CN109405851B - 基于自准直指零仪和光纤陀螺的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自准直指零仪和光纤陀螺的测试装置及测试方法。测试装置包括自准直指零仪、角速率/角度敏感模块和上位机，自准直指零仪和角速率/角度敏感模块分别与上位机相连接；自准直指零仪包括光源、第一狭缝、分光镜、第二狭缝、聚焦透镜、平面反射镜、光电探测器、AD数据采集模块。本发明基于光纤陀螺敏感外部的角速度信息，实现对角度/角速度的测量，然后根据自准直指零仪在给定零位处产生的指零信号实现光纤陀螺测量过程中的360°圆周误差的自封闭以及标度因数的标定和实时校正，可以实现360°圆周误差的自封闭清零，同时在标度因数的实时校正过程中保证光纤陀螺标度因数的准确性，提升了在长时间、大角度情况下的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及测试装置，尤其涉及一种基于自准直指零仪和光纤陀螺的角速度/角度测试装置。
背景技术
光纤陀螺是一种全固态惯性传感器件，其技术水平很大程度上影响着惯性技术的发展。与传统的机械陀螺相比，光纤陀螺作为一种基于干涉原理的全光学传感器，它具有启动速度快、动态范围广、抗冲击能力强、精度和灵敏度高等优点。但在实际应用中，光纤陀螺在每次使用前都需要有一个角度/角速度发生装置（例如：转台）对其标度因数进行标定，这就对光纤陀螺的使用造成了一定的限制。同时，标定后的标度因数会随着时间发生漂移，标度因数的漂移导致的标度因数的误差就会反映在角度/角速度测量精度上。此外，由于光纤陀螺自身存在零偏和漂移，随着测量时间的延长和被测角度/角速度的增大，光纤陀螺测量结果的累计误差不断增大，这样势必造成测量精度的降低，难以满足长时间、大角度和高精度的需求。
自准直指零仪的主要作用是瞄准，它可以在高速旋转测量的过程中，在给定的零位处产生一个指零脉冲，通过指零脉冲就可以实现360°圆周的自封闭。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于自准直指零仪和光纤陀螺的测试装置。
一种基于自准直指零仪和光纤陀螺的测试装置，包括自准直指零仪、角速率/角度敏感模块和上位机，自准直指零仪和角速率/角度敏感模块分别与上位机相连接；所述的自准直指零仪包括光源、第一狭缝、分光镜、第二狭缝、聚焦透镜、平面反射镜、光电探测器、AD数据采集模块，光源、第一狭缝、分光镜、聚焦透镜、平面反射镜沿着光轴方向从左往右顺次安装，光源安装在聚焦透镜的焦点位置，光电探测器安装在分光镜左边的聚焦透镜的等效焦点位置，AD数据采集模块的输入端与光电探测器相连，输出端连接到上位机，平面反射镜安装在角速率/角度敏感模块上，随角速率/角度敏感模块转动。
所述的光源为He-Ne激光器。
所述的角速率/角度敏感模块包括充放电电池组、电平转换电路、倾角传感器、信号采集板、光纤陀螺、WIFI串口服务器，充放电电池组与电平转换电路连接，电平转换电路分别给倾角传感器、光纤陀螺和信号采集板供电，信号采集板分别与光纤陀螺和倾角传感器相连实现数据通讯。
所述的信号采集板通过数据线与上位机实现互联。
所述的角速率/角度敏感模块进一步设有WIFI串口服务器，所述的信号采集板通过WIFI串口服务器与上位机实现无线互联。
所述的光纤陀螺为去偏光纤陀螺。
所述的角速率/角度敏感模块进一步设有朝阳电源，用于输入外接电源，朝阳电源分别与充放电电池组、电平转换电路连接。
一种采用所述的装置的测试方法，测试开始时，上位机同步采集自准直指零仪产生的指零信号和角速率/角度敏感模块产生的陀螺角增量数据和倾角数据，测量过程分为如下两步：
1）陀螺自标定；开始测量前，先让角速率/角度敏感模块转动，转动量大于1周，直到采集到两个指零信号为止，将两个指零信号之间的陀螺角增量数据进行累加并记为M，将所测陀螺累加值M代入方程K= M/360得到陀螺的初始标度因数，记为K1；
