CN101038167A - 基于光纤陀螺的教学实验寻北仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤陀螺的教学实验寻北仪，包括光纤陀螺、二自由度转台、计算机和角速度信号转换模块，角速度信号转换模块存储在计算机内的存储器中，计算机通过RS232接口与光纤陀螺连接，光纤陀螺安装在二自由度转台的载物台上。二自由度转台旋转时，处于其上的光纤陀螺通过串行口将数据送入计算机。学生利用本发明的教学实验寻北仪，通过转动二自由度转台，在光纤陀螺轴向处于水平面时测量出光纤陀螺轴向的角速度分量，确定地理北的方向。也可以利用本发明教学实验寻北仪测量出光纤陀螺实验室所处的纬度和地球的自转角速度。

Description

基于光纤陀螺的教学实验寻北仪

技术领域

本发明涉及一种教学实验仪器，更特别地说，是指一种基于光纤陀螺的适用于教学的寻北仪。

背景技术

惯性技术的发展与陀螺仪的发展密切相关。陀螺仪作为一种对惯性空间角运动的惯性敏感器，可用于测量运载体姿态角和角速度，是构成惯性系统的基础核心器件。光纤陀螺仪诞生于1976年，目前已经发展为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，具有高可靠性、长寿命、快速启动、大动态范围等一系列优点。

随着我国航空航天事业的迅猛发展，作为当代的大学生，应该了解和掌握更多的航空航天技术。为了使学生更加了解光纤陀螺的工作原理和应用，通过学生实际操作实验设备达到寻北目的，使学生通过测量测试获得所在位置的纬度和地球自转角速度，并为了方便学生测量、减小实验环境的建造费用等，本发明人设计了一个基于光纤陀螺的教学实验寻北仪。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤陀螺的教学实验寻北仪，该教学实验寻北仪通过手动转动二自由度转台，并计算机接收光纤陀螺信息、以及数据处理找到地理北方位。在二自由度转台的载物台上固定一光纤陀螺，通过手动转动支架绕竖直轴转动获得所述光纤陀螺的不同方位角，以及通过手动转动水平轴使载物台上的所述光纤陀螺绕水平轴转动获得所述光纤陀螺的不同俯仰角。由学生转动支架、水平轴来测量地球自转角速度在光纤陀螺轴向上的分量来确定地理北，以及光纤陀螺所处实验室的纬度和地球自转角速度。

本发明是一种基于光纤陀螺的教学实验寻北仪，由光纤陀螺、计算机、二自由度转台和角速度信号转换模块组成，角速度信号转换模块存储在计算机内的存储器中，计算机通过RS232接口与光纤陀螺连接，光纤陀螺安装在二自由度转台的载物台上；二自由度转台旋转时，角速度信号转换模块采集光纤陀螺输出的角速度信息。学生利用本发明的教学实验寻北仪，通过转动二自由度转台，在光纤陀螺轴向处于水平面时测量出光纤陀螺轴向的角速度分量，确定地理北的方向。也可以利用本发明教学实验寻北仪测量出光纤陀螺实验室所处的纬度和地球的自转角速度。

本发明基于光纤陀螺的教学实验寻北仪的优点在于：(1)通过手动转动支架5、水平轴7可以使实验者掌握光纤陀螺寻北方法；(2)定位件结构设计有效地提高了手动转动一定角度后的微调过程，使支架5在绕竖直轴3 1转动精度为0.01°；(3)分度盘53安装在水平轴7的一端部，配合与水平轴固定的指针59可以读出此时光纤陀螺的俯仰角；(4)支架5与竖直轴31构成第一个自由度，即反映光纤陀螺的方位角信息；水平轴7与支架5构成第二个自由度，即反映光纤陀螺的俯仰角信息；(5)通过在角速度信号转换模块中运用模拟手段来了解并掌握基于萨格奈克效应的光纤陀螺仪的原理，认识光纤陀螺仪作为没有机械转子的新型全固态惯性仪表，在航空、航天等领域的重要作用；(6)通过二自由度转台与角速度信号转换模块(软件平台)的配合操作，实现了光纤陀螺对地球自转角速度分量的测量，并利用地球自转角速度分量确定地理北的方向，计算出实验室所在的纬度和地球自转角速度；(7)通过软、硬件的结合教学，有效地降低了教学成本。

