CN109556635A - 一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法，本发明成果是针对光纤陀螺法拉第效应对陀螺测试的影响进行研究，设计的带有双层屏蔽效果的测试工装与测试方法。采用本发明设计可以隔绝低频磁场对陀螺的影响，降低各类磁场对全温失准角测量中引入的误差。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺领域，尤其是一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法。
背景技术
光纤陀螺作为全固态仪表，具有寿命长、质量轻、体积小、动态范围大、精度应用覆盖面广、抗冲击等特点，已成为新一代捷联惯性导航系统及其他应用中较理想的陀螺仪表。但是，光纤陀螺使用的光学器件与光电子器件容易受到温度的影响，进而影响到陀螺零偏、标度因数、失准角等指标的性能，如何更有效地抑制温度误差向来是光纤陀螺技术研究的重点之一。光纤陀螺零偏与标度因数两种指标的温度性能已取得了较好的研究成果，但随着光纤陀螺应用精度的提升，缺乏深入研究的失准角温度误差(高低温环境下失准角的变化)已成为一项不可忽略的误差项，开展对失准角误差的深入研究是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴、利用钴基非晶态合金，制作第一层屏蔽罩，光纤陀螺放置在第一层屏蔽罩内；
⑵、在第一层屏蔽罩的外侧利用铁镍软磁合金制作第二层磁屏蔽罩，即第一层屏蔽罩放置在第二层屏蔽罩内部；
⑶、将其内放置有第一层屏蔽罩和光纤陀螺的第二层屏蔽罩安装在测量光纤陀螺失准角专业的六面体工装上；
⑷、按照GJB 2426A-2015光纤陀螺仪测试方法进行光纤陀螺全温失准角测试。
而且，所述的两层屏蔽罩相互分离，第一层屏蔽罩直接放在第二层屏蔽罩内。
而且，所述的第二层屏蔽罩位于六面体工装的外部，其安装在测量光纤陀螺失准角专业的六面体工装的上表面上。
本发明的优点和积极效果是：
本测试方法是对国军标GJB 2426A-2015(光纤陀螺仪测试方法)测量光纤陀螺的输入轴失准角的一个有益补充。在此GJB的基础上对在光纤陀螺全温度工作范围内的失准角进行测量，由于热应力的作用光纤环圈的尺寸及光纤环圈内光纤微元的敏感轴方向会随着温度发生改变，与此同时在测试过程中地磁和其他设备引入的磁场引起的磁场法拉利效应也会发生变化。
本发明在此基础上，引入多层磁屏蔽设计，在测量光纤陀螺失准角专业的六面体工装上加载双层磁屏蔽罩。内侧屏蔽罩由钴基非晶态材料组成，以隔离高频磁场对陀螺的影响。在外侧加载第二层磁屏蔽罩，由铁镍合金构成，主要目标为隔绝低频磁场对陀螺的影响，从而降低了各类磁场对全温失准角测量中引入的误差。
附图说明
图1是加双层屏蔽罩的光纤陀螺全温失准角测试系统。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为了便于理解本发明，首先对本发明的设计理念及研发过程进行描述：
光纤陀螺是一种全固态的角速率传感器，在捷联惯性导航和旋转式惯性导航系统中得到广泛应用。高精度光纤陀螺惯性导航系统对由温度引起的光纤陀螺输入轴失准角变化指标提出了很高的要求，是影响光纤陀螺惯性导航系统性能的重要因素之一。在全温范围内应用的光纤陀螺，特别是在大角速率或者高精度应用时，其输入轴失准角随温度变化的误差甚至超过零偏漂移误差和标度因数误差，严重制约光纤陀螺的环境适应性。
光纤陀螺的核心角速率敏感元件是光纤环圈，它由固化胶粘结多匝光纤缠绕而成。光纤环圈的等效平面法线即为光纤陀螺的输入轴(Input Axis,IA)。理想情况下，当光纤陀螺输入轴与安装面法线即输入基准轴(Input Reference Axis,IRA)平行时，光纤陀螺的输出量最大。高精度光纤环圈通常采用全脱骨技术、多极对称绕制技术和紫外光固化胶或热固化胶。高精度光纤陀螺所用的光纤环圈长达数千米，绕制匝数可达上万匝。光纤陀螺的输入轴是每匝光纤平面矢量合成的结果。由于绕制和胶体固化的不理想，导致IA轴与IRA轴并不重合。在全温条件下，由于光纤的不理想、光纤环绕制应力的不均匀、固化应力不均匀以及支撑结构与环圈接触面的应力不均匀等原因，导致光纤陀螺的失准角随温度发生较大的变化。因此，通过对光纤陀螺全温失准角变化的准确测量可以为光纤环圈工艺改进和有效温度补偿提供依据。国内各研究单位均对此进行了相关的研究，分别利用了全温范围内各温度点的定温补偿及全温度旋转补偿等手段对光纤陀螺的全温失准角进行建模与补偿，并收到了一定的效果，单次补偿后的效果均较补偿前的全温度失准角误差降低了10倍以上。但在测试中我们发现，当测试环境发生变化，特别是外界磁场环境发生变化时，补偿效果大大降低。
