CN105091789B - 一种高精度测角装置及其安装标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高精度测角技术，涉及一种基于空间四频差动激光陀螺的测角装置及其安装与标定方法。所述测角装置包括空间四频差动激光陀螺及其控制电路、高速控制及采集电路、计算机，其中，激光陀螺通过过渡板设置在待测转轴上，同时激光陀螺通过其控制电路连接超高速采样电路，超高速采样电路连接计算机。本发明对投影到陀螺敏感轴上的角速度分量进行积分得到相应的转角信息，然后对该陀螺的刻度系数及惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的分量进行标定，最后通过测量陀螺在待测转轴的转动过程中所输出的脉冲数计算出待测转轴所转过的角度。本发明安装简单，与被测转轴交联少，刻度系数可高度细分，测角精度高，动态范围大，对被测载体无反力矩作用，温度系数小，不影响被测载体的结构或组成，具有较佳的实际应用价值。

Description

一种高精度测角装置及其安装标定方法

技术领域

本发明属于高精度动态测角技术，涉及一种基于空间四频差动激光陀螺的测角装置及其安装与标定方法。

背景技术

角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，目前工业上主要存在以下几类测角方法：机械测角方法、电磁测角方法、光学测角方法以及光电测角方法。现有的高精度测角方法基本上都是基于光学方法或自准直仪将角度信息转换为长度信息，这些方法都要求与被测对象之间有极高精度的安装关系，且大多都需要预先安装，不易使用。

空间四频差动激光陀螺是一种高精度、全固态的惯性角速度传感器，它能够敏感投影到其敏感轴上的角速度分量，对该分量进行积分即可得到相应的转角信息。基于空间四频差动激光陀螺的测角装置与待测转轴之间的安装关系相对简单，便于使用，线性度好，能够达到0.1角秒的测角精度，是一种具有广阔应用前景的测角技术。

发明内容

本发明的目的是：提出了标度因数线性度和重复性好、测角精度高，基于空间四频差动激光陀螺的测角装置。

另外，本发明还提供一种基于该高精度测角装置的安装与标定方法。

本发明的技术方案是：一种基于空间四频差动激光陀螺的高精度测角装置，其包括空间四频差动激光陀螺及其控制电路、高速控制及采集电路、计算机，其中，所述空间四频差动激光陀螺通过过渡板设置在待测转轴上，同时空间四频差动激光陀螺通过其控制电路连接超高速采样电路，超高速采样电路连接计算机进行信号处理，所述空间四频差动激光陀螺的控制电路包括信号解调模块、引燃高压控制模块、光强放大模块、频率误差提取模块、对称放电控制模块、高精度稳频控制模块，其中，信号解调模块连接激光陀螺拍频信号输出镜与高速控制及采集电路之间，引燃高压模块连接激光陀螺阴极与高速控制及采集电路，光强放大模块和稳频误差提取模块并联设置在激光陀螺稳频信号输出镜与高速控制及采集电路之间，对称放电控制模块连接激光陀螺两个阳极与高速控制及采集电路，空间四频激光陀螺的PZT稳频组件经高精度稳频控制模块连接高速控制及采集电路。

所述对称放电控制模块包括采样电阻Rs1，MOS稳压管Q2，运算放大器OP2，采样电阻Rs2，运算放大器OP1，MOS稳压管Q1，采样电阻Rs3，其中，空间四频激光陀螺左侧阳极一路经串联的两个采样电阻Rs1、Rs2后经MOS稳压管Q2连接到空间四频激光陀螺右侧阳极，另一路直接连接到运算放大器OP2的负极，运算放大器OP2正极连接在采样电阻Rs2上，运算放大器OP2的输出连接到MOS稳压管Q2上，MOS稳压管Q1的漏极连接在两个采样电阻Rs1、Rs2之间，MOS稳压管Q1的栅极连接运算放大器OP1的输入，运算放大器OP1的正极接地，且运算放大器OP1负极和MOS稳压管Q1的源极连接采样电阻Rs3。

