CN102721423A - 静电陀螺仪极轴光电传感器分辨率标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明为静电陀螺仪极轴光电传感器分辨率的标定系统。该系统设计了外径与陀螺转子相同的球冠转子，其被联接到空气静压气浮轴上，球冠转子在自由悬浮状态下高速旋转以模拟静电引力状态。空气静压轴承系统施加支撑控制力矩以调节转子上的静压悬浮力，使转子在陶瓷碗内处于稳定的平衡状态，克服使陀螺仪产生漂移的干扰力矩。压电陶瓷微位移器PZT驱动工作台微位移，使极轴光电传感器的光轴与固联于地理坐标系的球冠转子间作小角度切线运动，以模拟静电陀螺仪光电传感器的输出和所对应的微小角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺仪实际工作状态相当的传感器分辨率。该系统能够准确地得到极轴光电传感器分辨率的真实值。

Description

静电陀螺仪极轴光电传感器分辨率标定系统

■技术领域

本发明是静电陀螺仪中极轴光电传感器分辨率的标定系统。由于静电陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率和精度无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得。为测量极轴光电传感器分辨率的真实值，需要探究极轴光电传感器分辨率的标定方法，在陀螺仪光电测角系统进行正常测量前对极轴光电传感器的分辨率进行标定。本发明以空气静压支承模拟静电陀螺仪中的静电悬浮支悬转子的状态，使极轴光电传感器的光轴相对固联于地理坐标系的转子作切线运动，得到光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺实际工作状态相当的极轴光电传感器分辨率。由于静电陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率和精度无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得。在光电测角系统测量前对其测试精度进行标定。 

■背景技术

以陀螺仪为敏感元件的惯性导航系统为完全自主式系统。不依赖外界任何信息，也不向外发射任何能量，具有隐蔽性、全天候和全球导航能力。目前，惯性导航技术在空间遥感、地球物理勘探、大地测量等方面得到了广泛的应用。 

静电陀螺仪是利用静电力使球形转子在自由悬浮状态下高速旋转的高精度惯性元件，与其它陀螺仪相比，具有独特的特点，结构上由一个具有数对金属 电极的陶瓷壳体和一个球形金属转子组成，转子与支承之间没有机械接触，减少了干扰来源，具有一般框架陀螺难以达到的高精度。其漂移率小，性能稳定，结构简单。静电陀螺仪主要是通过测量出其相对于当地水平面的表观运动角度，来估计当地的子午线方向，达到寻北的目的。陀螺仪不可避免地存在有干扰力并使之产生漂移，从而引起自转轴相对惯性空间改变方位，影响静电陀螺的精度。 

静电陀螺仪在转子的极轴位置和赤道位置设置了两个光电传感器，称极轴传感器和赤道传感器。在陀螺转子表面极轴处和赤道处蒸镀上图谱，分别用极轴、赤道传感器读取图谱信息，经信号处理环节得到转子极轴相对于壳体的位置信号。这种方法适用于转子极轴相对于陀螺壳体偏转角较小的情况，在球形转子的极轴和赤道上刻上不反光的矩形漫反射图形，图谱对光呈漫反射，极轴光电传感器输出陀螺动量矩的位置信号，赤道光电传感器输出转速脉冲信号，作为极轴位置分离的基准。极轴传感器与陀螺极轴一致时，极轴光电传感器光斑中心对准极点，光斑的一半与极轴刻线重合，光线被散射，另一半被转子面反射，被传感器接受元件转化为电信号。此时，转子转动一周中此信号为一常量。当壳体相对于转子的位置发生变化时，光斑与转子反射面重合的面积也不断变化，传感器输出的信号被转速调制，输出为类似于正弦的信号。同时，赤道光电传感器接收到陀螺转子转速脉冲信号，将此信号放大、整形、正交分离得到两路正交的方波信号。将这两路方波信号和极轴信号进行鉴相比较，可以得到转子极轴相对于壳体两正交轴的位置偏转角度。极轴传感器输出陀螺位置信号，赤道传感器输出陀螺转速脉冲信号。极轴传感器的分辨率直接影响着陀螺的测角精度。 

