位机软件中选通某一跑合通道并完成该通道跑合参数设置后，
上位机软件对该通道进行延时计时，同时周期性地读取该跑合通道的浮子表面温度；当延
时时间达到该通道跑合参数设置项中的“定时上电”设定值、且浮子表面温度满足“上电温
度”设定值时，上位机软件通过参数装订指令对马达电源的相应输出通道进行“同步电压”、
“跑合电压”、“同步时间”与“降压斜率”等参数的装订，并使能该通道输出。马达电源相应的
输出通道被使能后，首先将输出信号的电压值设定为“同步电压”装订值，并维持一段时间
(时长根据“同步时间”装订值设定，用于马达同步)，随后，根据“降压斜率”装订值，将输出
电压自动降至“跑合电压”，驱动浮子马达跑合。在同步阶段及降压过渡阶段，上位机软件将
对同步时间及过渡时间进行计时。

[0022] 前述的浮子跑合上位机软件可以采用“定时断电”的方式停止浮子跑合。在浮子跑合过程中，上位机软件对跑合时间进行计时，当某一跑合通道的计时时间满足该通道跑合
参数设置项中的“跑合时长”设定值时，上位机软件对马达电源对应的输出通道进行断使
能，停止该通道浮子跑合。在跑合过程中，上位机软件也允许操作者对某跑合通道进行手动
断电，在未达到“跑合时长”设定值的情况下强制停止该通道浮子跑合。

[0023] 前述的浮子跑合上位机软件具备马达惯性时间测试功能，当马达电源某输出通道输出被断使能，上位机软件继续利用多通道电信号监测模块对浮子马达的反电动势进行采
集与记录，当反电动势电压值降至0V后，上位机软件停止电信号采集与记录，并根据反电动
势计算浮子马达惯性时间。

[0024] 前述的浮子跑合上位机软件具备跑合数据的实时采集、记录及报表生成功能。在跑合过程中，上位机软件周期性对电信号监测模块与温度采集模块发送查询指令，读取两
模块各通道的测量值，并将各通道的测量值在上位机操作界面上进行显示；同时，上位机软
件以“浮子编号”建立记录文件，对各通道的跑合参数设定值以及跑合过程数据(浮子三相
驱动信号的电压、电流与浮子表面温度)进行记录。在某通道跑合结束后，上位机软件对此
次跑合的过程数据进行汇总、统计并生成数据报表，记录浮子编号、温箱编号、设备编号、跑
合通道、浮子跑合的位置姿态、每2h内的三相驱动信号电压与电流的均值与极差以及浮子
马达惯性时间。

[0025] 前述的浮子跑合上位机软件具备跑合异常实时监测功能。上位机软件以各浮子的表面温度及各通道马达三相驱动信号的电压(分为同步电压与跑合电压)、电流(分为同步
电流与跑合电流)、线电压对称度、同步时长、降压过渡时长以及浮子表面温度为异常监测
项；在跑合过程中，上位机软件周期性读取电信号监测模块及温度采集模块的测量值时，同
步将上述监测量与该通道跑合参数设定项中的“异常阈值”设定值进行比较，当某一监测量
满足“异常阈值”预设值时，便被视为跑合异常事件。根据异常可能会造成的影响，将跑合异
常划分为“报警”与“故障”两个异常等级；其中，“报警”表示部分异常监测项存在超差，但跑
合设备与浮子无功能性问题，继续跑合对设备或浮子无损伤；“故障”表示异常监测项超差
较为严重，设备或浮子可能存在功能性问题，继续跑合可能损坏浮子或设备。

[0026] 前述的浮子跑合上位机软件具备跑合异常分级处理功能。在跑合过程中，上位机软件一旦监测到异常事件，便根据异常等级(“报警”或“故障”)进行分级处理。针对“报警”
级别的异常，因继续跑合对设备或浮子无损伤，上位机软件使能三色报警灯显色黄色提示
异常(蜂鸣器未使能，马达电源相应通道未断使能)，由操作者决定对马达电源该通道断电
还是继续跑合做进一步观察(如无人为干预，将继续通电跑合)；针对“断电”级别的异常，因
继续跑合可能对设备或浮子造成损伤，上位机使能三色报警灯显示红色、蜂鸣器蜂鸣报警，
同时对马达电源对应输出通道进行断使能，避免对浮子或设备造成的损伤。

