CN106032992A - 全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置及测量方法 - Google Patents

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于昌龙
胡斌
毕聪志
李丽坤
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Abstract

本发明属于光纤陀螺测量领域，具体公开一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置及测量方法；装置包括电源系统、磁场控制系统、磁场测量系统、磁场测试探头和三个方向的电磁线圈：2个X向电磁线圈、2个Y向电磁线圈、2个Z向电磁线圈；三个方向的电磁线圈围成的部分为磁场均匀区域；磁场均匀区域内设有磁场测试探头；方法包括将光纤陀螺固定在全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置内的磁场均匀区域内，并将全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置放置在温箱中，改变磁场的通断，通过e＝|K1-K2|/M计算标度因数灵敏度。本发明提高了光纤陀螺的环境适应性和动态使用精度。

Description

全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于光纤陀螺测量领域，具体涉及一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置及测量方法。
背景技术
光纤陀螺是一种集光、机、电于一体的角速率传感器，也是目前国内外应用非常广泛的角速率传感器。标度因数是光纤陀螺的核心性能指标之一。理论分析表明：光纤陀螺易受磁光法拉第效应影响，导致在光纤环圈中相向传输的两束光会产生相位差，最终影响了光纤陀螺的标度因数。具体地说，光纤陀螺在实际工作中会随载体做俯仰、翻滚以及航向运动，此时光纤陀螺周围的磁场大小和方向都会发生改变，由此影响了其标度因数，一般使用标度因数磁场灵敏度来衡量磁场对标度因数性能指标的影响。
现有技术中主要采用磁屏蔽技术来降低磁场对光纤陀螺性能的影响，但是这种方法存在不足之处。在现有的磁屏蔽技术中，主要使用的磁屏蔽材料——铁镍软磁合金，制作光纤陀螺磁屏蔽罩，磁屏蔽罩安装在光纤陀螺的外部，可以降低磁场对光纤陀螺内部核心敏感部件的影响程度。但是磁屏蔽材料的性能会随温度变化而产生剧烈的变化。磁屏蔽材料的初始磁导率μo，决定了磁屏蔽材料的性能，也决定了光纤陀螺磁屏蔽罩的性能。μo与温度成反比关系，温度越低，磁屏蔽材料性能越差，性能变化最大达到57.2％，而这一特性对于应用于-40℃～70℃宽温度范围内的光纤陀螺影响巨大，因此，全温范围内的光纤陀螺标度因数磁场灵敏度指标也必然受到影响。由于国内尚无可以应用于全温范围内的三维磁场发生装置，所以标度因数磁场灵敏度指标受影响的程度无法量化，影响了这项工程技术的研究进展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置及测量方法，能够在全温范围内稳定、灵敏地对光纤陀螺标度因数的磁场灵敏度进行测试。
实现本发明目的的技术方案：
一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置，其特征在于：它包括电源系统、磁场控制系统、磁场测量系统、磁场测试探头和三个方向的电磁线圈：2个X向电磁线圈、2个Y向电磁线圈、2个Z向电磁线圈；2个X向电磁线圈设置在X方向；2个Y向电磁线圈设置在Y方向；2个Z向电磁线圈设置在Z方向；三个方向的电磁线圈围成的部分为磁场均匀区域；磁场均匀区域内设有磁场测试探头；电源系统分别通过电连接器与X向电磁线圈、Y向电磁线圈、Z向电磁线圈连接；电源系统的输入端与磁场控制系统的输出端连接；磁场控制系统的输入端与磁场测量系统的输出端连接；磁场测量系统的输入端与磁场测试探头连接。
所述的2个X向电磁线圈之间的间距为400mm、2个Y向电磁线圈之间的间距为400mm、2个Z向电磁线圈之间的间距为400mm；三个方向的电磁线圈围成的磁场均匀区域为：400×400×400mm。
一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量方法，其特征在于：它包括下列步骤
步骤一：将光纤陀螺固定在全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置内的磁场均匀区域内，并将全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置放置在温箱中；
步骤二：设定温箱温度为t，当温箱显示温度达到t后，保温2小时；
步骤三：设定全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置磁场方向和大小；
步骤四：给光纤陀螺通电，测量光纤陀螺在当前状态下的标度因数，并记为K1，测试完成后，给光纤陀螺断电，静置30分钟；
步骤五：取消全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置施加磁场强度，给光纤陀螺通电，再次测量光纤陀螺在当前状态下的标度因数，并记为K2，测试完成后，给光纤陀螺断电；