静电陀螺极轴光电传感器小角度读取一般都采用光电检测方法，就国内外现 有的小角度光电测量方法来看，所采用的光学系统可分为以下几类：显微放大系统；准直(望远)系统；三角测量系统；光纤传输系统。 

显微放大系统的检测方式为，光源发出的光经过分光棱镜、聚光透镜，把光聚集成一个光点，射到转子表面上，通过探测反射回来光强的变化，来检测转子的偏角。这种方式存在的问题是，光能利用率低、发热大、结构复杂，但安装调整还比较方便，可以满足极轴信号性能要求。 

准直(望远)系统的检测方式是把光源发出的光经过准直、分光棱镜、射到转子极轴，反射光经过分光棱镜直接进入光电探测器。自准直式的光斑相对比较大，如果用在小陀螺上，反射回来光的发散角比较大，影响精度。因为光路中存在分光棱镜，光能损耗较大，总体利用效率比较低。另外，准直仪式传感器结构复杂，体积也比较大，但安装调整比较方便。 

三角测量方式就是从光源发射出来的光直接照射在转子极点，光电探测器接收反射回来的光。光源、光电探测器、反射面，三者呈三角形构造。这种方式最大的优点是光能利用率高，精心调整反射角，光能利用率能达到90％以上。另外，它的结构比较简单，所需元件很少，可靠性比较高。但是它的光路不可能以垂直的角度入射到转子极点，即使发出的光斑的圆度很好，照到极点上的光斑也是个椭圆，因而信号质量差，零位噪声大。 

光纤方式的静电陀螺测角系统是一种新型传感器。它利用光纤的传光功能，把激光二极管发出的光耦合进入光纤中，光纤的另一端靠近转子极轴，传输光源能量的光纤在中间，周围分布着接收反射光的光纤。光纤直径小，一般只有几百微米，易实现传感器的微型化；光纤测角系统结构比较简单，传感器可以固定在金属套中，安装和调整相对比较容易。 

目前，静电陀螺仪光电传感器分辨率标定方法多采用以上几种方法，但是这 几种方式在光能损耗及噪声方面还存在一些问题，角灵敏度不高，还不能够实现更理想的分辨率标定，因此，寻求新的光电传感器标定方法来完善系统势在必行。 

■发明内容：

本发明的目的是标定静电陀螺仪中极轴光电传感器的分辨率，此种方法应用于导航测角系统中，在测角系统常规工作前对其精度进行标定。该方法制作一个与陀螺外径相同并能模拟静电陀螺工作状态的球冠转子，将其联接到空气静压气浮轴的轴伸端上，极轴光电传感器固定在瓷碗上。两者之间径向微位移以实现光电传感器与模拟转子间的零位对中，轴向倾斜位移，使极轴光电传感器的光轴与固联于地理坐标系的模拟转子间作小角度切线运动，以模拟静电陀螺仪中光电传感器的输出和所对应的微小角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺实际工作状态相当的传感器分辨率。此种方法能够得到极轴光电传感器分辨率的真实值，并且结构简单。 

本发明的目的是由以下技术方案来实现：①为使高速旋转时的转动惯量最小，将模拟陀螺转子设计成球冠，以球冠转子的高速旋转运动模拟静电陀螺球形转子的运动。②将模拟转子底端平面联接到空气静压气浮轴的轴伸端上，模拟静电悬浮技术支悬转子，转子与气浮电主轴联接后由主轴的螺旋拉杆拉紧以限制转子的轴向移动；高速旋转时气浮轴承的自定心作用可以控制转子与气浮主轴的不同轴度。③为保证球冠的结构对称度，设计时要求了球冠表面的同轴度及端面跳动；为保证球冠的表面光洁度及不破坏它的对称度，加工时由金刚刀车出镜面，而不需球面磨削工序。④设计了出气孔，在高速运动状态下，克服了模拟转子与瓷碗间过于微小的空气间隙产生的空气阻滞现象。 

