CN111829503B - 一种光纤陀螺阈值测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤陀螺阈值测试方法及装置，通过光纤输入轴东向位置和西向位置的测量来获得陀螺输入轴与地理北向之间的夹角，减小和/或消除了采用陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角来进行阈值测试所引入的误差；在阈值测试时，先进行与东向位置和西向位置测量时所需静态测试时间长度相等的静态测试，消除了环境温度变化对转速测量值的影响；再根据被测光纤陀螺的精度水平，利用地球转速分量来确定光纤陀螺阈值，实现了在相对较短的时间内获得精确阈值的测试结果。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺阈值测试方法及装置。
背景技术
光纤陀螺是基于SAGNAC效应实现角速度测量的光学传感器，具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。在飞机导航、航天器制导、卫星定位、汽车导向、智能机器人等诸多方面得到成功应用。
光纤陀螺阈值的物理意义是陀螺能敏感的最小角速率，光纤陀螺在理论上不存在阈值，但由于光路和电路的交叉耦合会引起信号串扰出现“死区效应”，陀螺存在一个能敏感角速率的极限。
目前国内外各研制单位对光纤陀螺的阈值没有严格的、通用的测试方法，中华人民共和国国家军用标准《光纤陀螺仪测试方法》规定了两种测量光纤陀螺阈值的方法：速率转台法和回转台法，其中速率转台法用于阈值较大的低精度光纤陀螺产品的测量；回转台法用于高精度光纤陀螺阈值的测量，回转台法的基本思想是改变陀螺输入轴与地理北向的夹角，给陀螺输入地球转速的余弦分量，理论上回转台法输入的地球转速分量可以任意小。
光纤陀螺的阈值是一个相对小量，其数量级与陀螺的精度水平相当，如何快速、准确实现中高精度光纤陀螺阈值测试，抑制光纤陀螺测量过程中，环境温度对陀螺输出转速的影响，是迫切需要解决的一个技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种光纤陀螺阈值测试方法及装置。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种光纤陀螺阈值测试方法，包括：
步骤1：将光纤陀螺安装在水平位置的转台上，使光纤陀螺输入轴处于水平面内；
步骤2：测量所述光纤陀螺输入轴的东向位置和西向位置；
步骤3：转动所述转台，使所述光纤陀螺输入轴位于所述步骤2中的东向位置，并进行静态测试，获得光纤陀螺转速测量值随时间变化的曲线，且根据所述转速测量值随时间变化的曲线计算出每个时间段内转速测量值的均值；
其中，所述静态测试的时间长度与所述东向位置和西向位置测量时所需进行静态测试的总时间长度相等；
步骤4：以所述步骤2中的东向位置为中心，按照设定角位置间隔交替转动所述转台，在交替转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，并计算该位置对应的地球转速分量；
以所述步骤2中的西向位置为中心，按照设定角位置间隔交替转动所述转台，在交替转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，并计算该位置对应的地球转速分量；
步骤5：将所述步骤4中以东向位置为中心的每个位置光纤陀螺的转速测量值与步骤3中对应时间段内转速测量值的均值进行差值运算，并根据该差值运算结果、对应位置地球转速分量确定东向位置的待定阈值；
将所述步骤4中以西向位置为中心的每个位置光纤陀螺的转速测量值与步骤3中对应时间段内转速测量值的均值进行差值运算，并根据该差值运算结果、对应位置地球转速分量确定西向位置的待定阈值；
取东向位置的待定阈值和西向位置的待定阈值中的较大者为光纤陀螺阈值。
进一步地，所述步骤2中，光纤陀螺输入轴的东向位置的测量步骤为：
步骤2.11：转动所述转台，使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为θ1，其中θ1＜90°；
步骤2.12：按照角度间隔值Δθ顺时针转动所述转台，直到所述光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为θ2，其中θ2＞90°；在顺时针转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，转速测量值最小值所对应的位置为光纤陀螺输入轴与地理北向之间的夹角α，即为光纤陀螺输入轴的东向位置；
光纤陀螺输入轴的西向位置的测量步骤为：
步骤2.21：转动所述转台，使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为180°+θ1；
步骤2.22：按照角度间隔值Δθ顺时针转动所述转台，直到所述光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为180°+θ2；在顺时针转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，转速测量值最小值所对应的位置为光纤陀螺输入轴与地理北向之间的夹角β，即为光纤陀螺输入轴的西向位置。