附图说明

图1是本发明教学实验寻北仪的系统框图。

图2(A)是本发明信息采集界面。

图2(B)是本发明登录界面。

图3是本发明二自由度转台的结构图。

图4是图3的右视结构图。

图5是定位件爆炸示图。

图6是支撑杆的结构图。

图中：1.基座     11.定位孔      12.中心轴孔     2.支撑杆21.支撑杆 22.方形孔  23.纵向紧固钉  24.横向紧固钉   25.圆环三角叉26.通孔   3.定位件   31.竖直轴      32.转盘         33.刻度盘34.卡紧件    35.左右调节件  36.凹槽        37.凸耳      38.定位紧固钉4.法兰盘     5.支架         51.右支臂      52.左支臂    53.分度盘54.轴承端盖  55.右紧定螺钉  56.左紧定螺钉  57.左轴套    58.右轴套59.指针      6.载物台       61.左连接臂    62.右连接臂  7.水平轴

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明设计的基于光纤陀螺的教学实验寻北仪，是为了学生掌握光纤陀螺的基本原理和应用，同时提高学生实验动手能力，以及增强实验效果而设计的包含一个机械式转台的教学仪器。该教学仪器依据光纤陀螺仪的基本原理。目前现有的有关光纡陀螺的实验仪大都只具有演示性实验内容，在实验时，当光纤线圈轴向发生转动时，只能从示波器中观察到相位的变化，而且学生动手的方面比较少。这样，通过实验让学生了解光纤陀螺原理以及应用的效果并不好。基于在光纤陀螺实验仪方面的空缺，以及为了学生对光纤陀螺原理的进一步学习，本发明人自主设计和开发一套完整的光纤陀螺综合实验仪。学生通过实际操作实验设备可以寻北，可以测量测试所在实验室的纬度和地球自转角速度。光纤陀螺仪涉及的基本物理概念非常多，如光的反射与折射、光程、干涉、偏振、相对论、光电效应等。光纤陀螺实验仪体现了光纤的应用，反映了物理对高新技术的支持。

请参见图1所示，本发明基于光纤陀螺的教学实验寻北仪，由计算机、角速度信号转换模块、光纤陀螺和二自由度转台组成，角速度信号转换模块存储在计算机内的存储器中，计算机通过RS232接口与光纤陀螺连接，光纤陀螺安装在二自由度转台的载物台6(如图3所示)上。

本发明的角速度信号转换模块主要由登录界面和信息采集界面(如图2(A)、图2(B)所示)构成，所述信息采集界面是根据实验要求进行设定的，用于了解光纤陀螺在工作时的状况，并根据录入信息和手动调节二自由度转台所转的转动角信息，综合四位置法获得数字式零偏值；所述登录界面用于教师和学生进行访问信息采集界面，并通过不同参量的设置，使学生获得学习知识的内容，同时也使老师可以下达指令给学生进行实验操作以及检查学生实验数据。

在本发明中，角速度信号转换模块采用Visual C++语言编译，其接收光纤陀螺在不同位置状态下的角速度信号，并根据信息采集界面录入的相关参数，解析获得当前光纤陀螺所在的纬度、以及地球自转的角速度。本发明角速度信号转换模块对接收信息的处理如下：

1、初始化“信息采集界面”，获得当前光纤陀螺参数；

2、设定平滑系数，其范围11～6001。

3、转动二自由度转台，使光纤陀螺轴向与实验室地面成任意角度，角度调节范围-30°～+30°；

4、点击“开始”采样进行中，一般采集10个点，所需时间约100s；

5、在响应串口通讯事件过程中，获得数据信息的具体过程为：

函数void CIFOG3View::OnComm( )，MSComm控件的事件响应函数。先设置MSComm控件中的InputLen(表示当前缓存区内输入的长度)属性为1，每次读取一个字符，当CommEvent(表示当前缓存区内的状态)属性为2时，接收缓冲区内所有字符，执行通讯事件。由于VC++中串口通讯控件编程时，从缓冲区读来的数据为VARIANT型，读取缓冲区内的数据，将其转换为可操作的ColeSafeArray类型，再转换为字节型，储存在data数组中。

串口通讯每一帧5个字节，格式为：“开始位80H，数据位低8位，数据位高8位，符号位00H或FFH，停止位5AH”。由于每次读取一个字节，所以需要先判断起始位，然后依次读取数据低位、高位，再用第四字节的符号位判断前面数据正负值是否正确，00H为正数，FFH是负数。

