CN103884352A - 光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法及装置 - Google Patents

光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法及装置，计算机通过电机驱动单元控制电机产生周期性转动，后通过光纤陀螺采集单元和轴角编码器采集单元同步采集被测光纤陀螺和高精度绝对式轴角编码器输出的数据；计算机再分别处理两组数据，得到轴角编码器和被测光纤陀螺输出的两条载物台周期性转动的运动曲线，两条运动曲线的相位差即为被测陀螺的输出滞后时间；分别在电机不同转动频率下侧得多组数据，即可准确测量被测光纤陀螺的输出延迟时间。本发明测量方法新颖、测量装置简单。测量过程以计算机为核心，实现光纤陀螺输出延迟时间自动测量，能够显著提高测试效率以及测试一致性。

Description

光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法及装置，具体涉及一种电机周期性转动的控制、转动状态监测以及其监测数据与被测光纤陀螺输出数据的处理方法及装置。
背景技术
光纤陀螺是基于Sagnac效应的敏感角速率的一种传感器，在国防军事领域应用广泛。光纤陀螺输出延迟时间是光纤陀螺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，是反应光纤陀螺仪动态性能的一个指标。
现代飞行器、飞航武器等飞行速度高，飞行姿态变化快，在高动态环境下的其表现很大程度上取决于装载的各种传感器的性能。因此，在姿态测量及惯性导航等领域不可或缺的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。由此可见，光纤陀螺输出延迟时间的准确测量对光纤陀螺的使用及相关领域十分重要。
现有的测量光纤陀螺输出延迟时间的系统，其基本测量原理是利用撞击产生瞬时角速度输入，再测量瞬时角速度输入时刻与光纤陀螺输出时刻之间的时间差。但是现有系统测量过程中的撞击动作，则需要人工操作完成，而且撞击完成时刻的判定难以准确界定，使得系统测量效率低、一致性差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法，包括以下步骤：
（1）对被测光纤陀螺输入某一周期性变化的角速度并实时采集被测光纤陀螺输出的角速度。
（2）比较被测光纤陀螺输出的角速度与输入的角速度的相位差，该相位差即为当前输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间。
（3）改变输入角速度变化频率，重复步骤（1）和（2），从而得到不同输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间。
（4）对步骤（3）得到的不同输入角速度变化频率下的光纤陀螺输出滞后时间进行线性拟合，得到被测光纤陀螺输出滞后时间随输入角速度变化频率的变化关系：Δt=K·f+Td。式中，Δt为被测光纤陀螺输出滞后时间，K为系数，f为输入角速度变化频率,Td即为本发明的方法要测量的光纤陀螺输出延迟时间。
一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的装置，该装置用于测量被测光纤陀螺的输出延迟时间，该装置包括：基座、电机、轴角编码器、载物台、光纤陀螺采集单元、轴角编码器采集单元、电机驱动单元和计算机；其中，所述电机固定在基座上，轴角编码器安装在电机的电机轴上，载物台固定在电机轴的顶部；电机驱动单元与电机相连，轴角编码器采集单元与轴角编码器相连，光纤陀螺采集单元与测量被测光纤陀螺相连；光纤陀螺采集单元、轴角编码器采集单元和电机驱动单元均与计算机相连；被测光纤陀螺安装在载物台上后，计算机根据设定的转角变化角频率，发送周期性调制信息给电机驱动单元；电机驱动单元根据收到的调制信息控制电机周期性转动并带动载物台周期性转动，从而为被测光纤陀螺提供一个持