[0027] 前述的浮子跑合上位机软件在完成异常处理后，需要操作者进行报警清除操作，初始化报警模块，使其在跑合异常事件再次发生时能够继续被触发。在未清除“超差”报警
的情况下，若发生“故障”异常，跑合设备自动将“超差”报警切换为“故障”报警，并执行“故
障”异常预设的处理。

[0028] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0029] (1)本发明提出的浮子跑合设备采用自动化控制的手段取代人工操作，实现跑合的定时自动启动与停止、跑合过程数据的自动采集与记录、跑合异常的实时监测与分级处
理，将操作者从单调、枯燥的跑合状态监控与数据记录工作中解脱出来。

[0030] (2)本发明提出的浮子跑合设备引入跑合异常实时监测与自动分级处理功能，以浮子马达三相驱动信号的电压、电流、线电压对称度、同步时长、降压过渡时长以及浮子表
面温度为异常监测项，对跑合异常进行实时监测与判读；根据异常可能会造成的影响，将异
常划分为“超差”与“故障”两个异常等级，当异常情况发生时，便根据异常等级进行分级处
理，从而提高跑合设备的可靠性，避免跑合异常对浮子或设备可能造成的损伤。

[0031] (3)本发明提供了一种多通道马达跑合电源由马达电源下位机及多个输出通道组成，可驱动多个惯性仪表浮子同时进行跑合。多通道马达跑合电源的各输出通道相互独立，
各输出通道的“同步电压”、“跑合电压”“同步时间”及“降压斜率”等跑合参数可通过上位机
进行调节；上位机对马达电源某一通道进行使能后，马达电源将按照该通道的跑合参数设
定值，自动调节该通道的输出信号，进行浮子马达同步并与跑合。

[0032] (4)本发明提供了一套浮子跑合上位机软件，控制并协调各功能模块(马达电源、电信号监测模块、温度采集模块、程控温箱及报警模块)工作；具备数据采集及处理功能，定
时、周期性地读取电信号监测模块与温度采集模块的监测量，进行数据处理、显示、存储并
生成报表；具备跑合异常实时监测及自动处理功能，避免跑合异常对浮子或设备可能造成
的损伤；具备人机交互功能，为调整各功能模块的控制参数及跑合异常的判定阈值提供接
口，实现跑合过程的人为干预。

[0033] (5)一种三浮惯性仪表浮子跑合设备，由三浮惯性仪表浮子(待测件)、多通道马达电源、多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱及上位机组成；可同时驱动
多个三浮惯性仪表浮子进行跑合筛选。该设备采用自动化控制的手段取代人工操作，实现
跑合的定时自动启动与停止、跑合过程数据的自动采集与记录，将操作者从单调、枯燥的数
据记录工作中解脱出来；此外，浮子跑合设备引入跑合异常实时监测与自动处理功能，提高
跑合设备的可靠性，当跑合异常情况发生时能够对异常进行及时响应与自动分级处理，避
免跑合异常对浮子或设备可能造成的损伤。

附图说明

[0034] 图1为三浮惯性仪表浮子跑合设备系统方框图；

[0035] 图2为多通道马达电源系统方框图；

[0036] 图3为多通道电信号监测系统方框图；

[0037] 图4为多通道温度采集模块方框图；

[0038] 图5为多通道温度采集模块第1路监测通道方框图；

[0039] 图6为报警模块方框图。

具体实施方式

[0040] 一种带过程参数监测功能的多通道三浮惯性仪表浮子跑合设备，由三浮惯性仪表浮子、多通道马达电源、多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱、报警模块
与上位机组成，其中：