2）角速率/角度测量；假设测量时角速率/角度敏感模块一共转动了X周，X>1，不计标定过程中的转动量，必然存在一个最大的正整数N，使得X满足N<X<N+1, N=1,2,…，按照步骤1）中的方式，利用第i周的陀螺角增量数据，i=1,2,…,N，得到陀螺的标度因数Ki+1，并将标度因数Ki+1应用于第i+1周的数据计算，针对转动为X周的测量，测量结果θ表示为：
θ=360°×N + S/KN+1，当0<X<1时，测量结果θ表示为：θ= S/K1，S为测量不足一周的部分陀螺角增量数据的累加值，若取第i周内任意一秒的陀螺角增量数据进行累加，记为F，代入方程V=F/Ki就得到此时对应的转动角速率。
本发明的有益效果：
本发明基于光纤陀螺敏感外部的角速度信息，实现对角度/角速度的测量，然后根据自准直指零仪在给定零位处产生的指零信号实现光纤陀螺测量过程中的360°圆周误差的自封闭以及标度因数的标定和实时校正。由于自准直指零仪具有极高的指零精度，因此这种设计可以实现360°圆周误差的自封闭清零，同时在标度因数的实时校正过程中保证光纤陀螺标度因数的准确性，很大程度上地提升在长时间、大角度情况下的测量精度。
附图说明
图1为本发明的模块示意图；
图2为本发明的自准直指零仪的一种结构示意图；
其中，光源1、第一狭缝2、分光镜3、第二狭缝4、聚焦透镜5、平面反射镜6、光电探测器7、AD数据采集模块8；
图3为本发明的角速率/角度敏感模块的结构示意图；
其中，朝阳电源9、充放电电池组10、电平转换电路11、倾角传感器12、信号采集板13、光纤陀螺14、WIFI串口服务器15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明包括自准直指零仪、角速率/角度敏感模块和上位机。自准直指零仪和角速率/角度敏感模块分别与上位机相连接。
如图2所示，自准直指零仪包括光源1、第一狭缝2、分光镜3、第二狭缝4、聚焦透镜5、平面反射镜6、光电探测器7、AD数据采集模块8。光源1、第一狭缝2、分光镜3、聚焦透镜5、平面反射镜6沿着光轴方向从左往右顺次安装。光源1安装在聚焦透镜5的焦点位置，光电探测器7安装在分光镜3左边的聚焦透镜5的等效焦点位置。AD数据采集模块8的输入端与光电探测器7相连，输出端连接到上位机。平面反射镜6安装在角速率/角度敏感模块上，随角速率/角度敏感模块转动。所述的光源1为He-Ne激光器。所述的第一狭缝2和第二狭缝4为最小可调节刻度为0.01mm的可调狭缝。所述的分光镜3为由一对高精度直角棱镜胶合而成的一般的分光棱镜。所述的聚焦透镜5为一般的凸透镜。所述的光电探测器7为高速硅PIN光电二极管。所述的AD数据采集模块8为高速的AD数据采集模块。
如图3所示，角速率/角度敏感模块包括朝阳电源9、充放电电池组10、电平转换电路11、倾角传感器12、信号采集板13、光纤陀螺14、WIFI串口服务器15。朝阳电源9与充放电电池组10、电平转换电路11顺次连接。朝阳电源9也与电平转换电路11相连接。电平转换电路11分别与倾角传感器12、光纤陀螺14和信号采集板13相连实现供电功能，信号采集板13分别与光纤陀螺14和倾角传感器12相连实现数据通讯。信号采集板13与WIFI串口服务器15相连，WIFI串口服务器15通过WIFI与上位机连接实现数据传输。信号采集板13同时通过数据线直接连接上位机进行数据传输。所述的光纤陀螺为高精度的去偏光纤陀螺。所述的信号采集板13为一般的FPGA开发板。所述上位机为一般的计算机。
应用实施例
在自准直指零光路模块中，光源1发出的光经过第一狭缝2后透过分光镜3，经聚焦透镜5准直扩束射向平面反射镜6，经平面反射镜6反射再次经过聚焦透镜5射向分光镜3，在分光镜3处经反射后透过第二狭缝4聚焦在光电探测器7上，光电探测器7输出指零脉冲，AD数据采集模块8实时采集光电探测器7的输出信号并将数据传输到上位机，并将该信号的最大值作为指零的基准零点。
