CN112697168B - 同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的测量装置及方法。测量装置包括装置底座、双轴倾角传感器、调心轴承、X轴高精度螺纹螺栓、可调节平台、X轴步进电机、Y轴高精度螺纹螺栓、Y轴步进电机，待测光纤陀螺安装于可调节平台上正中心位置。该测量装置可以实现对光纤陀螺标度因数和失准角的同时测量，得到光纤陀螺的标度因数，失准角的大小以及方向。该测量装置及测试方法有效避免了现有的测试方法中光纤陀螺标度因数和失准角由于测试的先后顺序导致的误差相互耦合问题，测量结果更加准确，测试过程的操作也更简单，更便捷。

Description

同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的测量装置及方法。

背景技术

光纤陀螺作为一种新型的全固态角速度传感器，已被广泛应用于航空航天、控制、精确定位导航等领域。目前，光纤陀螺已经成为惯性导航系统中最重要的传感器件，其性能参数和指标与导航精度直接相关。因此，光纤陀螺在实际使用之前，需要对其各项参数进行标定及测试，其中，标度因数以及输入轴失准角是光纤陀螺十分重要的两项参数。

通常，光纤陀螺的实际输入轴(IA)是指光纤陀螺中光纤线圈的等效法线方向，而光纤陀螺的输入基准轴(IRA)是指与光纤陀螺安装面垂直的轴。将光纤陀螺安装在转台上进行测试时，光纤陀螺与转台之间的安装示意图如图1所示。光纤陀螺2安装在转台1上，光纤陀螺2的输入基准轴(IRA)3与实际输入轴(IA)4之间存在夹角γ，转台1的旋转轴与光纤陀螺2的输入基准轴(IRA)3重合。

光纤陀螺的标度因数是指光纤陀螺输出数字量与外部输入角速度Ω的比值。根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中所述，在对光纤陀螺标度因数进行测试时，将光纤陀螺安装在转台上，使光纤陀螺的输入基准轴(IRA)平行于转台旋转轴，利用转台产生不同的角速度基准及其对应的光纤陀螺输出，最后利用最小二乘拟合得到标度因数。

光纤陀螺的输入轴失准角是指光纤陀螺的实际输入轴(IA)与光纤陀螺的输入基准轴(IRA)之间的夹角。根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中所述的光纤陀螺的输入轴失准角的测试方法，在测量输入轴失准角之前需要先得到标度因数，而《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中所述的标度因数测试方法在测试过程中忽略了失准角的存在，导致测试得到标度因数中包含了失准角的误差。

很明显，按照《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中所述，光纤陀螺的标度因数和失准角测试之间存在绝对的先后顺序，从而导致两者之间的测试误差相互影响。此外，《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中所述的光纤陀螺标度因数的标定方法以及失准角的测试方法在安装上要求严格，且测试过程比较耗时。

发明内容

为了克服现有测试方法的不足，本发明提供了一种同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的测量装置及方法。

一种同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的测量装置，包括装置底座、双轴倾角传感器、调心轴承、X轴高精度螺纹螺栓、可调节平台、X轴步进电机、Y轴高精度螺纹螺栓、Y轴步进电机；双轴倾角传感器和待测的光纤陀螺分别安装在可调节平台上，其中光纤陀螺位于可调节平台上的正中心位置；X轴步进电机和Y轴步进电机正交安装在底座上，X轴高精度螺纹螺栓与X轴步进电机相连接，Y轴高精度螺纹螺栓和Y轴步进电机相连接；调心轴承、X轴高精度螺纹螺栓、X轴步进电机、Y轴高精度螺纹螺栓和Y轴步进电机构成了可调节平台的调节机构。

所述的测量装置，通过控制X轴步进电机转动来带动X轴高精度螺纹螺栓，实现对可调节平台的X轴方向倾斜角度的调节，通过控制Y轴步进电机转动来带动Y轴高精度螺纹螺栓，实现对可调节平台的Y轴方向倾斜角度的调节；双轴倾角传感器实时显示可调节平台的X轴和Y轴方向的倾斜角度来指示当前可调节平台的倾斜状态。

一种采用所述的测量装置同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的方法，测试方法如下：

1)将测量装置安装在转台上，获取此时倾角传感器的数据，将此时倾角传感器的倾角输出值可以表征当前可调节平台的倾斜状态，将该状态记为

θ为倾角传感器沿着X轴方向的倾角的输出值，

为倾角传感器沿着Y轴方向的倾角的输出值；

2)在当前状态下，保持转台静止，采集光纤陀螺的静态输出值，将这个位置上光纤陀螺的静态输出的均值作为此时光纤陀螺的静态输出

3)控制转台以恒定的角速度Ω匀速转动，待转台转速稳定后，采集光纤陀螺在恒定的角速度Ω的激励下的输出值，计算出平均值，记为

4)控制X轴步进电机和Y轴步进电机对可调节平台的倾斜状态进行改变，在新的倾斜状态下重复步骤(2)-(4)的操作，得到N(N≥6)组不同倾斜状态下的数据；

5)对这些数据进行处理并采用最小二乘法拟合出光纤陀螺的标度因数，失准角的大小和方向。所述的方法，数据处理流程如下：

当双轴倾角传感器的双轴倾角输出值均为0时，表明可调节平台处于水平状态，此时，认为光纤陀螺的输入基准轴(IRA)与转台的旋转轴重合，光纤陀螺的实际输入轴(IA)的单位方向向量表示为：