[0041] 三浮惯性仪表浮子为待测组件，其核心为半球动压磁滞马达，需要频率为1kHz、相位差为120°的三相方波信号进行驱动；驱动信号的启动电压分为“同步电压”，用于马达同
步；马达同步后，电压切换并长期稳定在“跑合电压”，驱动马达跑合；同步电压切换为跑合
电压的过渡过程要求平稳过渡、无突变。

[0042] 多通道马达电源具有多个输出通道，可同时驱动多个浮子进行跑合；

[0043] 多通道电信号监测模块具有多个监测通道，监测通道的个数及通道编号与多通道马达电源输出通道保持一致，在跑合过程中对浮子驱动信号的三相电压与三相电流进行采
集；

[0044] 多通道温度采集模块具有多个温度采集通道，温度采集通道数及通道编号与多通道马达电源输出通道一一对应，在跑合过程中对浮子表面温度进行采集；

[0045] 程控温箱用于浮子加热，为浮子提供其在仪表中正常工作时的温度场环境；

[0046] 报警模块用于跑合异常提示，在跑合过程中，上位机一旦监测到跑合异常，便通过通信总线使能报警模块进行分级报警，提醒操作者注意；

[0047] 上位机作为跑合设备的控制核心，运行浮子跑合上位机软件，控制并协调各功能模块工作；在跑合过程中，对跑合过程数据进行实时采集、显示与记录，并对跑合异常进行
实时监测与分级处理，保证设备的可靠性。

[0048] 上位机通过通信总线与多通道马达电源、多通道电信号监测模块、多通道温度采集模块、程控温箱、报警模块并行连接，控制上述各模块工作。

[0049] 所述的多通道马达电源有多个输出通道，可同时驱动多个惯性仪表浮子进行跑合。各输出通道相互独立，各通道输出信号的“同步电压”、“跑合电压”“同步时间”及“降压
斜率”等参数可通过上位机进行调节，马达电源将按照跑合参数设定值自动调节该通道的
输出信号，进行浮子马达同步并与跑合；当上位机对多通道马达电源某一正在输出的通道
发送断使能命令后，马达电源该通道停止输出信号，终止该通道浮子跑合。

[0050] 上位机经通信总线与电信号监测模块及温度采集模块并行连接，通过多通道电信号监测模块与多通道温度采集模块对各跑合通道浮子三相驱动信号的电压、电流及浮子表
面温度。

[0051] 具备多个跑合通道的控制及监测功能，跑合通道作为马达电源的输出通道、电信号监测模块的监测通道、温度采集模块的温度采集通道在上位机中的映射，跑合通道的个
数与上述模块的通道数目保持一致，且通道编号与上述模块的通道编号一一对应。操作者
在上位机中对某一跑合通道的设置可以等效为对马达电源对应输出通道的设置；同时，电
信号监测模块及温度采集模块各监测通道的采集量也会在对应的跑合通道上进行显示。

[0052] 操作者将某一跑合通道选通后，需要首先设置该跑合通道的跑合参数(包括“浮子编号”、“操作人员”、“跑合姿态”、“同步电压”、“跑合电压”、“同步时间”、“降压斜率”、“定时
上电”、“上电温度”、“跑合时长”以及“异常阈值”等)，随后，上位机软件根据上述参数设定
值对浮子跑合进行控制及过程监控。

[0053] 采用定时与定温相结合的方式使能马达电源输出，启动浮子跑合。当操作者在上位机软件中选通某一跑合通道并完成该通道跑合参数设置后，上位机软件对该通道进行延
时计时，同时周期性地查询该跑合通道的浮子表面温度；当延时时间达到该通道跑合参数
设置项中的“定时上电”设定值、且浮子表面温度满足“上电温度”设定值时，上位机软件通
过参数装订指令对马达电源的相应输出通道进行“同步电压”、“跑合电压”、“同步时间”与
“降压斜率”等参数的装订，并使能该通道输出。

[0054] 可以采用“定时断电”的方式停止浮子跑合。在浮子跑合过程中，上位机软件对跑合时间进行计时，当某一跑合通道的计时时间满足该通道跑合参数设置项中的“跑合时长”
设定值时，上位机软件对马达电源对应的输出通道进行断使能，停止该通道浮子跑合。在跑
合过程中，上位机软件也允许操作者对某跑合通道进行手动断电，在未达到“跑合时长”设
定值的情况下强制停止该通道浮子跑合。