数据的当前值是，数据位高8位(第3字节)乘以256，再加上数据位低8位(第2字节)。由于数据是有符号数，通讯时采用补码形式，所以在使用时得先将其转换为原码。

dSum_Current+＝Data_1+Data_2*256.0；//正数

dSum_Current+＝(Data_1+(Data_2&127)*256.0)-32768；//负数

(Data_2为数据高8位，Data_1为数据低8位，dSum_Current为数据的当前值。

6、输出值的显示

double m_dCurrent：“当前值”文本编辑框的关联函数，通过串口传送来的数据，统计平滑数(m_nSmooth)后求平均，把值赋给m_dCurrent，在文本编辑框中输出，作为当前值。

double m_dMax：“最大值”文本编辑框的关联函数。

double m_dMin：“最小值”文本编辑框的关联函数。

CString m_strSmooth：接收平滑系数下拉列表框中的值。

int m_nSmooth：整形平滑系数值。

int m_iBiaoDu：接收文本编辑框和数值调节钮的值，表示标度因数。

最大值、最小值：在“当前值”中求“最大值、最小值”，赋给m_dMax和m_dMin，在文本编辑框中输出，作为“最大值、最小值”。具体如下：当“当前值”大于“最大值”时，将“最大值”赋予为“当前值”，当“当前值”小于“最大值”时，“最大值”不变；当“当前值”小于“最小值”时，将“最小值”赋予为“当前值”，当“当前值”大于“最小值”时，“最小值”不变。

零偏值：将“当前值”乘以3600后除以标度因数，赋给零偏值。

7、数据的保存记录，本发明中数据格式为Excel文档。

本发明角速度信号转换模块中设置了多个功能按钮，这些按钮的功能大部分为常规按钮，可以从图示中明白按钮应当行使的功能。

(一)四位置法寻北的数据处理方法：

先使光纤陀螺的轴向平行于水平面(也可以不平行于水平面，所成角度-30°～+30°)，调节二自由度转台使光纤陀螺轴向处于任意位置，测量角速度(即零偏值)，然后顺时针或者逆时针转动转台(只沿其中的一个方向，这里我们设沿顺时针方向)，每旋转90°测量n次角速度(n≥10)并取其平均值为该位置的角速度记为ω_i′，i＝1，2，3，4，一共测量四个位置的数据，分别记为：

ω₁′＝ω₀′cosα+ε+ε₀

ω₂′＝ω₀′cos(α+90°)+ε+ε₀＝-ω₀′sinα+ε+ε₀

ω₃′＝ω₀′cos(α+180°)+ε+ε₀＝-ω₀′cosα+ε+ε₀

ω₄′＝ω₀′cos(α+270°)+ε+ε₀＝ω₀′sinα+ε+ε₀

其中ω₀′为地球在光纤陀螺轴向所在位置的地球自转角速度的分量，ε为随机误差，ε₀为系统误差。

则有： $\sin \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4^{\′}-{\mathrm{\ω}}_2^{\′}}{{2\mathrm{\ω}}_0^{\′}},$ $\cos \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_3^{\′}}{{2\mathrm{\ω}}_0^{\′}}$

∴ $\tan \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4^{\′}-{\mathrm{\ω}}_2^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_3^{\′}}\⇒\mathrm{\α}=\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_4^{\′}-{\mathrm{\ω}}_2^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_1^{\′}-{\mathrm{\ω}}_3^{\′}}$

α为初始位置与地理北极的夹角，当α＞0时，将转台在水平面内逆时针转过α角，当α＜0时，将转台在水平面内顺时针转过-α角，再测量此位置的自转角速度分量，当自转角速度ω＞0时，光纤陀螺轴向所对方向即为地理北的方向；当自转角速度ω＜0时，光纤陀螺轴向所对方向即为地理南的方向。

(二)测量地球自转角速度及确定纬度的数据处理方法：

调整光纤陀螺使其轴向处于包含地理北并垂直与水平面的平面内，保持二自由度转台在水平方向上的位置。再调整光纤陀螺使其轴向垂直于水平面(通过在光纤陀螺上放置水平仪，使光纤陀螺上表面平行于水平面，此时我们认为光纤陀螺其轴向垂直于水平面)，测量光纤陀螺此位置的角速度，然后顺时针或者逆时针旋转(只沿其中的一个方向)，每旋转90°测量n次角速度(n≥10)，并取其平均值为该位置的角速度记为ω_i，i＝1，2，3，4，一共测量四个位置的数据，分别记为