其中：

当可调节平台的倾斜状态为

时，该状态是在水平状态下先绕X轴旋转β，再绕Y轴旋转α得到，而且β，α，θ与

之间存在如下关系：

旋转过程对应的旋转矩阵H表示为：

当可调节平台的倾斜状态为

时，光纤陀螺的实际输入值(IA)的单位方向向量为：

此时，光纤陀螺的实际输入轴(IA)与Z轴的夹角

的余弦值为：

当可调节平台的倾斜状态为

时，在恒定的角速度Ω的激励下，根据光纤陀螺的输入输出模型有：

因此，得到N组可调节平台处于不同倾斜状态下光纤陀螺的输出时，根据公式(5)和公式(6)有:

令：

根据最小二乘法得到：

因此，光纤陀螺的标度因数和失准角的大小及方向为：

本发明的有益效果：

本发明通过驱动步进电机带动螺纹螺栓转动，从而改变安装平面相对于水平面的倾斜状态，然后利用倾角传感器敏感出安装平面相对于水平面的倾斜角度，测量出光纤陀螺在给定外部输入角速度下在不同倾斜状态下的输出，最后根据最小二乘法对数据进行拟合，同时得到光纤陀螺的标度因数，失准角的大小以及方向。这种测试方法有效避免了现有的测试方法中光纤陀螺标度因数和失准角之间相互影响的问题，测试结果更加准确。此外，这种设计不但很大程度上减小了测试过程中人为对仪器进行安装调整的繁琐工作，而且能通过步进电机的控制实现更高精度的安装及调节。整个测试过程易于实现自动化控制，测试过程操作更简单，更便捷。

附图说明

图1为采用现有的光纤陀螺标度因数和失准角测试方法进行测试时的光纤陀螺安装在转台上时的安装示意图；

其中：转台1，光纤陀螺2，光纤陀螺输入基准轴(IRA)3，光纤陀螺实际输入轴(IA)4。

图2为本发明的测量装置的结构的主视图；

其中，装置底座5，双轴倾角传感器6，光纤陀螺7，调心轴承8，X轴高精度螺纹螺栓9，可调节平台10，X轴步进电机11。

图3为本发明的测量装置的结构的左视图；

其中，Y轴高精度螺纹螺栓12，Y轴步进电机13。

图4为本发明的测量装置的结构的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图2、图3和图4所示，一种同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的测量装置包括装置底座5，双轴倾角传感器6，调心轴承8，X轴高精度螺纹螺栓9，可调节平台10，X轴步进电机11，Y轴高精度螺纹螺栓12，Y轴步进电机13。双轴倾角传感器6和待测的光纤陀螺7分别安装在可调节平台10上，其中光纤陀螺7位于可调节平台10上的正中心位置。X轴步进电机11和Y轴步进电机13正交安装在底座5上，X轴高精度螺纹螺栓9与X轴步进电机11相连接，Y轴高精度螺纹螺栓12和Y轴步进电机13相连接。调心轴承8，X轴高精度螺纹螺栓9，X轴步进电机11，Y轴高精度螺纹螺栓12和Y轴步进电机13构成了可调节平台10的调节机构，通过控制X轴步进电机11转动来带动X轴高精度螺纹螺栓9，实现对可调节平台10的X轴方向倾斜角度的调节，通过控制Y轴步进电机13转动来带动Y轴高精度螺纹螺栓12，实现对可调节平台10的Y轴方向倾斜角度的调节。双轴倾角传感器6实时显示可调节平台10的X轴和Y轴方向的倾斜角度来指示当前可调节平台10的倾斜状态。

应用实施例

使用本发明的测试装置对光纤陀螺的标度因数和失准角进行测试时，测试方法如下：

1)将本发明的测量装置安装在转台上，获取此时倾角传感器6的数据，将此时倾角传感器6的倾角输出值可以表征当前可调节平台10的倾斜状态，将该状态记为

θ为倾角传感器6沿着X轴方向的倾角的输出值，

为倾角传感器6沿着Y轴方向的倾角的输出值；

2)在当前状态下，保持转台静止，采集光纤陀螺7的静态输出值，将这个位置上光纤陀螺7的静态输出的均值作为此时光纤陀螺7的静态输出

3)控制转台以恒定的角速度Ω匀速转动，待转台转速稳定后，采集光纤陀螺7在恒定的角速度Ω的激励下的输出值，计算出平均值，记为

4)控制X轴步进电机11和Y轴步进电机13对可调节平台10的倾斜状态进行改变，在新的倾斜状态下重复步骤(2)-(4)的操作，得到N(N≥6)组不同倾斜状态下的数据；