[0055] 具备对程控温箱的控制功能，待完成所有待跑合通道的设置后，操作者在上位机中对程控温箱的“目标温度”与“温升速率”进行设置，上位机软件根据设定值对程控温箱进
行参数装订并使能温箱工作。程控温箱被使能后，首先按照“温升速率”进行加温，当箱内温
度达到“目标温度”后切换为保温状态，将箱内温度维持在“目标温度”。当所有通道跑合结
束后，上位机软件对程控温箱发送断使能命令，停止温箱工作。

[0056] 具备马达惯性时间测试功能，当马达电源某输出通道输出被断使能，上位机软件继续利用多通道电信号监测模块对浮子马达的反电动势进行采集与记录，并根据反电动势
计算浮子马达惯性时间。

[0057] 具备跑合数据的实时采集、记录及报表生成功能。在跑合过程中，上位机软件周期性对多通道电信号监测模块与多通道温度采集模块发送查询指令，读取两模块各通道的测
量值，并将各通道的测量值在上位机操作界面上进行显示；此外，上位机软件以“浮子编号”
建立记录文件，对各通道的跑合参数设定值以及跑合过程数据(浮子三相驱动信号的电压、
电流与浮子表面温度)进行记录。在某通道跑合结束后，上位机软件对此次跑合的过程数据
进行汇总、统计并生成数据报表，记录浮子编号、温箱编号、设备编号、跑合通道、浮子跑合
的位置姿态、每2h内的三相驱动信号电压与电流的均值与极差以及浮子马达惯性时间。

[0058] 具备跑合异常实时监测功能，以浮子马达三相驱动信号的电压、电流、线电压对称度、同步时长、降压过渡时长以及浮子表面温度为异常监测项，对跑合异常进行实时监测与
判读；根据异常可能会造成的影响，将异常划分为“超差”与“故障”两个异常等级，当异常情
况发生时，便根据异常等级进行分级处理，从而提高跑合设备的可靠性，避免跑合异常对浮
子或设备可能造成的损伤。

[0059] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

[0060] 实施例

[0061] 图1为三浮惯性仪表浮子跑合设备的系统方框图，由三浮惯性仪表浮子1、多通道电信号监测模块2、多通道马达电源3、多通道温度采集模块4、程控温箱5、上位机7与报警模
块8组成。上位机7经RS485通信总线6、多通道马达电源3、多通道电信号监测模块2连接三浮
惯性仪表浮子1，驱动三浮惯性仪表浮子1跑合。多通道电信号监测模块2经RS485通信总线6
连接上位机7，对三浮惯性仪表浮子1的驱动信号进行采集。多通道温度采集模块5经RS485
总线6与上位机7连接，对三浮惯性仪表浮子1的表面温度进行采集。上位机7经RS485总线6
与程控温箱5连接，控制温箱工作，为三浮惯性仪表浮子1模拟其在仪表正常工作时的温度
环境。

[0062] 三浮惯性仪表浮子1为待测组件，其核心为半球动压磁滞马达(密封于浮子内)，浮子跑合的目的就是在浮子状态下对半球动压马达进行跑合筛选。该型马达工作需要频率为
1kHz、相位差为120°的三相方波进行驱动，驱动信号的电压分为“同步电压”与“跑合电压”。
“同步电压”为马达的启动电压，用于马达同步；马达同步后，驱动信号的电压切换并长期稳
定在“跑合电压”，驱动马达跑合；“同步电压”切换为“跑合电压”的过程要求平稳过渡、无突
变。

