CN112923950A - 一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置及方法。标定装置包括装置底座、光纤陀螺、主控板、基于PSD的小角度测量模块，用于安装基于PSD的小角度测量模块的安装面。利用本发明中的标定装置及标定方法，实现了在应用现场标定装置中光纤陀螺的标度因数的功能，保证了光纤陀螺标度因数在不同应用现场的准确性。本发明不但克服了当前为了保证标度因数在应用现场的准确性而采取的各类标度因数误差补偿方式存在的普适性差、效果不佳等问题，而且装置集成度高，便于携带，能很方便地应用于各类实际工程中的动态角度的测量工作，在计量领域具有广阔的应用前景。

Description

一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在应用现场实现光纤陀螺标度因数标定的装置及方法。

背景技术

角度计量是几何量计量的重要组成部分，并直接关系到机械制造、航空航天、国防建设等领域的发展。目前从测量原理上分类，常用的角度测量原理可以分为机械式角度测量法、电磁式角度测量法和光学式角度测量法。其中，光学式角度测量方法由于其精度高得到了广泛应用。最常用的光学式角度测量方法主要有：光栅角度测量法、激光干涉角度测量法、激光光斑位置探测法等。光栅角度测量法的角度测量范围大，精度高，但一般结构复杂，体积较大，且动态性能不佳。激光干涉角度测量法仅能在小角度测量范围内实现高精度测量，因此已被多国用作小角度基准。光斑位置探测法原理简单，动态响应能力高，但也一般只能在小角度范围内进行高精度角度测量。因此，目前在国家的角度量值传递体系中，大部分角度测量方法仅适合静态角度测量，缺少一种同时具备高精度、大动态、宽测量范围的动态角度测量方法。

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的新型全固态角速度传感器，它具有启动速度快，动态范围大，实时性好，精度高，集成度高，能实现360°范围内任意角度测量的特点，这些特点使其在高精度动态角度测量上具有明显的优势，因此，光纤陀螺有望被作为一种新的动态角度标准装置纳入角度量值传递体系实现角度的量值传递与溯源。然而，在利用光纤陀螺作为动态角度标准装置应用于实际工程中时，光纤陀螺的标度因数受到安装误差，外界环境温度等因素的影响，从而导致实际工程中的光纤陀螺标度因数与预先标定的标度因数存在差异，会直接影响着光纤陀螺的测量精度。目前，研究人员一般通过数据后处理，光纤陀螺的安装误差补偿，光纤陀螺标度因数的温度补偿等方法来减小误差，但由于实际应用中的实验条件复杂多变，这些方法在实际应用中效果不佳，均无法实现普及和推广。

发明内容

针对上述问题，本发明结合激光光斑位置探测法原理简单，小角度范围内精度高的优点，提供了一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置及方法。

一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置，从低到高，依次包括装置底座、光纤陀螺、主控板、安装面、基于PSD的小角度测量模块；光纤陀螺安装在装置底座的正中心，基于PSD的小角度测量模块安装在安装面上方的正中心，主控板安装在安装面下方的正中心；所述的基于PSD的小角度测量模块包括激光器、凹透镜、分光棱镜、光学准直系统、平面反射镜、PSD及其信号处理板；激光器、凹透镜、分光棱镜、光学准直系统、平面反射镜沿着光轴方向从左往右顺次安装，凹透镜的焦点与光学准直系统的焦点重合，PSD及其信号处理板安装在光学准直系统的等效焦点位置上，激光器发出的光依次经过凹透镜、分光棱镜、光学准直系统后经平面反射镜反射，最后被光学准直系统和分光棱镜聚焦在PSD及其信号处理板的PSD探测器上，PSD及其信号处理板输出包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号。

所述的装置，PSD及其信号处理板、光纤陀螺、带特定数据接收功能的计算机分别与主控板相连，PSD及其信号处理板输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号和光纤陀螺的输出数字量同步被主控板采集，主控板再将数据通过WIFI或RS422通讯接口发送给带特定数据接收功能的计算机。