5)对这些数据进行处理并采用最小二乘法拟合出光纤陀螺7的标度因数，失准角的大小和方向。

本发明的测试方法原理以及对应的数据处理流程如下：

当双轴倾角传感器6的双轴倾角输出值均为0时，表明可调节平台10处于水平状态，此时，认为光纤陀螺7的输入基准轴(IRA)与转台的旋转轴重合，此时，光纤陀螺7的实际输入轴(IA)的单位方向向量表示为：

其中：

当可调节平台10的倾斜状态为

时，该状态认为是在水平状态下先绕X轴旋转β，再绕Y轴旋转α得到，而且β，α，θ与

之间存在如下关系：

旋转过程对应的旋转矩阵H表示为：

因此，当可调节平台10的倾斜状态为

时，光纤陀螺7的实际输入值(IA)的单位方向向量为：

此时，光纤陀螺7的实际输入轴(IA)与Z轴的夹角

的余弦值为：

当可调节平台10的倾斜状态为

时，在恒定的角速度Ω的激励下，根据光纤陀螺7的输入输出模型有：

因此，通过测试方法得到N组可调节平台10处于不同倾斜状态下光纤陀螺7的输出时，根据公式(5)和公式(6)有:

令：

根据最小二乘法得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (8)；

因此，光纤陀螺7的标度因数和失准角的大小及方向为：

以上所述为本发明的测试方法原理以及对应的数据处理流程，同时也是本发明设计的理论依据。

这种测量装置和测试方法不仅同时测量出了光纤陀螺的标度因数和失准角的大小和方向，从而避免了光纤陀螺的标度因数和失准角之间测试误差相互影响的问题，而且通过步进电机的控制实现了高精度的安装调节，很大程度上减小了测试过程中人为对仪器进行安装调整的繁琐工作，使整个测试过程更加简单快捷。相比于现有的测量方法，本发明的测量装置和测试方法更加准确，高效。

Claims (1)

1.一种同时测量光纤陀螺标度因数和失准角的方法，其特征在于，采用的测量装置，包括装置底座(5)、双轴倾角传感器(6)、调心轴承(8)、X轴高精度螺纹螺栓(9)、可调节平台(10)、X轴步进电机(11)、Y轴高精度螺纹螺栓(12)、Y轴步进电机(13)；双轴倾角传感器(6)和待测的光纤陀螺(7)分别安装在可调节平台(10)上，其中光纤陀螺(7)位于可调节平台(10)上的正中心位置；X轴步进电机(11)和Y轴步进电机(13)正交安装在底座(5)上，X轴高精度螺纹螺栓(9)与X轴步进电机(11)相连接，Y轴高精度螺纹螺栓(12)和Y轴步进电机(13)相连接；调心轴承(8)、X轴高精度螺纹螺栓(9)、X轴步进电机(11)、Y轴高精度螺纹螺栓(12)和Y轴步进电机(13)构成了可调节平台(10)的调节机构；

测量方法如下：

1)将测量装置安装在转台上，获取此时倾角传感器(6)的数据，将此时倾角传感器(6)的倾角输出值可以表征当前可调节平台(10)的倾斜状态，将该状态记为

θ为倾角传感器(6)沿着X轴方向的倾角的输出值，

为倾角传感器(6)沿着Y轴方向的倾角的输出值；

2)在当前状态下，保持转台静止，采集光纤陀螺(7)的静态输出值，将这个位置上光纤陀螺(7)的静态输出的均值作为此时光纤陀螺(7)的静态输出

3)控制转台以恒定的角速度Ω匀速转动，待转台转速稳定后，采集光纤陀螺(7)在恒定的角速度Ω的激励下的输出值，计算出平均值，记为

4)控制X轴步进电机(11)和Y轴步进电机(13)对可调节平台(10)的倾斜状态进行改变，在新的倾斜状态下重复步骤(2)-(4)的操作，得到N组不同倾斜状态下的数据，其中N≥6；

5)对这些数据进行处理并采用最小二乘法拟合出光纤陀螺(7)的标度因数，失准角的大小和方向；

数据处理流程如下：

当双轴倾角传感器(6)的双轴倾角输出值均为0时，表明可调节平台(10)处于水平状态，此时，认为光纤陀螺(7)的输入基准轴(IRA)与转台的旋转轴重合，光纤陀螺(7)的实际输入轴(IA)的单位方向向量表示为：

其中：

当可调节平台(10)的倾斜状态为

时，该状态是在水平状态下先绕X轴旋转β，再绕Y轴旋转α得到，而且β，α，θ与

之间存在如下关系：

旋转过程对应的旋转矩阵H表示为：

当可调节平台(10)的倾斜状态为

时，光纤陀螺(7)的实际输入轴(IA)的单位方向向量为：

此时，光纤陀螺(7)的实际输入轴(IA)与Z轴的夹角

的余弦值为：

当可调节平台(10)的倾斜状态为

时，在恒定的角速度Ω的激励下，根据光纤陀螺(7)的输入输出模型有：

因此，得到N组可调节平台(10)处于不同倾斜状态下光纤陀螺(7)的输出时，根据公式(5)和公式(6)有:

令：

根据最小二乘法得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (8)；

因此，光纤陀螺(7)的标度因数和失准角的大小及方向为：

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