[0063] 图2为多通道马达电源3的系统方框图，由马达电源下位机9及8个输出通道10～17并行连接组成。马达电源下位机9基于FPGA设计，经RS458通信总线6与上位机7连接，接收上
位机指令，对8个输出通道10～17进行设置。8个输出通道10～17相互独立，分别由一个数模
转换单元与一个三相功率放大单元组成；在马达电源下位机9的控制下，每个输出通道均可
以驱动一个三浮惯性仪表浮子1进行跑合。以第1路输出通道11为例，马达电源下位机9与三
相功率放大单元26直接连接，控制三相功率放大单元26输出频率为1kHz、相位差为120°的
三相方波信号、并进行功率放大；马达电源下位机9经数模转换单元18与三相功率放大单元
26连接，对三相功率放大单元26输出的三相驱动信号的电压进行设置。同理，多通道马达电
源3的其余7路输出通道11～17与第1路输出通道10同理。

[0064] 前述的多通道马达电源3由上电后处于待机状态，8路输出通道10～17处于未使能状态(输出信号为0V)，由上位机7对多通道马达电源3的各输出通道进行参数装订及使能输
出。以第1路输出通道10为例，当上位机7对马达电源下位机9进行第1路输出通道的跑合参
数(包括“同步电压”、“同步时间”、“降压斜率”、“跑合电压”等)装订并使能输出后，马达电
源下位机9根据上位机指令，启动该通道的三相功率放大单元26，输出频率为1kHz、相位差
为120°的三相方波信号，同时设置数模转换单元18将输出信号的电压设定为“同步电压”，
进行三浮惯性仪表浮子1同步；在同步阶段，马达电源下位机9开启计时器对同步阶段进行
计时；当计时时间满足“同步时间”设定值后，按照“降压斜率”设定值设置数模转换单元18，
将输出电压平稳过渡到跑合电压，驱动三浮惯性仪表浮子1跑合。多通道马达电源3的其余7
路输出通道10～17的工作流程与上述的第1路输出通道10的工作流程同理。

[0065] 图3为多通道电信号监测模块2的系统方框图，由电信号监测模块下位机34及8个监测通道35～42组成，上位机7经RS458通信总线6、电信号监测模块下位机34与8路电信号
监测通道35～42并行连接。8路监测通道35～42相互独立，与多通道马达电源的8个输出通
道10～17对应连接，对三浮惯性仪表浮子1的跑合电压与跑合电流进行采集。电信号监测模
块下位机34基于FPGA设计，上电自启动，采用“应答式”工作模式，即，上位机7定时、周期性
的向电信号监测模块下位机34发送查询指令，电信号监测模块下位机34根据上位机指令，
读取各通道三浮惯性仪表浮子1三相驱动信号的电压及电流，打包后作为响应回传上位机
7。

[0066] 图4为多通道电信号监测模块的第1路电信号监测通道35方框图，由3个电压计43～45及3个电流计46～48组成。马达电源第1路输出通道11的A、B、C三相输出分别经A相电流
计46、B相电流计47、C相电流计48与三浮惯性仪表浮子1对应连接，驱动三浮惯性仪表浮子1
跑合；多通道电信号监测模块下位机34与A相电流计46、B相电流计47、C相电流计48并行连
接，对三浮惯性仪表浮子1的三相驱动电流进行采集。同理，多通道电信号监测模块下位机
34经AB相电压计43与马达电源第1路输出通道11的A相及B相输出并行连接、经AC相电压计
45与第1路输出通道11的A相及C相输出并行连接、经BC相电压计45与第1路输出通道11的B
相及C相输出并行连接，对三浮惯性仪表浮子1的AB相、AC相及BC相的驱动电压进行采集。多
通道电信号监测模块2的其余7路电信号监测通道36～42与第1路电信号监测通道35的状态
一致，均分别由3个电压计及3个电流计组成，且与多通道马达电源其余7路输出通道11～17
的连接关系同第1路电信号监测通道35与多通道马达电源与第1路输出通道的连接关系同
理，对其余7路输出通道11～17的驱动电压与驱动电流进行采集。

