CN105841715A - 一种高动态双轴角速率陀螺及零偏和标度因数误差补偿 - Google Patents

一种高动态双轴角速率陀螺及零偏和标度因数误差补偿 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高动态双轴角速率陀螺及零偏和标度因数误差补偿，该陀螺包括Y轴敏感器件、电源管理单元、Z轴敏感器件、陀螺壳体、陀螺盖板、底部减震垫、侧部减震垫、顶部隔离垫、输出电缆组成。本发明主要应用在高过载和高转速等高动态环境下，对载体横向和法向角速率的精准测量。能够弥补传统角速率陀螺在高动态环境下工作不正常、易损坏的缺点；同时又能有效抑制传统角速率陀螺噪声大、全温度段零位漂移大的缺点。本发明公开的一种高动态双轴角速率陀螺，具有适应高过载和高转速等高动态环境、噪声小、全温度段零位漂移小、信号延迟小的优点，能够重点应用在灾难救援、钻井测斜、地质勘探、高速交通、国防等高动态环境下的载体角速率测量。

Description

一种高动态双轴角速率陀螺及零偏和标度因数误差补偿
技术领域
本发明涉及一种高动态双轴角速率陀螺及零偏和标度因数误差补偿，特别是涉及应用在灾难救援、钻井测斜、地质勘探、高速交通、国防等高动态环境下的双轴角速率陀螺。
背景技术
载体角速率直接测量在国民经济和国防诸多领域都发挥着极其重要的作用，是实现载体姿态确定、平台稳定控制等的关键，其核心在于实现角速率实时精准测量的陀螺技术。
在民用领域，如隧道挖掘、矿山开采及城市地下管线铺设等工程应用中，钻进过程中的大过载、高旋、强振动等恶劣条件对陀螺的综合性能提出了苛刻的要求，使得角速率实时精准测量成为保证挖掘机构沿预定轨迹定向钻进的关键。机械转子式陀螺精度高，但结构复杂，抗冲击振动能力差；激光陀螺和光纤陀螺作为全固态光学陀螺，具有长寿命、高精度和大动态范围等优点，但难以满足2000g过载的高动态角速率测量需求。
在全温度工作环境下，传统陀螺在使用中受环境温度影响很大，主要表现在影响陀螺零偏和标度因数。现有温度补偿有两种方案：一种是采用数字温补，使用温度传感器检测环境温度之后用单片机等进行补偿，数字温补的不足之处增加了陀螺响应时间。另一种是使用纯硬件温补网络进行补偿，其方案是利用温补网络，通过在运算放大器输入端并联一个由热敏电阻和两个常规电阻组成的温补网络，根据使用的热敏电阻的特性，依照标度因数温度补偿的要求，来选择温补网络中两个常规电阻的阻值参数，实现陀螺零偏和标度因数温度补偿，使陀螺零偏和标度因数在全温度段内的变化满足指标要求，该方案缺点是网络形式固定，补偿时只能改变运算放大器的输入端电阻，温补网络使运算放大器输入端电阻降低而使放大倍数增大，从而使陀螺的输出标度因数增大，由于不同敏感器件特性的差异，对于某些标度因数偏高的敏感器件，补偿之后陀螺标度因数容易超差，不能满足设计要求。
近年来，经济建设和社会发展在我国取得巨大成就，角速率陀螺目前处于经济寿命周期的成长期，需求量逐步增大。目前，世界主要大国竞相发展各自的卫星导航及增强服务系统，保障其导航与位置服务产业的优势和竞争力。卫星导航是一种基于卫星的无线电导航系统，能够为载体提供全天时、全天候的位置、速度和时间信息，具有精度高、全天候、长期稳定性好的特点，但其局限性也非常明显，主要包括：（1）在定位方面，卫星导航信号通视性差，城市中的高楼、码头的集装箱、机场航站楼、隧道、峡谷、建筑物内等环境都会对卫星信号产生遮挡而影响定位，不能满足室内外高精度、全覆盖需求；（2）抗干扰能力差，当存在压制式干扰信号时，由于干扰信号覆盖了卫星导航信号频谱范围，大大降低了接收信号的信噪比，导致定位测速精度急剧下降，以至无法正常捕获跟踪卫星导航信号。