步骤六：计算光纤陀螺在温度t条件下的标度因数磁场灵敏度，计算公式如下：
e＝|K1-K2|/M
其中，
e为光纤陀螺标度因数磁场灵敏度，单位为LSB/(°/s)/Gs；
K1、K2为光纤陀螺的标度因数，单位为LSB/(°/s)；
M为磁场强度，单位为Gs。
本发明的有益技术效果在于：
本发明所提供的一种用于测量光纤陀螺磁场灵敏度的三维变频磁场发生装置，通过采用耐高低温电磁线圈制作了适用于-40℃～70℃温度范围的三维变频磁场发生装置，该装置的磁场发生频率范围覆盖10～1000Hz，单方向线圈磁场发生强度覆盖0～10Gs，使得光纤陀螺全温范围的标度因数磁场灵敏度测试变为可能，提高了光纤陀螺的环境适应性和动态使用精度。
附图说明
图1为本发明所提供的全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置的结构示意图。
图中：1.X向电磁线圈、2.Y向电磁线圈、3.Z向电磁线圈、4.磁场测试探头、5.磁场测量系统、6.磁场控制系统、7.电源系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明所提供的一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置包括：电源系统7、磁场控制系统6、磁场测量系统5、磁场测试探头4和三个方向的电磁线圈：2个X向电磁线圈1、2个Y向电磁线圈2、2个Z向电磁线圈3。
6个电磁线圈分别由正方形的线框和线框内的电线组成。线框的材料为聚四氟乙烯，电线使用直径0.5mm的铜线，每一个线框内电线的匝数为24。线框的边长为600mm。2个X向电磁线圈1设置在X方向，二者之间的间距为400mm；2个Y向电磁线圈2设置在Y方向，二者之间的间距为400mm；2个Z向电磁线圈3设置在Z方向，二者之间的间距为400mm。相邻线圈之间通过线圈连接点进行机械固定。三个方向的电磁线圈得到的磁场发生区域的大小为：500×500×500mm。其中，磁场均匀区域为：400×400×400mm。磁场均匀区域内设有磁场测试探头4。
电源系统7分别通过电连接器与X向电磁线圈1、Y向电磁线圈2、Z向电磁线圈3连接，同时给电给三个方向的电磁线圈。电源系统7的输入端与磁场控制系统6的输出端连接。磁场控制系统6的输入端与磁场测量系统5的输出端连接，磁场测量系统5的输入端与磁场测试探头4连接。磁场测量系统5的型号为HTS4-01，其检测精度优于0.005Gs。磁场控制系统6为通用的上位机。电源系统7的型号为APS-9102，输出频率为45～1000Hz，输出功率为1kW。
本发明的全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置可以实现X-Y-Z三维磁场控制，即该装置可以在X-Y-Z空间内发生一个任意方向的，不大于17Gs的磁场。该控制的实现步骤为：
a：明确发生磁场的方向和大小，并将发生磁场进行矢量分解，分解到X、Y、Z三个方向；
b：通过磁场控制系统6设置三个方向的磁场强度值，磁场控制系统6将与磁场强度值转化成相应的电流值，并将信号发送给供电系统7；
c：供电系统7根据信号提供电流给2个X向电磁线圈1、2个Y向电磁线圈2、2个Z向电磁线圈3，三个方向的线圈中的电流产生了磁场；
d：磁场测试探头4检测三个方向的磁场大小，并将磁场强度信息上传至磁场测试系统5；
e：磁场测试系统5将磁场强度信息上传给磁场控制系统6；
f：磁场控制系统6将得到的磁场强度信息与设定磁场强度进行对比，并重复a～f，进行闭环控制，直至两者完全一致。
本发明所提供的一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量方法包括
步骤一：将光纤陀螺固定在全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置内的磁场均匀区域内，并将全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置放置在温箱中；
步骤二：设定温箱温度为t，当温箱显示温度达到t后，保温2小时，t可以选取全温度范围-40～60℃；在本实施例中t取20℃，；
步骤三：设定全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置磁场方向和大小，在本实施例中设置单方向的X正向磁场，1Gs；
步骤四：给光纤陀螺通电，测量光纤陀螺在当前状态下的标度因数，并记为K1，测试完成后，给光纤陀螺断电，静置30分钟；
步骤五：取消全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置施加磁场强度，给光纤陀螺通电，再次测量光纤陀螺在当前状态下的标度因数，并记为K2，测试完成后，给光纤陀螺断电；
步骤六：计算光纤陀螺在温度t条件下的标度因数磁场灵敏度，计算公式如下：
e＝|K1-K2|/M
其中，
e为光纤陀螺标度因数磁场灵敏度，单位为LSB/(°/s)/Gs；
K1、K2为光纤陀螺的标度因数，单位为LSB/(°/s)；
M为磁场强度，单位为Gs。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (3)