续的周期性变化的角速度输入；计算机通过光纤陀螺采集单元及轴角编码器采集单元同时同步记录轴角编码器监测到的载物台转过的角度数据和被测光纤陀螺输出的载物台转动角速度的数据；计算机分别对两组数据进行分析处理，得到轴角编码器以转动角度描述的载物台周期性转动的运动曲线以及被测光纤陀螺输出的以转动角速度描述的载物台周期性转动的运动曲线；计算机再以轴角编码器记录的运动曲线为基准，对被测光纤陀螺输出的运动曲线进行相位分析，计算其相位差，该相位差即为当前转角变化角频率下被测光纤陀螺的输出滞后时间；改变计算机中设定的转角变化角频率，从而得到不同输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间；对不同输入角速度变化频率下的光纤陀螺输出滞后时间进行线性拟合，得到被测光纤陀螺输出滞后时间随输入角速度变化频率的变化关系：Δt=K·f+Td。式中，Δt为被测光纤陀螺输出滞后时间，K为系数，f为输入角速度变化频率,Td即为本发明的方法要测量的光纤陀螺输出延迟时间。
本发明具有的有益效果是：本发明提供了一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法及测量装置。该测量装置可以根据设置的测量参数由全自动控制测量过程，无需人工介入。该测量方法新颖、测量装置简单，实际应用能够显著提高测试效率以及测试一致性。
附图说明
图1光纤陀螺输出延迟时间的全自动测量装置结构图；
图2光纤陀螺采集单元组成结构及连接示意图；
图3轴角编码器采集单元组成结构及连接示意图；
图4电机驱动单元组成结构及连接示意图；
图5光纤陀螺输出延迟时间测量原理示意图；
图中：基座1、电机2、电机轴3、轴角编码器4、载物台5、光纤陀螺采集单元6、轴角编码器采集单元7、电机驱动单元8、计算机9、被测光纤陀螺10、光纤陀螺电源模块11、光纤陀螺通信接口模块12、第一数据缓存模块13、第一计算机通信接口模块14、轴角编码器电源模块15、轴角编码器通信接口模块16、第二数据缓存模块17、第二计算机通信接口模块18、第三计算机通信接口模块19、电机驱动模块20。
具体实施方式
光纤陀螺是一种角速度传感器。光纤陀螺测量角速度实质是对输入的物理角速度信号经过处理后通过电信号输出的过程。光纤陀螺输出的延迟时间长短就与该处理过程快慢相关。理想的光纤陀螺的输出延迟时间为零。此时，光纤陀螺的输出，能够与输入的角速度同步变化。实际上，由于光纤陀螺输出延迟时间的存在，当输入的角速度发生变化时光纤陀螺会滞后一段时间后才在输出数据上表现该输入角速度的变化。如图5所示，如果给被测光纤陀螺输入一个转动角度θin随时间t周期性变化的转动，表示为：
θin=A·sin(B·t)
式中，θin为转动的角度（大于零表示顺时针转动，小于零表示逆时针转动）；A为最大转角；B为转角变化的角频率。
此时，对输入的转动角度表达式求导即可得到被测光纤陀螺感受到的输入角速度，表示为：
ωin=A·Bcos(B·t)
式中，ωin表示输入角速度。但是光纤陀螺输出延时间的存在会使得被测光纤陀螺输出的角速度变化情况相较于输入的角速度出现一个附加相位差，即：
ωout=A·Bcos(B·t-Δt)
式中，ωout表示被测光纤陀螺输出的角速度。该相位差就是被测光纤陀螺在转角变化的角频率B下的输出延迟时间Δt，如图5所示。
由于光纤陀螺输出延迟时间是光纤陀螺信号输出相对于信号输入的滞后时间中与输入频率无关的部分。为此我们须在被测光纤陀螺的频带宽度内选取一系列转动角频率Bi，分别得到被测光纤陀螺在不同转动角频率Bi下的输出滞后时间Δti。再通过对被测光纤陀螺在不同转动角频率Bi下的输出滞后时间Δti的数据进行线性拟合，得到Δt随B变化的关系Δt=f(B)。令B=0，就能得到被测光纤陀螺输出滞后时间随输入转动频率的变化关系中与频率参数无关的部分，即被测光纤陀螺的输出延迟时间。
本发明光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法，包括以下步骤：