在信息化时代的今天，以陀螺为主要敏感单元的惯性导航与卫星导航进行组合实现高性能组合导航与定位，已成为现代导航与定位技术的主要发展方向，二者不仅可以充分发挥各自的优势，又具有很强的互补性，组合的性能要远远优于各独立系统，已使其应用范围日益广泛。
发明内容
本发明的目的是为了弥补传统角速率陀螺在高动态环境下工作不正常、易损坏的缺点，同时又能有效抑制传统角速率陀螺噪声大、全温度段零位漂移大的缺点。本发明公开的一种高动态双轴角速率陀螺，具有适应高过载和高转速等高动态环境、噪声小、全温度段零位漂移小、信号延迟小的优点，能够重点应用在灾难救援、钻井测斜、地质勘探、高速交通、国防等高动态环境下的载体角速率测量。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高动态双轴角速率陀螺包括：Y轴敏感器件、电源管理单元、Z轴敏感器件、陀螺壳体、陀螺盖板、底部减震垫、侧部减震垫、顶部隔离垫、输出电缆；Y轴敏感器件垂直安装于陀螺壳体内部左侧，用于敏感绕陀螺Y轴方向产生的角速率运动，并将角速率信号转化为电信号输出；Z轴敏感器件垂直安装于陀螺壳体内部右侧，用于敏感绕陀螺Z轴方向产生的角速率运动，并将角速率信号转化为电信号输出；电源管理单元安装在Y轴敏感器件和Z轴敏感器件中间，用于完成外部供电至敏感器件需要电源的转换；陀螺盖板位于陀螺壳体的上方，将陀螺各部件密封在陀螺壳体内；底部减震垫和侧部减震垫分别安装于陀螺壳体的底部和侧部，顶部隔离垫安装于陀螺壳体的上方；输出电缆与Y轴敏感器件相连，实现双轴角速率陀螺的供电和陀螺敏感角速率信号的输出。
进一步，所述的高动态双轴角速率陀螺的各部件具体参数是：
陀螺壳体（4）和陀螺盖板（5）采用1Cr18Ni9Ti，其弹性模量为：206GPa，泊松比为：0.28，密度为：7930kg/m3；
底部减震垫（6）、侧部减震垫（7）、和顶部隔离垫（8）弹性模量为：16GPa，泊松比为：0.28，密度为：1100kg/m3；
Y轴敏感器件（1）、电源管理单元（2）和Z轴敏感器件（3）弹性模量为：11.1GPa；泊松比为：0.25；密度为：1900kg/m3。
一种高动态双轴角速率陀螺零偏和标度因数误差补偿，其流程按如下步骤进行：
第一步，将Y轴敏感器件（1-1）置入高低温试验箱中，在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃条件下分别保温2小时后，测量陀螺零偏输出和标度因数输出；
第二步，将陀螺在不同温度环境下输出的零偏与对应温度点，按照最小二乘法进行拟合，得出陀螺零偏温度系数KVT；
第三步，将陀螺在不同温度环境下输出的标度因数与对应温度点，按照最小二乘法进行拟合，得出陀螺标度因数温度系数KkT；
第四步，如果KkT＜0，则复选端J1连接到S1端，此时有：
（1）
如果KVT＞0，则选择正温度系数热敏电阻（PTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
如果KVT＜0，则选择负温度系数热敏电（NTC）阻RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
第五步，如果KkT＞0，则复选端J1连接到S2端，此时有：
（1）
如果KVT＞0，则选择正温度系数热敏电阻（PTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
如果KVT＜0，则选择负温度系数热敏电阻（NTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
进一步，所述的精密电阻RA、RB的阻值参数为：RA阻值为110kΩ～1.5MΩ，选配标准E24系列电阻；RB阻值为110kΩ～1.5MΩ，选配标准E24系列电阻。