1.一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置，其特征在于：它包括电源系统(7)、磁场控制系统(6)、磁场测量系统(5)、磁场测试探头(4)和三个方向的电磁线圈：2个X向电磁线圈(1)、2个Y向电磁线圈(2)、2个Z向电磁线圈(2)；2个X向电磁线圈(1)设置在X方向；2个Y向电磁线圈(2)设置在Y方向；2个Z向电磁线圈(3)设置在Z方向；三个方向的电磁线圈围成的部分为磁场均匀区域；磁场均匀区域内设有磁场测试探头(4)；电源系统(7)分别通过电连接器与X向电磁线圈(1)、Y向电磁线圈(2)、Z向电磁线圈(3)连接；电源系统(7)的输入端与磁场控制系统(6)的输出端连接；磁场控制系统(6)的输入端与磁场测量系统(5)的输出端连接；磁场测量系统(5)的输入端与磁场测试探头(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置，其特征在于：所述的2个X向电磁线圈(1)之间的间距为400mm、2个Y向电磁线圈(2)之间的间距为400mm、2个Z向电磁线圈(2)之间的间距为400mm；三个方向的电磁线圈围成的磁场均匀区域为：400×400×400mm。
3.一种全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量方法，其特征在于：它包括下列步骤
步骤一：将光纤陀螺固定在全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置内的磁场均匀区域内，并将全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置放置在温箱中；
步骤二：设定温箱温度为t，当温箱显示温度达到t后，保温2小时；
步骤三：设定全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置磁场方向和大小；
步骤四：给光纤陀螺通电，测量光纤陀螺在当前状态下的标度因数，并记为K1，测试完成后，给光纤陀螺断电，静置30分钟；
步骤五：取消全温范围内光纤陀螺磁场灵敏度的测量装置施加磁场强度，给光纤陀螺通电，再次测量光纤陀螺在当前状态下的标度因数，并记为K2，测试完成后，给光纤陀螺断电；
步骤六：计算光纤陀螺在温度t条件下的标度因数磁场灵敏度，计算公式如下：
e＝|K1-K2|/M
其中，
e为光纤陀螺标度因数磁场灵敏度，单位为LSB/(°/s)/Gs；
K1、K2为光纤陀螺的标度因数，单位为LSB/(°/s)；
M为磁场强度，单位为Gs。
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