CN102221362B

CN102221362B - 一种光纤陀螺输出延迟时间的测量装置及其方法

Info

Publication number: CN102221362B
Application number: CN2011100905999A
Authority: CN
Inventors: 薛宁; 刘瑞; 张超; 周虎; 王磊; 舒晓武; 陈杏藩
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: CN102221362A

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺输出延迟时间的测量装置及其方法。它的步骤如下：（1）将光纤陀螺固定在转台上，开启光纤陀螺测试电源，等待光纤陀螺工作稳定，释放撞针撞击转台，转台获得一个冲击信号并将此信号传递给光纤陀螺；（2）信号采集系统采集光纤陀螺的数据以及冲击信号的输入时间信号并上传给信号处理系统；（3）信号处理系统通过解算冲击信号输入与光纤陀螺输出变化之间的时间间隔得到光纤陀螺输出延迟时间。本发明涉及的光纤陀螺输出延迟时间装置及其方法操作简单，抗干扰能力强，精度高，可以准确的测量光纤陀螺的输出延迟时间，填补了国内关于光纤陀螺输出延迟时间测量装置及其方法的空白。

Description

一种光纤陀螺输出延迟时间的测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺输出延迟时间的测量装置及其方法，具体涉及冲击信号输入以及冲击信号输入时刻的记录方法。

背景技术

光学陀螺的原理是基于Sagnac效应——当一个闭合光学回路绕垂直于其所在平面的轴转动时，该闭合光路中从同一点出发的反方向传播的两束光回到起点时产生的相位差与闭合光路的转速成比例关系。

光纤陀螺输出延迟时间是光纤陀螺仪信号输出相对于信号输入的延迟时间中与输入频率无关的部分。

光纤陀螺输出延迟时间是反映光纤陀螺动态性能的一个指标。光纤陀螺输出延迟时间反映了光纤陀螺对角速度输入的跟踪精度。输出延迟时间越短，光纤陀螺反映角速度输入越迅速。

目前光纤陀螺在军事上的应用领域包括飞行器姿态控制、海陆空天导航、高精度寻北系统等；在工业上，光纤陀螺可用于汽车导航、天线/摄像机的稳定、隧道/钻井定向、水下导航、轨道测量、机器人控制等领域。现代飞航武器飞行速度高，飞行轨迹变化快，在振动、急转弯等高动态环境条件下，光纤陀螺的输出延迟时间长短成为了光纤陀螺动态性能评测的一个重要因素，因此对光纤陀螺输出延迟时间的测量对光纤陀螺的使用及相关领域十分重要。

目前，在大动态范围，高动态性能光纤陀螺研制过程中，缺少简单实用的光纤陀螺输出延迟时间测量方法。

发明内容

本发明的目的是针对国内光纤陀螺输出延迟时间测量装置及测量方法空白的现状，提供了一种测量光纤陀螺输出延迟时间的装置及其方法。

测量光纤陀螺输出延迟时间的装置包括转台、转台轴承、撞针、撞针底座、固定底盘、信号采集系统、信号处理系统、待测光纤陀螺；固定底盘上设有转台轴承、撞针底座，转台轴承从下到上依次设有转台、待测光纤陀螺，撞针底座上设有撞针，信号采集系统分别与撞针、信号处理系统、待测光纤陀螺相连；所述的信号采集系统的电路包括光纤陀螺通信接口模块、数据缓存模块、数据存储模块、高低电平采集模块、A/D模数转换模块、USB数据上传模块；数据存储模块与数据缓存模块、A/D模数转换模块及USB数据上传模块相连，数据缓存模块与光纤陀螺通信接口模块相连，A/D模数转换模块与高低电平采集模块相连；光纤陀螺通信接口模块与待测光纤陀螺相连，将待测光纤陀螺的数据通过数据缓存模块传递给数据存储模块，高低电平采集模块与撞针相连，并将撞针的电平变化的模拟量通过A/D模数转换模块转换成数字量传递给数据存储模块，数据存储模块中的数据通过USB数据上传模块上传到信号处理系统。