一种高动态双轴角速率陀螺，主要利用有限元分析方法，对双轴角速率陀螺在高动态应用环境下所受应力进行仿真与分析，为双轴角速率陀螺高动态环境适应性提供设计依据；使用热敏电阻组成的温度补偿电路对双轴角速率陀螺零位偏值进行补偿，实现双轴角速率陀螺全温度段零位漂移可控，并且不影响陀螺标度因数指标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）本发明提供的一种高动态双轴角速率陀螺，利用有限元分析方法，对双轴角速率陀螺在高动态应用环境下所受应力进行仿真与分析，并据此进行结构设计，弥补了传统角速率陀螺在高动态环境下工作不正常、易损坏的缺点。
2）本发明利用热敏电阻组成的温度补偿电路对双轴角速率陀螺零位偏值进行补偿，实现双轴角速率陀螺全温度段零位漂移可控，并且不影响陀螺标度因数指标，有效抑制了传统角速率陀螺噪声大、全温度段零位漂移大的缺点，使得双轴角速率陀螺在全温度段条件下免于补偿零位偏值。
附图说明
图1为本发明高动态双轴角速率陀螺组成框图；
图2为本发明复选式电路补偿网络组成框图。
图中：1、Y轴敏感器件，2、电源管理单元，3、Z轴敏感器件，4、陀螺壳体，5、陀螺盖板，6、底部减震垫，7、侧部减震垫，8、顶部隔离垫，9、输出电缆。
RT1为热敏电阻，RA、RB为精密电阻，J1为复选端。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明技术方案做进一步详细说明。
由图1所示，一种高动态双轴角速率陀螺包括： Y轴敏感器件1、电源管理单元2、Z轴敏感器件3、陀螺壳体4、陀螺盖板5、底部减震垫6、侧部减震垫7、顶部隔离垫8、输出电缆9；Y轴敏感器件1垂直安装于陀螺壳体4内部左侧，用于敏感绕陀螺Y轴方向产生的角速率运动，并将角速率信号转化为电信号输出；Z轴敏感器件3垂直安装于陀螺壳体4内部右侧，用于敏感绕陀螺Z轴方向产生的角速率运动，并将角速率信号转化为电信号输出；电源管理单元2安装在Y轴敏感器件1和Z轴敏感器件3中间，用于完成外部供电至敏感器件需要电源的转换；陀螺盖板5位于陀螺壳体4的上方，将陀螺各部件密封在陀螺壳体4内；底部减震垫6和侧部减震垫7分别安装于陀螺壳体4的底部和侧部，用于双轴角速率陀螺在高动态环境下减小冲击带来的陀螺测量误差；顶部隔离垫8安装于陀螺壳体4的上方，用于Y轴敏感器件1、电源管理单元2、Z轴敏感器件3与陀螺盖板5之间的绝缘保护；输出电缆9与Y轴敏感器件1相连，实现双轴角速率陀螺的供电和陀螺敏感角速率信号的输出。
（1）高动态双轴角速率陀螺结构设计
由于高动态双轴角速率陀螺应用环境过载物理过程非常复杂，难以解析获得，为此采用有限元分析方法对陀螺高动态试验结果进行分析，为陀螺结构抗过载设计提供依据。陀螺结构设计按照如下步骤进行：
第一步，完成陀螺结构尺寸初步设计，然后完全按照实际尺寸建立陀螺结构模型，各部件具体参数如下：
陀螺壳体和陀螺盖板采用1Cr18Ni9Ti，其弹性模量为：206GPa，泊松比为：0.28，密度为：7930kg/m3；底部减震垫、侧部减震垫、和顶部隔离垫弹性模量为：16GPa，泊松比为：0.28，密度为：1100kg/m3；Y轴敏感器件、电源管理单元和Z轴敏感器件弹性模量为：11.1GPa；泊松比为：0.25；密度为：1900kg/m3；单元结构使用自由网格划分方法对其进行网格划分，在陀螺壳体设计安装孔施加约束，同时施加设定冲击力；
第二步，对陀螺结构进行静力分析，分析陀螺整体结构受设定冲击力时陀螺壳体、陀螺盖板产生的位移形变、应力强度和最大剪应力强度；
第三步，根据陀螺壳体、陀螺盖板产生的位移形变、应力强度和最大剪应力强度，判断陀螺壳体和陀螺盖板是否产生塑性形变，如果只产生弹性形变，不产生塑形形变，则完成结构设计；若同时产生塑形形变，则重新进行第一步和第二步，直至满足设计要求。
第四步，最终确定参数：