1、对被测光纤陀螺输入某一周期性变化的角速度并实时采集被测光纤陀螺输出的角速度。
2、比较被测光纤陀螺输出的角速度与输入的角速度的相位差，该相位差即为当前输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间。
3、改变输入角速度变化频率，重复步骤1和2，从而得到不同输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间。
4、对步骤3得到的不同输入角速度变化频率下的光纤陀螺输出滞后时间进行线性拟合，得到被测光纤陀螺输出滞后时间随输入角速度变化频率的变化关系：Δt=K·f+Td。式中，Δt为被测光纤陀螺输出滞后时间，K为系数，f为输入角速度变化频率,Td即为本发明的方法要测量的光纤陀螺输出延迟时间。。
如图1所示，本发明光纤陀螺输出延迟时间自动测量的装置，该装置用于测量被测光纤陀螺10的输出延迟时间，该装置包括：基座1、电机2、轴角编码器4、载物台5、光纤陀螺采集单元6、轴角编码器采集单元7、电机驱动单元8和计算机9。其中，电机2固定在基座1上，轴角编码器4安装在电机2的电机轴3上，载物台5固定在电机轴3的顶部；电机驱动单元8与电机2相连，轴角编码器采集单元7与轴角编码器4相连，光纤陀螺采集单元6与测量被测光纤陀螺10相连；光纤陀螺采集单元6、轴角编码器采集单元7和电机驱动单元8均与计算机9相连。
电机2通过电机轴3带动载物台5及安装于载物台5上的被测光纤陀螺10同步做周期性运动。电机轴3上安装的轴角编码器4实时监测载物台5的转角。被测光纤陀螺10的敏感轴与电机轴3的轴心保持同心，使得光纤陀螺10能够准确测量载物台5的转动角速度。
如图2所示，光纤陀螺采集单元6由光纤陀螺电源模块11、光纤陀螺通信接口模块12、第一数据缓存模块13和第一计算机通信接口模块14组成。光纤陀螺电源模块11为被测光纤陀螺10供电，光纤陀螺通信接口模块12、数据缓存模块13和第一计算机通信接口模块14依次相连，光纤陀螺通信接口模块12与被测光纤陀螺10相连，第一计算机通信接口模块14与计算机9相连。
光纤陀螺采集单元6可以为被测光纤陀螺10供电，与被测光纤陀螺10通信并连续采集其输出数据，再将数据通过第一计算机通信接口模块14发送给计算机9。
如图3所示，轴角编码器采集单元7由轴角编码器电源模块15、轴角编码器通信接口模块16、第二数据缓存模块17和第二计算机通信接口模块18组成，轴角编码器电源模块15为轴角编码器4供电，轴角编码器通信接口模块16、第二数据缓存模块17和第二计算机通信接口模块18依次相连，轴角编码器通信接口模块16与轴角编码器4相连，第二计算机通信接口模块18与计算机9相连。
轴角编码器采集单元7可以为轴角编码器4供电，与轴角编码器4通信并连续采集其输出数据，再将数据通过第二计算机通信接口模块18发送给计算机9。
如图4所示，电机驱动单元8由计算机通信接口模块19和电机驱动模块20相连组成，电机驱动模块20与电机2连接，第三计算机通信接口模块19与计算机9相连。
电机驱动单元8能够通过计算机通信接口模块19接收计算机9发出的周期性角速度调制信息，进而通过电机驱动模块20驱动电机2完成相应动作。
计算机9可以按照设定的测量参数通过电机驱动单元8精确控制电机2产生周期性转动；通过光纤陀螺采集单元6和轴角编码器采集单元7同步采集被测光纤陀螺连接10和轴角编码器4输出的数据，再分别对两组数据进行处理，得到轴角编码器4记录的载物台5周期性转动的运动曲线以及被测光纤陀螺10输出的周期性转动的运动曲线。以轴角编码器4记录的运动曲线为基准，对被测光纤陀螺10输出的运动曲线进行相位分析，计算其相位差，得到当前转动频率下输出滞后时间。
当输入转动角频率确定时，测量一次光纤陀螺输出滞后时间过程如下：
1、被测光纤陀螺10安装在载物台上后，计算机9根据设定的转角变化角频率，发送周期性调制信息给电机驱动单元8。电机驱动单元8根据收到的调制信息控制电机2周期性转动并带动载物台5周期性转动，从而为被测光纤陀螺10提供一个持续的周期性变化的角速度输入；