运算放大器OP2的输出与负极之间设置有电容。

运算放大器OP1的输出与负极之间设置反馈电阻。

安装底面的表面不平整度要求优于10^-4，空间四频差动激光陀螺的敏感轴与安装底面之间的夹角小于2角分。

引出线均采用0.12mm2的绕包线，电源采用线性电源，且信号线采用对称式信号形式。

一种基于测角装置的安装标定方法，其将空间四频差动激光陀螺安装在待测转轴上，对投影到空间四频差动激光陀螺敏感轴上的角速度分量进行积分得到相应的转角信息，然后对该陀螺的刻度系数及惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的分量进行标定，最后通过测量陀螺在待测转轴的转动过程中所输出的脉冲数，即可计算出待测转轴所转过的角度。

所述的测角装置的安装标定方法，其包括如下步骤：

步骤1：将陀螺安装到待测转轴上

将测角装置安装到过渡板上，并最终固定安装到待测转轴上，陀螺的敏感轴与待测转轴中心轴线之间的夹角不能超过5角分；

步骤2：完成测角装置敏感轴与待测转轴之间夹角的标定

使用柔性电缆将测角装置与测角计算机及供电电源相连接，并启动测角装置，将转轴分别固定在N个确定的角位置并将其锁定，在每个角位置处采集100s的陀螺零偏并计算出其均值，根据这样的N个数据所组成的数据序列以及当地的纬度，计算出测角装置的敏感轴与待测转轴之间的夹角，如果该值超过5角分，则需要对安装过程进行检查，或者对测角装置进行检查；

步骤3：完成测角装置刻度系数的标定

启动测角装置，使待测转轴逆时针转动N个整周，并得到测角装置输出的累加和记为Sum₁；同样，记录待测转轴顺时针转动N个整周过程中测角装置的累加和Sum₂，并计算得到测角装置的刻度系数，重复测量3次，取其均值作为测角装置刻度系数的测量值；

步骤4：完成角度测量

启动测角装置，并开始记录测角装置的输出数据，对某一时间段[t₁,t₂]而言，假定这段时间内的测角装置输出计数累加和为Sum，即可计算出待测转轴所转过的角度。

在步骤1紧固过程中，要采用力矩螺刀完成螺钉的紧固，紧固顺序采用十字交叉方式顺次完成。

通过测量待测转轴不同角位置处测角装置的稳态输出均值，可标定出测角装置的敏感轴与待测转轴中心线间的夹角，通过同时稳定两个放电臂的放电电流之和及电流之差，从而实现空间四频差动激光陀螺两臂放电电流的高度对称。

本发明的优点是：本发明所涉及的高精度动态测角装置采用刻度系数能够高度细分的空间四频差动激光陀螺。该空间四频差动激光陀螺是一种高精度、全固态的惯性角速度传感器，它能够敏感投影到其敏感轴上的角速度分量，对该分量进行积分即可得到相应的转角信息。

空间四频差动激光陀螺用于测角具有下列优势：真正意义上的全固态激光陀螺，无机械抖动部件，不会给被测载体带来反力矩作用；标度因数线性度和重复性均优于1ppm，且温度系数极低，环境适应性好；可利用分辨率增强技术实现脉冲细分，角度分辨率最高可达到0.0003″；易用性好，与被测载体交联少，无需提前安装，不影响被测载体的结构或组成。

附图说明

图1为本发明基于空间四频差动激光陀螺的测角装置的结构框图；

图2为本发明所涉及的空间四频差动激光陀螺控制电路的原理框图；

图3为本发明空间四频差动激光陀螺的对称放电稳定控制的原理示意图；

图4为本发明中由于不理想的机械安装所决定的测角装置敏感轴与转轴方向之间的夹角；

其中，1是空间四频差动激光陀螺，2是空间四频差动激光陀螺与待测转轴之间的过渡板，3是待测转轴，4是空间四频差动激光陀螺控制及采集电路，5是计算机。6是空间四频差动激光陀螺谐振腔，7是陀螺的阴极，8是陀螺的两个阳极，9是陀螺的拍频信号输出镜，10是陀螺的稳频信号输出镜，11是陀螺的PZT稳频组件，12是Pt100铂电阻温度传感器，13是FPGA高速控制电路，14是计算机，15是陀螺左侧阳极，16是陀螺右侧阳极，17是采样电阻Rs1，18是MOS稳压管Q2，19是电容，20是运算放大器OP2，21是采样电阻Rs2，22是运算放大器OP1，23是MOS稳压管Q1，24是采样电阻Rs3，25是反馈电阻。26是待测转轴3的轴线方向，27是空间四频差动激光陀螺1的敏感轴方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