进一步地，以(α+β-180)/2为所述光纤陀螺输入轴的东向位置，(α+β-180)/2+180为所述光纤陀螺输入轴的西向位置。
进一步地，所述步骤4中，设定角位置间隔的取值范围为0.1°～2°。
进一步地，所述步骤4中，地球转速分量的计算表达式为：
ω＝ωecosφcosψ
其中，ω为地球转速分量，ωe为地球自转速度矢量，φ为测试地点的纬度，ψ为光纤陀螺输入轴与地理北向之间的夹角。
进一步地，所述步骤5中，如果不等式
成立，则差值运算结果中的最小值为东向位置的待定阈值或西向位置的待定阈值。
本发明还提供一种光纤陀螺阈值测试装置，包括转台、转台控制箱、数据采集卡以及数据处理及控制系统；所述数据处理及控制系统通过转台控制箱与所述转台连接，所述数据处理及控制系统还通过数据采集卡与被测光纤陀螺的输出端连接；
所述转台，用于在转台控制箱的控制下带动被测光纤陀螺转动；
所述转台控制箱，用于根据数据处理及控制系统的控制指令来控制转台的转动；
所述数据采集卡，用于采集被测光纤陀螺的输出数据，并发送给所述数据处理及控制系统；
所述数据处理及控制系统，用于对数据采集卡发送的数据进行处理分析得到被测光纤陀螺的转速测量值、转速测量值随时间变化的曲线、每个时间段内转速测量值的均值、地球转速分量以及被测光纤陀螺阈值；还用于根据测试需要设置参数，并根据测试参数输出控制指令以控制转台的转动。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种光纤陀螺阈值测试方法及装置，通过光纤输入轴东向位置和西向位置的测量来获得陀螺输入轴与地理北向之间的夹角，减小和/或消除了采用陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角来进行阈值测试所引入的误差；在阈值测试时，先进行与东向位置和西向位置测量时所需静态测试时间长度相等的静态测试，消除了环境温度变化对转速测量值的影响；再根据被测光纤陀螺的精度水平，利用地球转速分量来确定光纤陀螺阈值，实现了在相对较短的时间内获得精确阈值的测试结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中光纤陀螺输入基准轴与光纤陀螺输入轴之间的位置关系图；
图2是本发明实施例中光纤陀螺输入轴的东向位置与地理北向之间的夹角关系图；
图3是本发明实施例中光纤陀螺输入轴的西向位置与地理北向之间的夹角关系图；
图4是本发明实施例中光纤陀螺转速测量值随时间变化的曲线图；
图5是本发明实施例中一种光纤陀螺阈值测试装置的结构示意图；
其中，1-陀螺，A-陀螺输入基准轴，B-陀螺输入轴。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的一种光纤陀螺阈值测试方法，包括：
1、将光纤陀螺安装在水平位置的转台上，使光纤陀螺输入轴处于水平面内。
被测光纤陀螺通过测试工装安装在水平位置的转台上，测试工装是采用铝合金或铸铁材料机械加工而成，通过测试工装可以使光纤陀螺输入基准轴与转台旋转轴正交。
2、测量所述光纤陀螺输入轴的东向位置和西向位置。
如图1所示，光纤陀螺输入基准轴与光纤陀螺输入轴之间的位置关系图。理想情况下陀螺输入轴应与安装面的法线即输入基准轴平行，但是光纤陀螺的传感单元光纤环是由多匝线圈构成的，其输入轴是每匝光纤面矢量合成的结果。由于四极对称绕法的固有问题和绕制工艺缺陷，导致光纤陀螺输入轴一般不会与输入基准轴重合，且两者之间的夹角称为输入轴失准角。光纤陀螺输入基准轴通过外部设备可以测量出，光纤陀螺输入轴则是标定出来的。如果以光纤陀螺输入基准轴来进行阈值测试，则输入轴失准会在阈值测试过程中引入误差，降低了阈值测试的精度，因此，为了减小或消除陀螺输入轴失准角在阈值测试过程中引入的测量误差，需要测量光纤陀螺输入轴的东向位置和西向位置，实现在阈值测试过程中，按照陀螺输入轴的方向来进行转台位置的调整。
如图2所示，光纤陀螺输入轴的东向位置的测量步骤为：
步骤2.11：转动转台，使光纤陀螺输入基准轴A与地理北向之间的夹角θ1为89°；
步骤2.12：按照角度间隔值Δθ为0.1°顺时针转动转台，直到光纤陀螺输入基准轴A’与地理北向之间的夹角为θ2为91°，即使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角分别处于89.1°、89.2°、89.3°、89.4°、89.5°、89.6°、89.7°、89.8°、89.9°、90°、90.1°、90.2°、90.3°、90.4°、90.5°、90.6°、90.7°、90.8°、90.9°、91°位置；在顺时针转动过程中的每个位置进行光纤陀螺的静态测试，每个位置静态测试时间为5分钟，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，转速测量值最小值所对应的位置为光纤陀螺输入轴B与地理北向之间的夹角α，即为光纤陀螺输入轴B的东向位置。本实施例中，α为89.94°。
如图3所示，光纤陀螺输入轴的西向位置的测量步骤为：
步骤2.21：转动转台，使光纤陀螺输入基准轴A与地理北向之间的夹角180°+θ1为269°；