ω₁＝ω₀cosβ+ε+ε₀

ω₂＝ω₀cos(β+90°)+ε+ε₀＝-ω₀sinβ+ε+ε₀

ω₃＝ω₀cos(β+180°)+ε+ε₀＝-ω₀cosβ+ε+ε₀

ω₄＝ω₀cos(β+270°)+ε+ε₀＝ω₀sinβ+ε+ε₀

其中ω₀为地球自转角速度，ε为随机误差，ε₀为系统误差，β为光纤陀螺所在位置的纬度。

则有： $\sin \mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_2}{{2\mathrm{\ω}}_0},$ $\cos \mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3}{2{\mathrm{\ω}}_0}$

∴ $\tan \mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3}\⇒\mathrm{\β}=\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3}$

∴ ${\mathrm{\ω}}_{01}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_2}{2\sin \mathrm{\β}},$ ${\mathrm{\ω}}_{02}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_2}{2\cos \mathrm{\β}}$

∴ ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}+{\mathrm{\ω}}_{02}}{2}$

因此，计算出光纤陀螺所在位置的纬度和地球自转角速度。

图3所示是本发明基于光纤陀螺的寻北仪的二自由度转台，由基座1、支撑杆2、定位件3、法兰盘4、支架5、载物台6、水平轴7构成；

所述基座1，基座1的一支撑腿上设有定位孔11，基座1的中心部位设有中心轴孔12；

所述支撑杆2，由支撑杆21和圆环三角叉25组成，支撑杆21的一端设有方形孔22，圆环三角叉25的一端设有通孔26，圆环三角叉25的另一端通过横向紧定钉24穿过方形孔22上的孔、圆环三角叉25端部的孔将圆环三角叉25安装在方形孔22内，纵向紧定钉23一端穿过圆环三角叉25端部设有的纵向孔，延伸至通孔26外沿，达到紧固定位件3的竖直轴31的目的；

所述定位件3，由竖直轴31、转盘32、刻度盘33、卡紧件34、左右调节件35和定位紧固钉38组成，转盘32、刻度盘33、左右调节件35、卡紧件34顺次叠合安装在轴31上，刻度盘33紧定在左右调节件35上，左右调节件35的端部设有凸耳37，卡紧件34的端部设有凹槽36，凸耳37通过紧定螺钉安装在凹槽36内，通过侧面的紧固钉38达到紧固刻度盘33的目的；

定位件3的竖直轴31的一端安装在基座1的中心轴孔12内，竖直轴31的另一端安装在法兰盘4的轴孔内，法兰盘4上固定有山形支架5，右支臂51的上端内侧安装有轴套58，外侧安装有分度盘53，分度盘53的轴心与右轴套58的轴心共点，右支臂51的顶部安装有紧定螺钉55(用于卡紧水平轴7)，左支臂52的上端内侧安装有左轴套57，外侧安装有轴承端盖54，左支臂52的顶部安装有紧定螺钉56(用于卡紧水平轴7)，水平轴7的两端分别安装在左轴套57和右轴套58中，右边装有指针59，载物台6通过左连接臂61和右连接臂62安装在水平轴7上，载物台6随水平轴7一起转动，通过指针59反映载物台的俯仰角度。

在实际操作中，首先将光纤陀螺安装在载物台6上，并保证光纤陀螺的轴向处在水平面内。然后转动支架5，每10°(刻度盘33有显示)进行一次测量光纤陀螺轴向的角速度分量；一般支架5旋转一周，找出光纤陀螺轴向的角速度分量的相对较大的两个值，在所述两个值所对应的位置之间每2°(刻度盘33有显示)进行一次测量，从而找到光纤陀螺轴向的角速度分量的最大值，其对应位置即地理北向；然后用纵向紧定钉23固定竖直轴31；转动水平轴7，每10°(分度盘53有显示)进行一次测量光纤陀螺轴向的角速度分量；一般水平轴7旋转90°，找出光纤陀螺轴向的角速度分量的相对较大的两个值，在所述两个值所对应的位置之间每2°(分度盘53有显示)进行一次测量，找到光纤陀螺轴向的角速度分量的最大值，确定地球自传角速度，进而测量出光纤陀螺所处实验室的纬度。