■有益效果 

采用本发明可以使静电陀螺仪中极轴光电传感器的光轴相对固联于地理坐标系的转子作切线运动，以模拟静电陀螺仪中光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺实际工作状态相当的传感器分辨率。 

■附图说明

图1为基于本发明的极轴光电传感器测角、标定、对中系统原理示意图 

图2为极轴光电传感器角度读出原理示意图 

其中：1-光电传感器，2-模拟转子，3-瓷碗，4-激光干涉仪，5-PZT，6-气浮轴承，7-片簧 

■具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述： 

图1为极轴光电传感器测角、标定、对中系统原理示意图。模拟陀螺转子为一个底端为平面的球冠转子，以减小转动惯量。将模拟转子底端平面联接到气浮轴的轴伸端上，模拟静电悬浮技术支悬转子。极轴光电传感器固定在瓷碗上，瓷碗与工作台相连。通过修切调整垫片，调节瓷碗与球形转子的轴向间隙；瓷碗的径向微位移由压电陶瓷微位移器PZT驱动调节，其调节量为螺钉的间隙；安装在瓷碗上的三对电容传感器(图上未画出)探测瓷碗与球形转子的径向间隙量，调整与探测的同时进行使两者之间达到静电陀螺仪的工作间隙。另一个PZT对工作台微位移，使球形模拟转子相对于光电传感器作切线运动，以实现光电传感器的小角度偏移。激光干涉仪测量工作台的移动量，即光电传感器相对 于模拟转子的切线运动量并换算成角度偏移量。 

工作时，空气静压轴承系统施加支撑控制力矩，调整转子上的静压悬浮力，使转子在陶瓷碗内处于稳定的平衡状态。该方法克服了使实际陀螺仪产生漂移的干扰力矩，使自转轴相对惯性空间有确定的方位，提供了一个精确的方位测量基准。 

Claims (7)

1.静电陀螺仪中极轴光电传感器的标定系统，其特征在于：由于陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得，为得到极轴光电传感器分辨率的真实值，发明了一套具有对中和测角功能的标定系统，该系统包括球冠转子、空气静压气浮轴、陶瓷电极碗、电容传感器、极轴光电传感器、压电陶瓷微位移器PZT、激光干涉仪及工作台。

2.如权利要求1所述的极轴光电传感器的标定系统，其特征在于：以一个半径为R19mm的球冠转子模拟直径为φ38mm的静电陀螺仪球形转子，该球冠转子由空气静压气浮轴支承，空气静压气浮轴带动球冠转子在自由悬浮状态下高速旋转以模拟静电引力状态。

3.如权利要求1所述的极轴光电传感器的标定系统，其特征在于：陶瓷电极碗固定在工作台上，安装在陶瓷电极碗上的三对电容传感器(图上未画出)探测陶瓷电极碗与球冠转子的间隙量并精确定位极轴光电传感器与球冠转子间的工作距离，调整与探测的同时进行使两者之间达到静电陀螺仪的工作间隙70μm。

4.如权利要求3所述的极轴光电传感器的标定系统，其特征在于：极轴光电传感器与陶瓷电极碗固联一体，球冠转子置于陶瓷电极碗内，调节陶瓷电极碗与球冠转子的轴向间隙及径向微位移，实现极轴光电传感器光轴与陶瓷电极碗球心的对中及极轴光电传感器光轴与球冠转子回转轴的两轴重合。

5.如权利要求3所述的极轴光电传感器的标定系统，其特征在于：压电陶瓷微位移器PZT驱动工作台微位移，激光干涉仪测量工作台的移动量，该移动量使极轴光电传感器的光轴相对于地理坐标系固联的球冠转子作切线运动。

6.如权利要求5所述的极轴光电传感器的标定系统，其特征在于：极轴光电传感器相对于球冠转子的切线移动量可换算成角度偏移量，以实现极轴光电传感器的小角度偏移。

7.如权利要求6所述的极轴光电传感器的标定系统，其特征在于：测量转子极轴的位移量得到角度偏移量，依据静电陀螺仪中极轴光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系，在小角度范围内得到与静电陀螺实际工作状态相当的极轴光电传感器分辨率的真实值。

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