2、计算机9通过光纤陀螺采集单元6及轴角编码器采集单元7同时同步记录轴角编码器监测到的载物台5转过的角度数据和被测光纤陀螺10输出的载物台5转动角速度的数据；
3、计算机9分别对两组数据进行分析处理，得到轴角编码器4以转动角度描述的载物台5周期性转动的运动曲线以及被测光纤陀螺10输出的以转动角速度描述的载物台5周期性转动的运动曲线；
4、计算机9再以轴角编码器4记录的运动曲线为基准，对被测光纤陀螺10输出的运动曲线进行相位分析，计算其相位差，该相位差即为当前转角变化角频率下被测光纤陀螺的输出滞后时间；
5、计算机9发送停止指令给电机驱动单元8。电机2停止动作，测量完成。
根据测量原理，计算机9控制电机2分别以选定的角频率转动，测得对应角频率转动下被测光纤陀螺输出的滞后时间，后经过线性拟合，即可准确评估被测光纤陀螺的输出延迟时间。

Claims (2)

1.一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）对被测光纤陀螺输入某一周期性变化的角速度并实时采集被测光纤陀螺输出的角速度。
（2）比较被测光纤陀螺输出的角速度与输入的角速度的相位差，该相位差即为当前输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间。
（3）改变输入角速度变化频率，重复步骤1和2，从而得到不同输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间。
（4）对步骤3得到的不同输入角速度变化频率下的光纤陀螺输出滞后时间进行线性拟合，得到被测光纤陀螺输出滞后时间随输入角速度变化频率的变化关系：Δt=K·f+Td。式中，Δt为被测光纤陀螺输出滞后时间，K为系数，f为输入角速度变化频率,Td即为本发明的方法要测量的光纤陀螺输出延迟时间。
2.一种光纤陀螺输出延迟时间自动测量的装置，该装置用于测量被测光纤陀螺（10）的输出延迟时间，其特征在于，该装置包括：基座（1）、电机（2）、轴角编码器（4）、载物台（5）、光纤陀螺采集单元（6）、轴角编码器采集单元（7）、电机驱动单元（8）和计算机（9）等；其中，所述电机（2）固定在基座（1）上，轴角编码器（4）安装在电机（2）的电机轴（3）上，载物台（5）固定在电机轴（3）的顶部；电机驱动单元（8）与电机（2）相连，轴角编码器采集单元（7）与轴角编码器（4）相连，光纤陀螺采集单元（6）与测量被测光纤陀螺（10）相连；光纤陀螺采集单元（6）、轴角编码器采集单元（7）和电机驱动单元（8）均与计算机（9）相连；被测光纤陀螺（10）安装在载物台上后，计算机（9）根据设定的转角变化角频率，发送周期性调制信息给电机驱动单元（8）；电机驱动单元（8）根据收到的调制信息控制电机（2）周期性转动并带动载物台（5）同步周期性转动，从而为被测光纤陀螺（10）提供一个持续的周期性变化的角速度输入；计算机（9）通过光纤陀螺采集单元（6）及轴角编码器采集单元（7）同时同步记录轴角编码器监测到的载物台（5）转过的角度数据和被测光纤陀螺（10）输出的载物台（5）转动角速度的数据；计算机（9）分别对两组数据进行分析处理，得到轴角编码器（4）以转动角度描述的载物台（5）周期性转动的运动曲线以及被测光纤陀螺（10）输出的以转动角速度描述的载物台（5）周期性转动的运动曲线；计算机（9）再以轴角编码器（4）记录的运动曲线为基准，对被测光纤陀螺（10）输出的运动曲线进行相位分析，计算其相位差，该相位差即为当前转角变化角频率下被测光纤陀螺的输出滞后时间；改变计算机（9）中设定的转角变化角频率，从而得到不同输入角速度变化频率的光纤陀螺输出滞后时间；对不同输入角速度变化频率下的光纤陀螺输出滞后时间进行线性拟合，得到被测光纤陀螺输出滞后时间随输入角速度变化频率的变化关系：Δt=K·f+Td。式中，Δt为被测光纤陀螺输出滞后时间，K为系数，f为输入角速度变化频率,Td即为本发明的方法要测量的光纤陀螺输出延迟时间。
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