所述的撞针经过钢化处理，撞针与转台均为导体；所述的固定底盘质量大，固定底盘质量为撞针质量的100倍以上。

光纤陀螺输出延迟时间的测量方法的步骤如下：

1)由撞针撞击转台提供冲击角速度信号作为光纤陀螺的输入信号；

2)信号采集系统基于同一时钟基准对冲击角速度信号以及光纤陀螺在步骤1)中的输出信号进行模数采样，采样频率为f_s，并将得到的数字采样值上传信号处理系统；通过提高信号采集系统的采样频率f_s，或者增加采样点数可以提高光纤陀螺输出延迟时间测试精度。

3) 信号处理系统根据信号采集系统采样得到的数字量判断冲击信号的输入时刻以及光纤陀螺的输出变化时刻，通过计数两个变化时刻之间的采样周期得到光纤陀螺输出延迟时间。冲击信号的输入时刻是根据撞针与转台接触导通的时刻来判定：撞针与转台均为导体，撞针附加高电平，转台附加低电平，撞针撞击转台时，撞针的电平拉低，信号采集系统采集撞针的电平变化得到冲击信号输入时刻t_i。信号处理系统根据采样所得的数字量变化判断光纤陀螺8的输出变化时刻；冲击信号输入后待测光纤陀螺的输出数字量变化为冲击信号输入前的1.5倍的时刻记为待测光纤陀螺的输出变化时刻t_o,根据公式：Δt=t_o-t_i计算即可得到光纤陀螺输出延迟时间，式中：t_i：冲击信号输入时刻，t_o：光纤陀螺输出变化时刻。

本发明的有益效果：提出了一种光纤陀螺输出延迟时间测量装置及测量方法，并提供了一个实用的测量步骤及极短碰撞时间的检测方法；测试装置及测试系统稳定，操作简单，可以准确的测定光纤陀螺输出延迟时间，填补了国内关于光纤陀螺输出延迟时间测量方法及测量装置的空白。

附图说明

图1是光纤陀螺输出延迟时间角速度输入装置结构框图。

图2是光纤陀螺信号采集电路结构框图。

图3是光纤陀螺输出延迟时间实测图。

图中：转台1、转台轴承2、撞针3、撞针底座4、固定底盘5、信号采集系统6、信号处理系统7、光纤陀螺8、光纤陀螺通信接口模块9、数据缓存模块10、数据存储模块11、高低电平采集模块12、A/D模数转换模块13、USB数据上传模块14。

具体实施方式

光纤陀螺输出延迟时间是光纤陀螺仪信号输出相对于角速度信号输入的延迟时间。光纤陀螺感受到的角速度输入时刻t_i和光纤陀螺输出变化时刻t_o之间的时间间隔Δt，就是光纤陀螺输出延迟时间：

Δt=t_o-t_i（1）

利用撞针装置撞击转台，给光纤陀螺输入瞬时冲击角速度输入，用信号采集系统记录光纤陀螺角速度输入时刻t_i和光纤陀螺输出变化时刻t_o并上传信号处理系统，信号处理系统解算出光纤陀螺感受到角速度输入时刻和光纤陀螺输出变化时刻的时间间隔也即是光纤陀螺输出延迟时间。

测量光纤陀螺输出延迟时间的装置包括转台1、转台轴承2、撞针3、撞针底座4、固定底盘5、信号采集系统6、信号处理系统7、待测光纤陀螺8；固定底盘5上设有转台轴承2、撞针底座4，转台轴承2从下到上依次设有转台1、待测光纤陀螺8，撞针底座4上设有撞针3，信号采集系统6分别与撞针3、信号处理系统7、待测光纤陀螺8相连；所述的信号采集系统6的电路包括光纤陀螺通信接口模块9、数据缓存模块10、数据存储模块11、高低电平采集模块12、A/D模数转换模块13、USB数据上传模块14；数据存储模块11与数据缓存模块10、A/D模数转换模块13及USB数据上传模块14相连，数据缓存模块10与光纤陀螺通信接口模块9相连，A/D模数转换模块13与高低电平采集模块12相连；光纤陀螺通信接口模块9与待测光纤陀螺8相连，将待测光纤陀螺8的数据通过数据缓存模块10传递给数据存储模块11，高低电平采集模块12与撞针3相连，并将撞针3的电平变化的模拟量通过A/D模数转换模块13转换成数字量传递给数据存储模块11，数据存储模块11中的数据通过USB数据上传模块14上传到信号处理系统7。