步骤2.22：按照角度间隔值Δθ为0.1°顺时针转动所述转台，直到光纤陀螺输入基准轴A”与地理北向之间的夹角180°+θ2为271°，即使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角分别处于269.1°、269.2°、269.3°、269.4°、269.5°、269.6°、269.7°、269.8°、269.9°、270°、270.1°、270.2°、270.3°、270.4°、270.5°、270.6°、270.7°、270.8°、270.9°、271°位置；在顺时针转动过程中的每个位置进行光纤陀螺的静态测试，每个位置静态测试时间为5分钟，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，转速测量值最小值所对应的位置为光纤陀螺输入轴B与地理北向之间的夹角β，即为光纤陀螺输入轴B的西向位置。本实施例中，β为269.96°。
光纤陀螺输入轴的东向位置和西向位置测量时所需进行静态测试的总时间长度为20×5+20×5＝200分钟，每个位置的静态测试时间长度为5分钟。
考虑到东向位置和西向位置测量中的误差影响，以(α+β-180)/2＝89.99°为光纤陀螺输入轴的东向位置，(α+β-180)/2+180＝269.98°为光纤陀螺输入轴的西向位置。
3、陀螺关机，转动转台，使光纤陀螺输入轴位于步骤2中的东向位置，将转台机械锁死，对光纤陀螺进行静态测试，获得光纤陀螺转速测量值随时间变化的曲线，如图4所示。根据图4中转速测量值随时间变化的曲线计算出每个时间段内转速测量值的均值。
本实施例中，步骤3中静态测试的时间长度与东向位置和西向位置测量时所需要进行静态测试的总时间长度相等，即步骤3中静态测试时间长度为200min。每个时间段的长度与东向位置和西向位置测量时每个位置的静态测试的时间长度相等，即每个时间段的长度为5min。
4、以陀螺输入轴的东向位置89.99°为中心，按照设定角位置间隔0.02°交替转动转台，即使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角分别处于89.99°，89.97°，90.01°，89.95°，90.03°，89.93°，90.05°，89.91°，90.07°，89.89°，90.09°位置，在交替转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，并计算该位置对应的地球转速分量。
以陀螺输入轴的西向位置269.98°为中心，按照设定角位置间隔交替转动所述转台，即使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角分别处于269.98°，269.96°，270.00°，269.94°，270.02°，269.92°，270.04°，269.9°，270.06°，269.88°，70.08°位置，在交替转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，并计算该位置对应的地球转速分量。
其中，交替转动过程中每个位置静态测试的时间长度与步骤3中每个时间段的长度相等，即交替转动过程中每个位置静态测试的时间长度为5min。设定角位置间隔是根据被测光纤陀螺的精度水平来设定的，通常其取值范围为0.1°～2°。本实施例中，光纤陀螺的精度为0.01°/h，设定角位置间隔取0.02°。
地球转速分量的计算表达式为：
ω＝ωecosφcosψ
其中，ω为地球转速分量，ωe为地球自转速度矢量，φ为测试地点的纬度，ψ为光纤陀螺输入轴与地理北向之间的夹角。
以地球自转速度矢量为15°/h，测试地点的纬度为28°为例，陀螺输入轴与地理北向不同夹角所对应的地球转速分量如表1所示。
表1陀螺输入轴与地理北向不同夹角所对应的地球转速分量
5、将步骤4中以东向位置为中心的每个位置光纤陀螺的转速测量值与步骤3中对应时间段内转速测量值的均值进行差值运算，并根据该差值运算结果、对应位置地球转速分量确定东向位置的待定阈值；
将步骤4中以西向位置为中心的每个位置光纤陀螺的转速测量值与步骤3中对应时间段内转速测量值的均值进行差值运算，并根据该差值运算结果、对应位置地球转速分量确定西向位置的待定阈值；
取东向位置的待定阈值和西向位置的待定阈值中的较大者作为光纤陀螺阈值。
将每个位置光纤陀螺的转速测量值与对应时间段内转速测量值的均值进行差值运算，剔除了环境温度对光纤陀螺转速测量值的影响。
待定阈值的确定方法为：如果不等式
成立，则差值运算结果中的最小值为东向位置的待定阈值或西向位置的待定阈值。
本发明还提供一种光纤陀螺阈值测试装置，包括转台、转台控制箱、数据采集卡以及数据处理及控制系统；所述数据处理及控制系统通过转台控制箱与所述转台连接，所述数据处理及控制系统还通过数据采集卡与被测光纤陀螺的输出端连接；
所述转台，用于在转台控制箱的控制下带动被测光纤陀螺转动；
所述转台控制箱，用于根据数据处理及控制系统的控制指令来控制转台的位置；
所述数据采集卡，用于采集被测光纤陀螺的输出数据，并发送给所述数据处理及控制系统；