请参阅图1，本发明基于空间四频差动激光陀螺的测角装置包括空间四频差动激光陀螺及其控制电路、过渡板、超高速采样电路、计算机。其中，所述空间四频差动激光陀螺通过过渡板设置在待测转轴上，同时空间四频差动激光陀螺通过其控制电路连接超高速采样电路(FPGA)，超高速采样电路连接计算机进行信号处理。

参见图2，空间四频差动激光陀螺的控制电路包括信号解调模块、引燃高压控制模块、光强放大模块、频率误差提取模块、对称放电控制模块、高精度稳频控制模块、温度测量模块，其中，信号解调模块连接激光陀螺拍频信号输出镜与高速控制及采集电路之间，引燃高压模块连接激光陀螺阴极与高速控制及采集电路，光强放大模块和稳频误差提取模块并联设置在激光陀螺稳频信号输出镜与高速控制及采集电路之间，对称放电控制模块连接激光陀螺两个阳极与高速控制及采集电路，空间四频激光陀螺内部的Pt100铂电阻温度传感器经温度测量模块连接高速控制及采集电路，空间四频激光陀螺的PZT稳频组件经高精度稳频控制模块(PZT驱动)连接高速控制及采集电路。。

所述空间四频激光陀螺的拍频输出经光电管转换后进入信号解调电路，后者将其进行信号调理及模数转换后，进入FPGA进行拍频信号解调，得到陀螺所敏感的转速信号；引燃高压电路的作用是产生数千伏的引燃高压，该引燃高压直接连接到陀螺的阴极；陀螺的稳频输出镜10的输出经光电转换后分别进入光强放大及稳频误差提取电路，前者对光强直流信号进行放大及低通滤波处理，作为陀螺工作状态的监测量，而后者则从光强信号中提取出交流抖动分量，并进行相敏解调处理，得到稳频误差，该稳频误差经模数转换后进入FPGA以实现陀螺的稳频控制；对称放电控制电路采用新颖的双闭环控制方案，实现陀螺的两臂放电电流差小于200ppm；温度测量电路对铂电阻温度传感器Pt100的信号进行处理，得到陀螺腔体表面的温度；PZT驱动由FPGA输出值经数模转换后，施加在PZT组件上，从而实现陀螺的腔长稳定。所有的陀螺状态及转速信号，都由FPGA通过422总线发送到计算机。

请参阅图3，该图为所述对称式放电稳定控制回路的原理框图，其双臂放电电流差可小于200ppm。图中所示陀螺的阴极7连接到引燃高压VHV，其中一个阳极15经采样电阻17连接到MOS稳压管23，另一个阳极16则经过串联的MOS稳压管18和采样电阻21后连接到MOS稳压管23。采样电阻17与采样电阻21上远离MOS稳压管23的一端分别接入运算放大器20的正相输入端与反相输入端，运算放大器20的反相输入端与输出端之间串联有电容19，实现积分功能，其输出端与MOS稳压管18的栅极相连。MOS稳压管23的一端与采样电阻17及21相连，另一端则经另一采样电阻24连接到参考电压信号VREF。MOS管23与采样电阻24相连的一端同时也接入运算放大器22的反相输入端，运算放大器的反相输入端与输出端之间通过反馈电阻25相连，从而实现对流经MOS管23的电流的闭环反馈控制。