也可以采用下面的操作方法：首先将光纤陀螺安装在载物台6上，并保证光纤陀螺的轴向处在水平面内。利用四位置法测量寻找地理北，即首先在水平面内的四个位置即相邻之间夹角90°的四个方位，分别测量出光纤陀螺轴向的角速度分量，利用公式计算出偏差角度，然后确定出地理北的方向；在包含地理北方向并垂直于水平面的平面内，利用四位置法测量出光纤陀螺轴向的角速度分量，利用公式计算出实验室所处的纬度值和地球的角速度。

本发明教学实验寻北仪可以使学生了解并掌握基于萨格奈克效应的光纤陀螺仪的原理，认识光纤陀螺仪作为没有机械转子的新型全固态惯性仪表，在航空、航天等领域的重要作用。

Claims (7)

1、一种基于光纤陀螺的教学实验寻北仪，包括光纤陀螺、计算机，其特征在于：还包括二自由度转台和角速度信号转换模块，角速度信号转换模块存储在计算机内的存储器中，计算机通过RS232接口与光纤陀螺连接，光纤陀螺安装在二自由度转台的载物台(6)上；二自由度转台旋转时，角速度信号转换模块采集光纤陀螺输出的角速度信息。

2、根据权利1所述的教学实验寻北仪，其特征在于：所述二自由度转台由基座(1)、支撑杆(2)、定位件(3)、法兰盘(4)、支架(5)、载物台(6)、水平轴(7)组成；

所述基座(1)，基座(1)的一支撑腿上设有定位孔(11)，基座(1)的中心部位设有中心轴孔(12)；

所述支撑杆(2)，由支撑杆(21)和圆环三角叉(25)组成，支撑杆(21)的一端设有方形孔(22)，圆环三角叉(25)的一端设有通孔(26)，圆环三角叉(25)的另一端通过横向紧定钉(24)穿过方形孔(22)上的孔、圆环三角叉(25)端部的孔将圆环三角叉(25)安装在方形孔(22)内，纵向紧定钉(23)一端穿过圆环三角叉(25)端部设有的纵向孔，延伸至通孔(26)外沿；

所述定位件(3)，由竖直轴(31)、转盘(32)、刻度盘(33)、卡紧件(34)、左右调节件(35)和定位紧固钉(38)组成，转盘(32)、刻度盘(33)、左右调节件(35)、卡紧件(34)顺次叠合安装在轴(31)上，刻度盘(33)紧定在左右调节件(35)上，左右调节件(35)的端部设有凸耳(37)，卡紧件(34)的端部设有凹槽(36)，凸耳(37)通过紧定螺钉安装在凹槽(36)内；

定位件(3)的竖直轴(31)的一端安装在基座(1)的中心轴孔(12)内，竖直轴(31)的另一端安装在法兰盘(4)的轴孔内，法兰盘(4)上固定有山形支架(5)，右支臂(51)的上端内侧安装有轴套(58)，外侧安装有分度盘(53)，分度盘(53)的轴心与右轴套(58)的轴心共点，右支臂(51)的顶部安装有紧定螺钉(55)，左支臂(52)的上端内侧安装有左轴套(57)，外侧安装有轴承端盖(54)，左支臂(52)的顶部安装有紧定螺钉(56)，水平轴(7)的两端分别安装在左轴套(57)和右轴套(58)中，右边装有指针(59)，载物台(6)通过左连接臂(61)和右连接臂(62)安装在水平轴(7)上，载物台(6)随水平轴(7)一起转动，通过指针(59)反映载物台的俯仰角度。

3、根据权利要求2所述的教学实验寻北仪，其特征在于：所述二自由度转台上的支架(5)与竖直轴(31)构成第一个自由度；水平轴(7)与支架(5)构成第二个自由度。

4、根据权利要求1所述的教学实验寻北仪，其特征在于：角速度信号转换模块采用Visual C++语言编译。

5、根据权利要求1所述的教学实验寻北仪，其特征在于：学生能够利用其找到地理北的方位。

6、根据权利要求1所述的教学实验寻北仪，其特征在于：学生能够测量出地球的自转角速度。

7、根据权利要求1所述的教学实验寻北仪，其特征在于：学生能够测量出光纤陀螺所处实验室的纬度。

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