[0067] 图5为多通道温度采集模块4方框图，由温度变换电路49与8路温度采集探头50～57组成，在跑合过程中对浮子表面温度进行监测。上位机7经RS485通信总线6、温度变换电
路49与8路温度采集探头50～57并行连接。8路温度采集探头50～57为小型化热敏电阻探
头，粘贴于三浮惯性仪表浮子1表面，采集浮子表面温度；温度变换电路49上电自启动，采用
“应答式”工作模式，接收上位机7发送的温度采集指令，将8路温度采集探头50～57的电阻
值变换为温度值，打包后作为响应回传上位机7。

[0068] 程控温箱5采用市场上的成熟产品，用于为三浮惯性仪表浮子1提供其在仪表中正常工作时的温度场环境。程控温箱5经RS485通信总线6与上位机7连接，由上位机7控制其工
作。程控温箱5上电后处于待机状态，由上位机7通过参数装订指令对其“目标温度”与“温升
速率”等参数进行设置后，发送使能指令使能其工作。程控温箱5被使能后，首先按照“温升
速率”设定值进行升温，当箱内温度达到“目标温度”设定值时切换为保温模式，将温箱内温
保持在“目标温度”。在程控温箱5工作过程中，上位机7发送断使能指令可立即将程控温箱5
切换为待机状态，程控温箱5停止工作。此外，上位机还可以通过查询指令对程控温箱5的箱
内温度、目标温度及温升速率等参数进行查询。

[0069] 图6为报警模块8方框图，由报警下位机58、三色报警灯59、蜂鸣器60组成，三色报警灯59可显示绿、黄、红三种颜色。上位机7经RS485通信总线6、报警下位机58与三色报警灯
59、蜂鸣器60并行连接。在跑合过程中，上位机7对跑合过程进行实时监测，根据跑合情况触
发报警下位机58驱动三色报警灯59及蜂鸣器60工作。其中，三色报警灯59显示绿色且蜂鸣
器60不报警，表示有通道跑合结束；三色报警灯59显示红色且蜂鸣器60不报警，表示所有通
道均跑合结束；三色报警灯59显示黄色且蜂鸣器60不报警，表示有通道跑合数据超差，但继
续跑合对该通道的浮子或设备无损伤；三色报警灯59显示红色且蜂鸣器60报警表示有跑合
通道出现跑合故障，继续跑合可能会对该通道的浮子或设备造成损伤。

[0070] 上位机7作为浮子跑合设备的控制核心，采用NI的PXI工控机，运行浮子跑合上位机软件。上位机软件采用LabVIEW语言编写，主要功能有：①设备上电后的通信自检功能，对
上位机7与各功能模块的通信进行检查，确保指令及数据传输正常；②控制并协调多通道电
信号监测模块2、多通道马达电源3、多通道温度采集模块4、程控温箱5及报警模块8等模块
工作；③定时、周期性地读取多通道电信号监测模块2与多通道温度采集模块4的监测量，进
行数据处理、显示、存储并生成报表；④跑合异常实时监测及分级处理，避免跑合异常对浮
子或设备可能造成的损伤；⑤人机交互，为人为调整各功能模块的控制参数及跑合异常的
判定阈值提供接口，实现跑合过程的人为干预。

[0071] 三浮惯性仪表浮子跑合设备由总控开关控制上电，总控开关闭合后，上述所有模块统一上电。其中，多通道电信号监测模块2及多通道温度采集模块4上电自启动，采用“应
答式”工作模式，接收上位机7发送的查询指令，采集相应通道的电信号跑合电压、跑合电流
及浮子表面温度、作为响应回传上位机；报警模块8上电自启动，根据上位机指令触发三色
报警灯59及蜂鸣器60，提醒操作者注意；多通道马达电源3与程控温箱5上电后处于待机状
态，需要上位机7对其进行参数装订及使能工作；上位机7上电自启动，由操作者打开“浮子
跑合上位机软件”，根据三浮惯性仪表浮子1与多通道电信号监测模块8个通道35～42的连
接情况，启动相应的多通道马达电源输出通道10～17驱动三浮惯性仪表浮子1跑合。