所述对称式放电稳定控制回路的工作原理是：采样电阻24对陀螺两臂电流之和进行采样，其电压与参考电压VREF进行比较，得到误差信号，再通过由运算放大器22、MOS稳压管23、采样电阻24及反馈电阻25所组成的闭环控制系统来保持陀螺两臂电流和的稳定。另一方面，陀螺两臂的电流分别通过Rs1和Rs2进行采样(其中Rs1、Rs2阻值相等)，其采样电压通过运放20求差，得到误差信号，再通过场效应管18、运算放大器20，电容19、采样电阻17及21所组成的闭环反馈回路，实现第二条臂的放电电流跟踪第一条臂的放电电流，稳态情况下，两臂放电电流的值相等，都等于VREF/(2*Rs3)。

所述光强放大模块，其光电转换器件采用射频光电二极管，而电流/电压(I/V)转换电路采用低噪声放大器，以提高光强信号的信噪比。光强信号的后续处理分为两部分，一方面，光强信号上提取出的互易频率分裂分量的幅值被作为稳频误差信号，再经过比例-微分-积分(PID)补偿后，成为压电组件的补偿增量，从而完成整个陀螺的稳频控制。另一方面，陀螺的光强信号也进入模数转换器后进入数字处理器芯片，作为陀螺的一项健康管理信号。

所述引燃控制电路主要包括高压产生电路，通过开关电源实现，其输出电压在3000～4000V之间。

陀螺信号的解调及脉冲细分电路均在数字域完成，主要采用高速采样模数转换器ADC将其转换为数字信号，然后进入FPGA进行拍频解调以及脉冲细分。

从机械结构上来说，本发明测角装置主要有两部分传递关系，第一级传递是待测转轴与过渡板之间的安装，这里对待测转轴表面平整度及其与转轴中心线的垂直偏差角度都有较高的要求，待测转轴上表面平整度应要求优于10-4。所述过渡板采用不锈钢加工而成，其具有硬度高、稳定性好、不导磁等优点，其表面不平整度要求优于10-4。测角装置通过螺钉安装到过渡板上，测角装置安装底面的表面不平整度要求优于10-4。同时，测角装置所用的空间四频差动激光陀螺的敏感轴与安装底面之间的夹角小于2角分。

为保证测角装置底座与过渡板之间的紧密连接，用于连接二者的螺钉不少于3个，且均采用弹簧垫圈，用力矩螺刀进行螺钉的紧固，力矩螺刀的力矩设定为1.5～2.5N*m。

为了尽量减小测角装置对于待测转轴的影响，测角装置的引出线(包括外接电源线及输出信号线)均采用0.12mm2的绕包线。同时，为了尽量减少外部电磁干扰对测角装置信号的影响，电源采用线性电源，且信号线采用对称式信号形式。

所述的测角装置的机械安装包括如下步骤：

步骤1：将陀螺安装到待测转轴上

首先将过渡板与测角装置相连接的上表面进行擦拭，采用99.5％的酒精，单方向擦拭2～3次。接着，将螺钉依次加以紧固，在紧固螺钉的过程中，要以力矩设定在1.5～2.5N*m之间的某个固定值的力矩螺刀完成螺钉的紧固，尽量先紧固对角方向的螺钉；

将过渡板与测角装置紧固完成后，采用浓度99.5％的酒精，将过渡板下表面及待测转轴的安装面分别擦拭2～3次。接着，采用螺钉固定的方式将过渡板与待测转轴安装在一起，在此过程中，同样要采用力矩螺刀完成螺钉的紧固，要注意紧固顺序采用十字交叉方式顺次完成；

步骤2：完成测角装置敏感轴与待测转轴之间夹角的测量

使用柔性电缆将测角装置与测角计算机及供电电源相连接，并启动测角装置。将转轴先固定在确定的角位置(例如0°位置)，并将其锁定在该位置，测角装置会定时输出空间四频差动激光陀螺的零偏，采集100s的陀螺零偏并计算出其均值，将其记为B0(0)；将转轴顺时针转动30°并锁定该角位置，同样采集100s的陀螺零偏输出并计算出其均值，将其记为B0(30)；依此类推，同样测量得到B0(60),B0(90),B0(120)，……，B0(330)，共12个数据。将这12个数据按照公式(5)进行正弦曲线拟合，得到其中的四个系数C₁～C₄：

y＝C₁+C₂*cos(C₃*x+C₄) (5)