所述的撞针3经过钢化处理，撞针3与转台1均为导体；所述的固定底盘5质量大，固定底盘5质量为撞针3质量的100倍以上。

光纤陀螺输出延迟时间的测量方法的步骤如下：

1)由撞针3撞击转台1提供冲击角速度信号作为光纤陀螺8的输入信号；

2)信号采集系统6基于同一时钟基准对冲击角速度信号以及光纤陀螺8在步骤1)中的输出信号进行模数采样，采样频率为f_s，并将得到的数字采样值上传信号处理系统7；通过提高信号采集系统6的采样频率f_s，或者增加采样点数可以提高光纤陀螺输出延迟时间测试精度。

3) 信号处理系统7根据信号采集系统6采样得到的数字量判断冲击信号的输入时刻以及光纤陀螺8的输出变化时刻，通过计数两个变化时刻之间的采样周期得到光纤陀螺输出延迟时间。冲击信号的输入时刻是根据撞针3与转台1接触导通的时刻来判定：撞针3 与转台1均为导体，撞针3附加高电平，转台1附加低电平，撞针3撞击转台1时，撞针3的电平拉低，信号采集系统采集撞针3的电平变化得到冲击信号输入时刻t_i。信号处理系统7根据采样所得的数字量变化判断光纤陀螺8的输出变化时刻；冲击信号输入后待测光纤陀螺8的输出数字量变化为冲击信号输入前的1.5倍的时刻记为待测光纤陀螺8的输出变化时刻t_o,根据公式：Δt=t_o-t_i计算即可得到光纤陀螺输出延迟时间，式中：t_i：冲击信号输入时刻，t_o：光纤陀螺输出变化时刻。

先将测试系统放在一个稳定的平台上，将光纤陀螺8固定在转台1上，通过信号采集系统6将光纤陀螺8和信号处理系统7建立通信；通过信号线将信号采集系统6和转台1以及撞针3连接起来，信号采集系统6输出一个低电平给转台1，输出一个高电平给撞针3。当撞针3未撞击转台1时，撞针3和转台1是分离不导通的。打开光纤陀螺8的电源，信号采集系统6开始采集光纤陀螺8输出值及转台1的电平高低。预热一段时间，等待光纤陀螺8进入稳定的工作状态。释放撞针3，撞针3撞击转台1，撞击发生时，撞针3和转台瞬间1接触并导通。因为最初撞针3上的电平为高，转台1上的电平为低，两者接触并导通时，撞针3电平被强制拉为低电平；通过信号采集系统6采集撞针3的电平被拉低时刻，这个时刻既是两者接触并导通的时刻，也是转台开始转动、冲击信号输入的时刻t_i。信号采集系统6采集光纤陀螺8的输出信号，并将采样值上传到信号处理系统7。信号处理系统7将光纤陀螺输出值进行处理得到光纤陀螺输出值变化时刻t_o。我们就得到了光纤陀螺输出延迟时间：Δt=t_o-t_i。

实施例：

1、将光纤陀螺用螺钉固定在转台1上，接通测试电源，预热5分钟；

2、信号采集系统通过信号线给撞针3上附加3伏电平，转台1接地，附加电平为0伏，撞针与转台分离；

3、信号采集系统以f_s=10000Hz的采样频率进行采样撞针3的电平及光纤陀螺输出信号，并上传给信号处理系统，采样间隔T=1/f_s=0.1毫秒。

4、触发撞针3，撞针3撞击转台1，当两者接触时，两者导通，撞针3的电平变化，此时记为冲击角速度输入时刻。

5、冲击信号未输入之前，光纤陀螺输出平均值为-30000，冲击信号输入后，光纤陀螺输出值变为-20000时，此时即为光纤陀螺输出变化时刻。

6、冲击角速度输入时刻与光纤陀螺输出变化时刻，两者之间存在175345.5-175342=3.5个周期间隔，则光纤陀螺输出延迟时间为3.5×0.1毫秒=0.35毫秒=350微秒。