分析原因为光纤陀螺的磁敏感性。磁场引起的法拉第效应对光纤陀螺的影响，是在光纤环中引入一个非互易的圆双折射，圆双折射受光传输方向的影响并叠加到光纤环中的固有双折射上，使光在光纤环中传输时产生一个非互易相位差，由于这一误差无法与光纤陀螺的Sagnac效应区分，因此光纤陀螺产生磁敏感性。由于磁场强度为一矢量，即磁场强度有大小也有方向，对以θ0角影响光纤环的磁场。其由磁光法拉第效应产生的误差可以表示为：
式中：V为维尔德(Verdet)常数；D为光纤环直径；H为磁场强度；Δβ为保偏光纤的双折射率，τ(θ)为光纤环的扭转分布函数。对上式进行简化可得：
令同时令于是：
式(3)为磁场作用下的光纤陀螺误差模型。由于磁场主要影响光纤环圈，而当外界温度发生时，光纤环圈的敏感轴与环圈尺寸形状均发送变化，因此这种全温误差对光纤陀螺全温失准角必定会带来影响，虽然可根据全温测试的失准角结果进行补偿，由于外部磁环境发生改变后，这种寄生误差的影响也会发生改变，因此导致补偿效果变差。表1为同一工艺下的三只陀螺进过补偿后，在不同环境测试时，补偿效果的比较：
表1为不同磁环境下三只陀螺的全温失准角补偿效果比较
| 陀螺编号 | 补偿前 | 补偿后 | 改变测试环境后 |
| 1 | 17” | 1.3” | 5.1” |
| 2 | 21” | 1.8” | 3.2” |
| 3 | 14” | 1.3” | 2.7” |
从上表可以看出，必须对测试过程中的外界磁场进行屏蔽。由于外界磁场条件比较复杂，为提高陀螺全温失准角测试精度，必须进行双层屏蔽(EMI)。
一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法，包括以下步骤：
(1)、利用钴基非晶态合金，制作第一层屏蔽罩3，光纤陀螺放置在第一层屏蔽罩内；
钴基非晶态合金作为一种新型屏蔽材料。该类合金的特点是剩余磁感应强度和高频铁芯损失均很低。其中钴基非晶态合金是由零磁伸缩型Fe-Co-Si-B系合金添加适当的过渡族金属元素制作的，其剩磁比可小于0.05，高频铁芯损耗极低。在此处的作用是隔绝高频磁场对陀螺的影响。
(2)、在第一层屏蔽罩的外侧利用铁镍软磁合金制作第二层磁屏蔽罩2，即：两层屏蔽罩相互分离，第一层屏蔽罩直接放置在第二层屏蔽罩内部；
铁镍软磁合金是在铁镍基中加入不同量的Co，Cr，Cu，Mo，V，Ti，Al，Nb，Mn，Si等元素组成的合金，是铁磁合金中用途最广，品种与规格最多的一种，与其他软磁合金相比，在低磁场下该类合金具有很高的磁导率和很低的矫顽力。在此处由于隔绝低频磁场对陀螺的影响。
(3)、将其内放置有第一层屏蔽罩和光纤陀螺的第二层屏蔽罩安装在测量光纤陀螺失准角专业的六面体工装4上，即：第二层屏蔽罩位于六面体工装的外部，其安装在测量光纤陀螺失准角专业的六面体工装的上表面上；
(4)、按照GJB 2426A-2015(光纤陀螺仪测试方法)进行光纤陀螺全温失准角测试。
表2为由双层屏蔽罩的情况下不同磁环境下三只陀螺的全温失准角补偿效果比较
| 陀螺编号 | 补偿前 | 补偿后 | 改变测试环境后 |
| 1 | 17” | 1.3” | 1.4” |
| 2 | 21” | 1.8” | 1.9” |
| 3 | 14” | 1.3” | 1.3 |
Claims (3)
1.一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴、利用钴基非晶态合金，制作第一层屏蔽罩，光纤陀螺放置在第一层屏蔽罩内；
⑵、在第一层屏蔽罩的外侧利用铁镍软磁合金制作第二层磁屏蔽罩，即第一层屏蔽罩放置在第二层屏蔽罩内部；
⑶、将其内放置有第一层屏蔽罩和光纤陀螺的第二层屏蔽罩安装在测量光纤陀螺失准角专业的六面体工装上；
⑷、按照GJB 2426A-2015光纤陀螺仪测试方法进行光纤陀螺全温失准角测试。
2.根据权利要求1所述的一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法，其特征在于：所述的两层屏蔽罩相互分离，第一层屏蔽罩直接放在第二层屏蔽罩内。
3.根据权利要求1所述的一种新型光纤陀螺全温失准角测试方法，其特征在于：所述的第二层屏蔽罩位于六面体工装的外部，其安装在测量光纤陀螺失准角专业的六面体工装的上表面上。
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