所述数据处理及控制系统，用于对数据采集卡发送的数据进行处理分析得到被测光纤陀螺的转速测量值、转速测量值随时间变化的曲线、每个时间段内转速测量值的均值、地球转速分量以及被测光纤陀螺阈值；还用于根据测试需要设置参数，并根据测试参数输出控制指令以控制转台的转动。
在光纤陀螺外设置采用导热系数低的保温材料制作而成的热防护罩，减小环境温度对光纤陀螺转速测量值的影响。数据处理及控制系统为计算机，在计算机内安装有测试软件，测试软件可以为LabVIEW、VC、VB或Matlab等，测试软件发送控制指令给转台控制箱，转台控制箱根据控制指令控制转台转动至测试所要求的位置，即控制转台的转速、转动方向以及转动角度等，使转台转至所要求的位置。在测试软件的控制下，计算机通过串口或网口等方式与数据采集卡通讯，实现陀螺输出数据的采集，再对陀螺输出数据进行分析处理得到转速测量值、转速测量值随时间变化的曲线、每个时间段内转速测量值的均值、地球转速分量以及被测光纤陀螺阈值等信息，实现了陀螺阈值的自动化测试。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光纤陀螺阈值测试方法，其特征在于，包括：
步骤1：将光纤陀螺安装在水平位置的转台上，使光纤陀螺输入轴处于水平面内；
步骤2：测量所述光纤陀螺输入轴的东向位置和西向位置；所述东向位置的测量步骤为：
步骤2.11：转动所述转台，使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为θ1，其中θ1＜90°；
步骤2.12：按照角度间隔值Δθ顺时针转动所述转台，直到所述光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为θ2，其中θ2＞90°；在顺时针转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，转速测量值最小值所对应的位置为光纤陀螺输入轴与地理北向之间的夹角α，即为光纤陀螺输入轴的东向位置；
所述西向位置的测量步骤为：
步骤2.21：转动所述转台，使光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为180°+θ1；
步骤2.22：按照角度间隔值Δθ顺时针转动所述转台，直到所述光纤陀螺输入基准轴与地理北向之间的夹角为180°+θ2；在顺时针转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，转速测量值最小值所对应的位置为光纤陀螺输入轴与地理北向之间的夹角β，即为光纤陀螺输入轴的西向位置；
步骤3：转动所述转台，使所述光纤陀螺输入轴位于所述步骤2中的东向位置，并进行静态测试，获得光纤陀螺转速测量值随时间变化的曲线，且根据所述转速测量值随时间变化的曲线计算出每个时间段内转速测量值的均值；
其中，所述静态测试的时间长度与所述东向位置和西向位置测量时所需进行静态测试的总时间长度相等；
步骤4：以所述步骤2中的东向位置为中心，按照设定角位置间隔交替转动所述转台，在交替转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，并计算该位置对应的地球转速分量；
以所述步骤2中的西向位置为中心，按照设定角位置间隔交替转动所述转台，在交替转动过程中的每个位置进行静态测试，获得每个位置光纤陀螺的转速测量值，并计算该位置对应的地球转速分量；
步骤5：将所述步骤4中以东向位置为中心的每个位置光纤陀螺的转速测量值与步骤3中对应时间段内转速测量值的均值进行差值运算，并根据该差值运算结果、对应位置地球转速分量确定东向位置的待定阈值；
将所述步骤4中以西向位置为中心的每个位置光纤陀螺的转速测量值与步骤3中对应时间段内转速测量值的均值进行差值运算，并根据该差值运算结果、对应位置地球转速分量确定西向位置的待定阈值；
取东向位置的待定阈值和西向位置的待定阈值中的较大者为光纤陀螺阈值。
2.如权利要求1所述的一种光纤陀螺阈值测试方法，其特征在于：以(α+β-180°)/2为所述光纤陀螺输入轴的东向位置，(α+β-180°)/2+180°为所述光纤陀螺输入轴的西向位置。
3.如权利要求1所述的一种光纤陀螺阈值测试方法，其特征在于：所述步骤4中，设定角位置间隔的取值范围为0.1°～2°。
4.如权利要求1所述的一种光纤陀螺阈值测试方法，其特征在于：所述步骤4中，地球转速分量的计算表达式为：
ω＝ωecosφcosψ
其中，ω为地球转速分量，ωe为地球自转速度矢量，φ为测试地点的纬度，ψ为光纤陀螺输入轴与地理北向之间的夹角。
5.如权利要求1-4中任一项所述的一种光纤陀螺阈值测试方法，其特征在于：所述步骤5中，如果不等式
成立，则差值运算结果中的最小值为东向位置的待定阈值或西向位置的待定阈值。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 光纤陀螺阈值测试与随机特性研究;白永珍;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》;20071015(第4期);22-27页 * |
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