陀螺壳体（4）和陀螺盖板（5）采用1Cr18Ni9Ti，其弹性模量为：206GPa，泊松比为：0.28，密度为：7930kg/m3；
底部减震垫（6）、侧部减震垫（7）、和顶部隔离垫（8）弹性模量为：16GPa，泊松比为：0.28，密度为：1100kg/m3；
Y轴敏感器件（1）、电源管理单元（2）和Z轴敏感器件（3）弹性模量为：11.1GPa；泊松比为：0.25；密度为：1900kg/m3。
（2）全温度工作环境下陀螺零偏和标度因数误差补偿
在全温度工作环境下，传统陀螺在使用中受环境温度影响很大，主要表现在影响陀螺零偏和标度因数。现有温度补偿有两种方案：一种是采用数字温补，使用温度传感器检测环境温度之后用单片机等进行补偿，数字温补的不足之处增加了陀螺响应时间。另一种是使用纯硬件温补网络进行补偿，其方案是利用温补网络，通过在运算放大器输入端并联一个由热敏电阻和两个常规电阻组成的温补网络，根据使用的热敏电阻的特性，依照标度因数温度补偿的要求，来选择温补网络中两个常规电阻的阻值参数，实现陀螺零偏和标度因数温度补偿，使陀螺零偏和标度因数在全温度段内的变化满足指标要求，该方案缺点是网络形式固定，补偿时只能改变运算放大器的输入端电阻，温补网络使运算放大器输入端电阻降低而使放大倍数增大，从而使陀螺的输出标度因数增大，由于不同敏感器件特性的差异，对于某些标度因数偏高的敏感器件，补偿之后陀螺标度因数容易超差，不能满足设计要求。
针对零偏和标度因数误差要求，研究一种控制陀螺零偏和标度因数温度特性的设计方法，通过仿真技术和复选式电路补偿网络，所有参数可直接由仿真得到，不需重复进行温度试验。
如图2所示，复选式电路补偿网络中，RT1为热敏电阻，RA、RB为精密电阻，复选端J1的连接方式根据标度因数确定；
全温度工作环境下陀螺零偏和标度因数误差补偿流程按如下步骤进行：
第一步，将Y轴敏感器件1置入高低温试验箱中，在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃条件下分别保温2小时后，测量陀螺零偏输出和标度因数输出，零偏输出记录为VY-40、VY-20、VY0、VY20、VY40、VY60，标度因数输出记录为kY-40、kY-20、kY0、kY20、kY40、kY60；
第二步，将陀螺在不同温度环境下输出的零偏与对应温度点，按照最小二乘法进行拟合，得出陀螺零偏温度系数KVT；
第三步，将陀螺在不同温度环境下输出的标度因数与对应温度点，按照最小二乘法进行拟合，得出陀螺标度因数温度系数KkT；
第四步，如果KkT＜0，则复选端J1连接到S1端，此时有：
（1）
如果KVT＞0，则选择正温度系数热敏电阻（PTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
如果KVT＜0，则选择负温度系数热敏电（NTC）阻RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
第五步，如果KkT＞0，则复选端J1连接到S2端，此时有：
（1）
如果KVT＞0，则选择正温度系数热敏电阻（PTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
如果KVT＜0，则选择负温度系数热敏电阻（NTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
第六步，确定RA、RB的阻值参数为：RA阻值为110kΩ～1.5MΩ，选配标准E24系列电阻；RB阻值为110kΩ～1.5MΩ，选配标准E24系列电阻。