Claims

1.一种测量光纤陀螺输出延迟时间的装置，其特征在于包括转台（1）、转台轴承（2）、撞针（3）、撞针底座（4）、固定底盘（5）、信号采集系统（6）、信号处理系统（7）、待测光纤陀螺（8）；固定底盘（5）上设有转台轴承（2）、撞针底座（4），转台轴承（2）从下到上依次设有转台（1）、待测光纤陀螺（8），撞针底座（4）上设有撞针（3），信号采集系统（6）分别与撞针（3）、信号处理系统（7）、待测光纤陀螺（8）相连；信号采集系统（6）的电路包括光纤陀螺通信接口模块（9）、数据缓存模块（10）、数据存储模块（11）、高低电平采集模块（12）、A/D模数转换模块（13）、USB数据上传模块（14）；数据存储模块（11）与数据缓存模块（10）、A/D模数转换模块（13）及USB数据上传模块（14）相连，数据缓存模块（10）与光纤陀螺通信接口模块（9）相连，A/D模数转换模块（13）与高低电平采集模块（12）相连；光纤陀螺通信接口模块（9）与待测光纤陀螺（8）相连，将待测光纤陀螺（8）的数据通过数据缓存模块（10）传递给数据存储模块（11），高低电平采集模块（12）与撞针（3）相连，并将撞针（3）的电平变化的模拟量通过A/D模数转换模块（13）转换成数字量传递给数据存储模块（11），数据存储模块（11）中的数据通过USB数据上传模块（14）上传到信号处理系统（7）。

2.根据权利要求1所述的一种测量光纤陀螺输出延迟时间的装置，其特征在于所述的撞针（3）经过钢化处理，撞针（3）与转台（1）均为导体。

3.根据权利要求1所述的一种测量光纤陀螺输出延迟时间的装置，其特征在于所述的固定底盘（5）质量大，固定底盘（5）质量为撞针（3）质量的100倍以上。

4.一种使用如权利要求1所述装置的光纤陀螺输出延迟时间的测量方法，其特征在于它的步骤如下：

1)由撞针（3）撞击转台（1）提供冲击角速度信号作为待测光纤陀螺（8）的输入信号；

2)信号采集系统（6）基于同一时钟基准对冲击角速度信号以及待测光纤陀螺（8）在步骤1)中的输出信号进行模数采样，采样频率为f_s，并将得到的数字采样值上传信号处理系统（7）；通过提高信号采集系统（6）的采样频率f_s，或者增加采样点数可以提高光纤陀螺输出延迟时间测试精度；

3)信号处理系统（7）根据信号采集系统（6）采样得到的数字量判断冲击信号的输入时刻以及待测光纤陀螺（8）的输出变化时刻，通过计数两个变化时刻之间的采样周期得到待测光纤陀螺（8）输出延迟时间，冲击信号的输入时刻是根据撞针（3）与转台（1）接触导通的时刻来判定：撞针（3）与转台（1）均为导体，撞针（3）附加高电平，转台（1）附加低电平，撞针（3）撞击转台（1）时，撞针（3）的电平拉低，信号采集系统采集撞针（3）的电平变化得到冲击信号输入时刻t_i；信号处理系统（7）根据采样所得的数字量变化判断待测光纤陀螺（8）的输出变化时刻；冲击信号输入后待测光纤陀螺（8）的输出数字量变化为冲击信号输入前的1.5倍的时刻记为待测光纤陀螺（8）的输出变化时刻t_o,根据公式：Δt=t_o-t_i计算即可得到待测光纤陀螺（8）输出延迟时间，式中：t_i：冲击信号输入时刻，t_o：光纤陀螺输出变化时刻。