假定当地的纬度为ξ，就可以根据公式(6)计算得到测角装置敏感轴与待测转轴之间的夹角

根据要求，该值要求小于5角分，如果该值超过5角分，则要检查安装过程中是否存在问题，或者重新标定测角装置自身安装底面与其内部陀螺敏感轴之间的夹角。

步骤3：完成测角装置刻度系数的标定

启动测角装置，并使待测转轴逆时针转动N个整周(通常N＝10)，在此过程中对测角装置的输出进行累加求和，所得累加和记为Sum₁；同样，启动测角装置，使待测转轴顺时针转动N个整周，在此过程中对测角装置的输出进行累加求和，所得累加和记为Sum₂，利用下式就可以计算得到测角装置的刻度系数

其单位为(角秒/脉冲)，利用上述方法测量三次，分别得到3个刻度系数K₁、K₂和K₃，取其均值(K₁+K₂+K₃)/3作为测角装置刻度系数的测量结果。

步骤4：完成角度测量

启动测角装置，并开始记录测角装置的输出数据，这时待测转轴可任意转动，对某一时间段[t₁,t₂]而言，假定这段时间内的测角装置输出计数累加和为Sum，则这个时间段内转轴转过的角度为

θ＝K×{Sum-(t₂-t₁)×C₁} (8)

综上，本发明描述了一种基于空间四频差动激光陀螺的高精度测角装置，并给出了其安装和标校方法。空间四频差动激光陀螺没有抖动装置，不会给被测转轴带来反力矩，标度因数非线性好，能同时满足测大、小角度的高精度动态测角需求。理论及试验结果表明，空间四频差动激光陀螺能够实现亚角秒量级的测角精度，在数控机床、高精度转台、卫星天线、远程望远镜等需要高精度测角的领域具有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种高精度测角装置，其特征在于，包括空间四频差动激光陀螺及其控制电路、高速控制及采集电路、计算机，其中，所述空间四频差动激光陀螺通过过渡板设置在待测转轴上，将测角装置安装到过渡板上，并最终固定安装到待测转轴上，陀螺的敏感轴与待测转轴中心轴线之间的夹角不能超过5角分，同时空间四频差动激光陀螺通过其控制电路连接超高速采样电路，超高速采样电路连接计算机进行信号处理，所述空间四频差动激光陀螺的控制电路包括信号解调模块、引燃高压控制模块、光强放大模块、频率误差提取模块、对称放电控制模块、高精度稳频控制模块，其中，信号解调模块连接激光陀螺拍频信号输出镜与高速控制及采集电路之间，引燃高压模块连接激光陀螺阴极与高速控制及采集电路，光强放大模块和稳频误差提取模块并联设置在激光陀螺稳频信号输出镜与高速控制及采集电路之间，对称放电控制模块连接激光陀螺两个阳极与高速控制及采集电路，空间四频激光陀螺的PZT稳频组件经高精度稳频控制模块连接高速控制及采集电路,通过将空间四频差动激光陀螺安装在待测转轴上，对投影到空间四频差动激光陀螺敏感轴上的角速度分量进行积分得到相应的转角信息，然后对该陀螺的刻度系数及惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的分量进行标定，最后通过测量陀螺在待测转轴的转动过程中所输出的脉冲数，即可计算出待测转轴所转过的角度。

2.根据权利要求1所述的高精度测角装置，其特征在于，所述对称放电控制模块包括采样电阻Rs1，MOS稳压管Q2，运算放大器OP2，采样电阻Rs2，运算放大器OP1，MOS稳压管Q1，采样电阻Rs3，其中，空间四频激光陀螺左侧阳极一路经串联的两个采样电阻Rs1、Rs2后经MOS稳压管Q2连接到空间四频激光陀螺右侧阳极，另一路直接连接到运算放大器OP2的负极，运算放大器OP2正极连接在采样电阻Rs2上，运算放大器OP2的输出连接到MOS稳压管Q2上，MOS稳压管Q1的漏极连接在两个采样电阻Rs1、Rs2之间，MOS稳压管Q1的栅极连接运算放大器OP1的输入，运算放大器OP1的正极接地，且运算放大器OP1负极和MOS稳压管Q1的源极连接采样电阻Rs3。