本发明主要应用在高过载和高转速等高动态环境下，对载体横向和法向角速率的精准测量。能够弥补传统角速率陀螺在高动态环境下工作不正常、易损坏的缺点；同时又能有效抑制传统角速率陀螺噪声大、全温度段零位漂移大的缺点。本发明公开的一种高动态双轴角速率陀螺，具有适应高过载和高转速等高动态环境、噪声小、全温度段零位漂移小、信号延迟小的优点，能够重点应用在灾难救援、钻井测斜、地质勘探、高速交通、国防等高动态环境下的载体角速率测量。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高动态双轴角速率陀螺，其特征在于：包括Y轴敏感器件（1）、电源管理单元（2）、Z轴敏感器件（3）、陀螺壳体（4）、陀螺盖板（5）、底部减震垫（6）、侧部减震垫（7）、顶部隔离垫（8）、输出电缆（9）；Y轴敏感器件（1）垂直安装于陀螺壳体（4）内部左侧，用于敏感绕陀螺Y轴方向产生的角速率运动，并将角速率信号转化为电信号输出；Z轴敏感器件（3）垂直安装于陀螺壳体（4）内部右侧，用于敏感绕陀螺Z轴方向产生的角速率运动，并将角速率信号转化为电信号输出；电源管理单元（2）安装在Y轴敏感器件（1）和Z轴敏感器件（3）中间，用于完成外部供电至敏感器件需要电源的转换；陀螺盖板（5）位于陀螺壳体（4）的上方，将陀螺各部件密封在陀螺壳体（4）内；底部减震垫（6）和侧部减震垫（7）分别安装于陀螺壳体（4）的底部和侧部，顶部隔离垫（8）安装于陀螺壳体（4）的上方；输出电缆（9）与Y轴敏感器件（1）相连，实现双轴角速率陀螺的供电和陀螺敏感角速率信号的输出。
2.根据权利要求1所述的一种高动态双轴角速率陀螺，其特征在于：所述的各部件具体参数是：
陀螺壳体（4）和陀螺盖板（5）采用1Cr18Ni9Ti，其弹性模量为：206GPa，泊松比为：0.28，密度为：7930kg/m3；
底部减震垫（6）、侧部减震垫（7）、和顶部隔离垫（8）弹性模量为：16GPa，泊松比为：0.28，密度为：1100kg/m3；
Y轴敏感器件（1）、电源管理单元（2）和Z轴敏感器件（3）弹性模量为：11.1GPa；泊松比为：0.25；密度为：1900kg/m3。
3.一种高动态双轴角速率陀螺零偏和标度因数误差补偿，其特征在于，流程按如下步骤进行：
第一步，将Y轴敏感器件1置入高低温试验箱中，在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃条件下分别保温2小时后，测量陀螺零偏输出和标度因数输出；
第二步，将陀螺在不同温度环境下输出的零偏与对应温度点，按照最小二乘法进行拟合，得出陀螺零偏温度系数KVT；
第三步，将陀螺在不同温度环境下输出的标度因数与对应温度点，按照最小二乘法进行拟合，得出陀螺标度因数温度系数KkT；
第四步，如果KkT＜0，则复选端J1连接到S1端，此时有：
（1）
如果KVT＞0，则选择正温度系数热敏电阻（PTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿；
如果KVT＜0，则选择负温度系数热敏电（NTC）阻RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿；
第五步，如果KkT＞0，则复选端J1连接到S2端，此时有：
（1）
如果KVT＞0，则选择正温度系数热敏电阻（PTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿；
如果KVT＜0，则选择负温度系数热敏电阻（NTC）RT1，再依照零偏和标度因数温度补偿的要求，来选择RA、RB的阻值参数实现对陀螺零偏和标度因数的补偿。
4.根据权利要求1所述的一种高动态双轴角速率陀螺零偏和标度因数误差补偿，其特征在于，所述的精密电阻RA、RB的阻值参数为：RA阻值为110kΩ～1.5MΩ，选配标准E24系列电阻；RB阻值为110kΩ～1.5MΩ，选配标准E24系列电阻。
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