[0072] 所述的浮子跑合上位机软件，具备8个跑合通道的控制及监测功能，跑合通道作为马达电源、电信号监测模块及温度采集模块的各个通道在上位机中的映射，跑合通道的编
号与上述模块的各通道的编号一一对应。浮子跑合上位机软件主操作界面作为跑合设备人
机交互的接口，界面中包含8个跑合通道的通道开关，用于控制各跑合通道的启动与停止；
包括8个显示窗，用于各跑合通道浮子驱动信号的三相电压、三相电流以及浮子表面温度的
显示；包含“温箱设置”按键，用于控制程控温箱工作；包含“清除报警”按键，同于初始化报
警模块。详细操作步骤如下：

[0073] (1)浮子跑合上位机软件启动后，8个通道开关为“禁用”状态，上位机软件发送握手指令对上位机7与各功能模块的通信功能进行自检，若自检无误，将8个通道开关切换为
“使能”状态(若自检出错，将触发报警)；

[0074] (2)8个通道开关切换为“使能”状态后，操作者根据三浮惯性仪表浮子1与多通道电信号监测模块8个监测通道35～42的连接情况，在上位机中单击对应的通道开关，触发该
通道三浮惯性仪表浮子1跑合。

[0075] (3)当某一跑合通道的通道开关被单击后，首先弹出“跑合参数确认界面”，界面中包括该跑合通道的“操作人员”、“产品编号”、“跑合姿态”、“定时上电”、“上电温度”、“跑合
时长”以及“异常阈值”等参数进行调整与确认。其中，“操作人员”与“浮子编号”的默认值为
该通道上次跑合的设定值，操作者可根据实际情况进行调整(不调整将维持默认)；其余参
数的默认值由后台程序依据配置文件进行设置，操作者可在界面中临时调整，调整项仅适
用于此次跑合(也可以在配置文件中对相关参数进行修改，修改项将长期有效)。参数调整
后，单击“确认”按键完成该路跑合通道的参数确认。随后，上位机软件启动该通道的延时等
待计时器对等待时间进行计时，同时，开始周期性查询该通道三浮惯性仪表浮子(1)的表面
温度。

[0076] (4)与步骤(2)～步骤(3)类似，完成其余所有待跑合通道的设置；

[0077] (5)当所有待跑合通道设置完成后，单击上位机主操作界面上的“温箱设置”按键，在弹出的“温箱参数确认”界面中，对程控温箱5的“目标温度”及“温升速率”进行设置或调
整(两项参数的默认值为上次跑合的设定值，操作者可根据实际情况进行调整)，单击“确
认”按键后，上位机软件通过参数装订指令及使能指令，对程控温箱5的“目标温度”及“温升
速率”进行装订、并使能其工作。程控温箱5将首先按照“温升速率”设定值进行升温，当箱内
温度达到“目标温度”设定值时切换为保温模式，将温箱内温保持在“目标温度”；

[0078] (6)当某通道的延时等待计时器的计时值达到该通道“跑合参数确认界面”中的“定时上电”设定值且浮子表面温度达到“上电温度”设定值后，上位机软件对多通道马达电
源3发送参数装订指令及使能指令，对多通道马达电源3对应通道的“同步电压”、“跑合电
压”、“同步时间”及“降压斜率”等参数进行装订并使能输出，驱动与该通道相连的三浮惯性
仪表浮子1开始跑合；于此同时，上位机软件通过读取对应的电信号监测通道的监测量，对
三浮惯性仪表浮子1的同步电压、同步电流、跑合电压及跑合电流进行监测。此外，在同步阶
段及降压过渡阶段，上位机软件将对同步时间及过渡时间进行计时。

[0079] (7)在跑合过程中，上位机软件周期性的查询多通道电信号监测通道2与多通道温度采集模块4的监测量，在上位机主界面中实时显示并保存在记录文件中；同时，上位机软
件通过将上述监测量与该通道“跑合参数确认界面”中设置的“异常阈值”比对，对跑合异常
进行实时监测；此外，上位机软件还对每个跑合通道的跑合时长进行计时，并在主界面中进
行显示；