3.根据权利要求2所述的高精度测角装置，其特征在于，运算放大器OP2的输出与负极之间设置有电容。

4.根据权利要求3所述的高精度测角装置，其特征在于，运算放大器OP1的输出与负极之间设置反馈电阻。

5.根据权利要求4所述的高精度测角装置，其特征在于，安装底面的表面不平整度要求优于10^-4，空间四频差动激光陀螺的敏感轴与安装底面之间的夹角小于2角分。

6.根据权利要求5所述的高精度测角装置，其特征在于，引出线均采用0.12mm2的绕包线，电源采用线性电源，且信号线采用对称式信号形式。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的测角装置的安装标定方法，其特征在于，通过测量待测转轴不同角位置处测角装置的稳态输出均值，可标定出测角装置的敏感轴与待测转轴中心线间的夹角，通过同时稳定两个放电臂的放电电流之和及电流之差，从而实现空间四频差动激光陀螺两臂放电电流的高度对称，最后通过测量陀螺在待测转轴的转动过程中所输出的脉冲数，即可计算出待测转轴所转过的角度。

8.根据权利要求7所述的测角装置的安装标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将陀螺安装到待测转轴上

将测角装置安装到过渡板上，并最终固定安装到待测转轴上，陀螺的敏感轴与待测转轴中心轴线之间的夹角不能超过5角分；

步骤2：完成测角装置敏感轴与待测转轴之间夹角的测量

使用柔性电缆将测角装置与测角计算机及供电电源相连接，并启动测角装置，将转轴先固定在确定的角位置，并将其锁定在该位置，测角装置会定时输出空间四频差动激光陀螺的零偏，采集100s的陀螺零偏并计算出其均值，将其记为B0(0)；将转轴顺时针转动30°并锁定该角位置，同样采集100s的陀螺零偏输出并计算出其均值，将其记为B0(30)；依此类推，同样测量得到B0(60),B0(90),B0(120)，……，B0(330)，共12个数据。将这12个数据按照公式(1)进行正弦曲线拟合，得到其中的四个系数C₁～C₄：

y＝C₁+C₂*cos(C₃*x+C₄) (1)

假定当地的纬度为ξ，就可以根据公式(2)计算得到测角装置敏感轴与待测转轴之间的夹角

根据要求，该值要求小于5角分，如果该值超过5角分，则要检查安装过程中是否存在问题，或者重新标定测角装置自身安装底面与其内部陀螺敏感轴之间的夹角；

步骤3：完成测角装置刻度系数的标定

启动测角装置，并使待测转轴逆时针转动N个整周，在此过程中对测角装置的输出进行累加求和，所得累加和记为Sum₁；同样，启动测角装置，使待测转轴顺时针转动N个整周，在此过程中对测角装置的输出进行累加求和，所得累加和记为Sum₂，利用下式就可以计算得到测角装置的刻度系数

其单位为角秒/脉冲，利用上述方法测量三次，分别得到3个刻度系数K₁、K₂和K₃，取其均值(K₁+K₂+K₃)/3作为测角装置刻度系数的测量结果；

步骤4：完成角度测量

启动测角装置，并开始记录测角装置的输出数据，这时待测转轴可任意转动，对某一时间段[t₁,t₂]而言，假定这段时间内的测角装置输出计数累加和为Sum，则这个时间段内转轴转过的角度为

θ＝K×{Sum-(t₂-t₁)×C₁} (4)。

9.根据权利要求8所述的测角装置安装标定方法，其特征在于，在步骤1紧固过程中，要采用力矩螺刀完成螺钉的紧固，紧固顺序采用十字交叉方式顺次完成。