在角速率/角度敏感模块中，220V外部输入电压经过朝阳电源9后输出6V电压，给充放电电池组10充电，然后充放电电池组10在放电状态下经过电平转换电路11后输出5V电压分别给倾角传感器12、光纤陀螺14、信号采集板13供电。在充放电电池组10电量耗尽停止工作时，朝阳电源9输出的6V电压直接通过电平转换电路11后输出5V电压分别给倾角传感器12、光纤陀螺14、信号采集板13供电。信号采集板13通过RS422数据接口实时给光纤陀螺14和倾角传感器12发送相应指令，光纤陀螺14和倾角传感器12在接收到相应指令后分别返回陀螺角增量数据和倾角数据，经RS422接口后由信号采集板13接收。信号采集板13将数据通过RS232接口传输给WIFI串口服务器15，由WIFI传输的形式上传至上位机，或者直接通过RS232接口用数据线与上位机之间进行数据传输。在实际使用的过程中，由于数据线和外部电源线在转动过程会不断缠绕，因此为了避免这种不便，一般会断开外部输入电源线和与上位机之间的数据线，供电功能通过充放电电池组10来完成，与上位机之间的通讯通过WIFI串口服务器15来实现。
测试开始时，上位机同步采集自准直指零仪产生的指零信号和角速率/角度敏感模块产生的陀螺角增量数据和倾角数据，测量过程分为如下两步：
1）陀螺自标定；开始测量前，先让角速率/角度敏感模块转动，转动量大于1周，直到采集到两个指零信号为止，将两个指零信号之间的陀螺角增量数据进行累加并记为M，将所测陀螺累加值M代入方程K= M/360就得到陀螺的初始标度因数，记为K1；
2）角速率/角度测量；假设测量时角速率/角度敏感模块一共转动了X(X>1)周，不计标定过程中的转动量，必然存在一个最大的正整数N，使得X满足N<X<N+1, N=1,2,…，按照步骤1）中的方式，利用第i (i=1,2,…,N)周的陀螺角增量数据，得到陀螺的标度因数Ki+1，并将标度因数Ki+1应用于第i+1周的数据计算。针对转动为X周的测量，测量结果θ表示为：
θ=360°× N + S/KN+1，
当0<X<1时，测量结果θ表示为：
θ= S/K1，S为测量不足一周的部分陀螺角增量数据的累加值，若取第i周内任意一秒的陀螺角增量数据进行累加，记为F，代入方程V=F/Ki就得到此时对应的转动角速率。
这种测量方法不仅实现了对光纤陀螺的标度因数的标定和实时校正，保证了标度因数长时间的准确性，而且在多周大角度连续转动测试时，实现了360°圆周误差的自封闭清零，避免了多周的误差累积。同时，该装置实现了对角速率和角度的同时测量，可以满足在长时间、大角度情况下的高精度测量需求。
Claims (1)
1.一种采用基于自准直指零仪和光纤陀螺的测试装置的测试方法，其特征在于，所述的基于自准直指零仪和光纤陀螺的测试装置，包括自准直指零仪、角速率/角度敏感模块和上位机，自准直指零仪和角速率/角度敏感模块分别与上位机相连接；所述的自准直指零仪包括光源、第一狭缝、分光镜、第二狭缝、聚焦透镜、平面反射镜、光电探测器、AD数据采集模块，光源、第一狭缝、分光镜、聚焦透镜、平面反射镜沿着光轴方向从左往右顺次安装，光源安装在聚焦透镜的焦点位置，光电探测器安装在分光镜左边的聚焦透镜的等效焦点位置，AD数据采集模块的输入端与光电探测器相连，输出端连接到上位机，平面反射镜安装在角速率/角度敏感模块上，随角速率/角度敏感模块转动；
测试开始时，上位机同步采集自准直指零仪产生的指零信号和角速率/角度敏感模块产生的陀螺角增量数据和倾角数据，测量过程分为如下两步：
1）陀螺自标定；开始测量前，先让角速率/角度敏感模块转动，转动量大于1周，直到采集到两个指零信号为止，将两个指零信号之间的陀螺角增量数据进行累加并记为M，将所测陀螺累加值M代入方程K= M/360得到陀螺的初始标度因数，记为K1；
2）角速率/角度测量；假设测量时角速率/角度敏感模块一共转动了X周，X>1，不计标定过程中的转动量，必然存在一个最大的正整数N，使得X满足N<X<N+1, N=1,2,…，按照步骤1）中的方式，利用第i周的陀螺角增量数据，i=1,2,…,N，得到陀螺的标度因数Ki+1，并将标度因数Ki+1应用于第i+1周的数据计算，针对转动为X周的测量，测量结果θ表示为：
θ=360°×N+S/KN+1，当0<X<1时，测量结果θ表示为：θ= S/K1，S为测量不足一周的部分陀螺角增量数据的累加值，若取第i周内任意一秒的陀螺角增量数据进行累加，记为F，代入方程V=F/Ki就得到此时对应的转动角速率。
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