[0080] (8)当某一跑合通道的跑合计时达到该通道“跑合参数确认界面”中的“跑合时长”设定值后，上位机软件将对多通道马达电源3的对应输出通道进行断使能，停止该通道浮子
跑合；此外，在跑合过程中，若操作者再次单击某一正在跑合通道的通道开关也可以对多通
道马达电源3的对应输出通道进行手动断使能，在未达到“跑合时长”设定值的情况下停止
该通道浮子跑合；

[0081] (9)多通道马达电源3的某一输出通道被断使能后，上位机软件弹出“惯性时间测试界面”，继续读取多通道电信号监测模块2的对应监测通道监测量，对该通道三浮惯性仪
表浮子1的马达惯性时间进行测试，惯性时间测试值将在“惯性时间测试界面”上进行显示，
并保存在原始记录文件中；

[0082] (10)某一通道惯性时间测试结束后，上位机软件停止该通道监测数据的记录、生成并保存该通道此次跑合的数据报表(数据报表包含浮子编号、跑合设备编号及通道号、操
作者、跑合姿态、跑合起始与结束时间、惯性时间、同步电压、同步电流以及每两个小时内的
跑合电压、跑合电流、浮子表面温度的均值与极差)；

[0083] (11)上位机软件对其他跑合通道的状态进行查询，若仍存在正在跑合的通道，则触发报警模块8驱动三色报警灯59显示绿色，提醒操作者有三浮惯性仪表浮子1跑合结束；
若所有通道均跑合结束，则触发报警模块8驱动三色报警灯59显示红色，提醒操作者所有通
道跑合结束，并对程控温箱5发送断使能指令，停止温箱工作。

[0084] (12)待所有通道跑合结束后，操作者关闭上位机操作系统、断开总控开关将跑合设备断电。

[0085] 在跑合过程中，上位机软件对多通道电信号监测模块2及多通道温度采集模块4的采集值进行实时处理，并与对应通道“跑合参数确认界面”中设置的“异常阈值”进行比对，
对各通道的跑合状态进行实时监测。“异常阈值”分为偏差阈值及绝对值阈值两类，其中，偏
差阈值以同步电压、跑合电压、同步时长、降压过渡时长相对于该通道“跑合参数确认界面”
中预设值的偏差为异常监测项(过渡时长的预设值通过同步电压与跑合电压相减后除以降
压斜率求得)；绝对值阈值以三相电压对称度、同步电流、跑合电流与浮子表面温度的测量
值为异常监测项。将跑合状态分为“正常”、“超差”、“故障”三种状态，三种状态的划分判据
如表1所示。

[0086] 表1浮子跑合的三种状态划分判据

[0087]

[0088] 表1中，“正常”表示跑合过程正常；“超差”表示部分异常监测项存在超差，但继续跑合不会对浮子1或跑合设备造成损伤；“故障”表示设备或浮子可能存在功能性问题，继续
跑合可能会对浮子1或跑合设备造成损伤。“超差”与“故障”均属于跑合异常，由于两类异常
造成的影响不同，上位机软件进行分级报警。在跑合过程中，若某一通道发生“超差”异常，
上位机软件将控制报警模块下位机58驱动三色报警灯59显示黄色蜂鸣器60不鸣响；若某一
通道发生“故障”异常，上位机软件立即控制多通道马达电源3对故障通道进行断使能、停止
该通道浮子跑合，并控制报警模块下位机58驱动三色报警灯59显示红色、蜂鸣器60蜂鸣报
警，提醒操作者注意。

[0089] 表1中的“异常阈值”由上位机软件读取配置文件设定，操作者可以在“跑合参数确认界面”进行临时调整(调整项的有效性仅适合此次跑合)；操作者也可以通过修改配置文
件中的相关参数项进行调整，调整项将长期有效性。

[0090] 当操作者对异常进行处理后，需要上位机7发送“清除”指令，对报警模块8初始化，使其在跑合异常事件再次发生时能够继续被触发；在未清除“超差”异常报警的情况下，若
发生“故障”异常，上位机软件自动将“超差”报警切换为“故障”报警，并执行“故障”异常预
设的处理。

[0091] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。