一种采用所述的装置在应用现场标定光纤陀螺标度因数的方法，包括：

步骤1、在实验室内部借助高精度位置转台对基于PSD的小角度测量模块进行标定，标定过程如下：1.1)将所述的装置安装在高精度位置转台上，先通过调节可调节三脚架将平面反射镜调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜的角度，观察基于PSD的小角度测量模块中的PSD及其信号处理板输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化，输出电压信号分为3路，分别记为U_X，U_Y和U_sum，直到输出电压U_X和U_Y均变为零；

1.2)假设选用的PSD的边长为L，光学准直系统的焦距为f，则以PSD的中心为绝对零位点，基于PSD的小角度测量模块的最大测量范围，以°为单位，为

考虑到PSD的非线性对标定精度的影响，标定范围选取

标定点数为N+1，即选取的标定点之间的角度间隔为

得到在标定范围内N+1个位置点处的PSD输出的三路电压

和

对应的位置点记为

其中i＝0,1,2,K,N，标定点数的选择根据实际需求设定；

1.3)在标定过程中，由于仅在单个方向上运动，PSD的输出电压中的

和

两路电压仅有一路会随着光点的移动发生变化，另一路基本保持不变，以Y方向为运动方向进行标定；对标定得到的N+1个位置点处的PSD输出电压数据

和

与位置θ_i进行多项式拟合，得到位置θ_i与PSD输出电压数据

和

之间的标定公式，具体方法如下：根据在各个位置点处的数据得到公式(1)

令

得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (2)

以上的多项式拟合中一般有：n≤3，实际中根据需要选择；

因此，当实际测量中，PSD的输出电压为U_X，U_Y和U_sum时，此时对应的位置θ表示为：

其中：

步骤2、在应用现场利用旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块形成的高精度大角度基准实现对光纤陀螺的标度因数的现场标定；

2.1)将所述的装置安装在待测旋转设备上，同样先通过调节可调节三脚架将平面反射镜调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜，观察基于PSD的小角度测量模块中的PSD及其信号处理板输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化，调节到输出电压U_X变为零，记录下此时光纤陀螺的静态输出F₀和此时PSD的输出电压为U_1X，U_1Y和U_1sum，将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_1}；

2.2)控制待测旋转设备旋转一周，保证旋转完成后保证激光光点仍落在PSD的标定范围内，记录旋转过程中光纤陀螺的动态输出F以及待测旋转设备停止后PSD的输出电压为U_2X，U_2Y和U_2sum，将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_2}；

2.3)根据旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块的高精度小角度测量值，得到一个高精度的大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺的输出F_{sum_ref}

θ_ref＝360+θ_{m_2}-θ_{m_1} (4)

其中：T为步骤2.2)这一操作过程持续的时间；

2.4)根据大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺7的输出F_{sum_ref}，得到在应用现场的光纤陀螺的标度因数K，

2.5)在现场应用中，在完成首次标定后，如果现场应用中对待测旋转设备进行测试需要的持续时间较长，为了避免光纤陀螺7由于自身特性以及环境等因素的变化引起标度因数的变化而造成测量误差，可在中途重复步骤2)中的标定操作，对标度因数进行重新标定，保证标度因数在长时间工作下的准确性。

本发明的有益效果是：本发明针对光纤陀螺在实际现场应用中由于无法得到准确的标度因数而导致测量精度受到标度因数严重制约的问题，结合激光光斑位置探测法原理简单，小角度范围内精度高的优点，设计了基于PSD的小角度测量模块，并将其与光纤陀螺集成。利用旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块，形成了高精度的大角度基准。基于该角度基准可以在应用现场随时随地进行光纤陀螺标度因数的标定，从而保证在不同应用条件下光纤陀螺标度因数的准确性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为基于PSD的小角度测量模块的光路结构示意图。

图3为基于PSD的小角度测量模块的输出与光纤陀螺、主控板以及带特定数据接收功能的计算机之间的连接示意图。

图4为在实验室内，将本发明装置安装在高精度位置转台上对基于PSD的小角度测量模块进行标定时的示意图。

图5为在应用现场，将本发明装置安装在待测旋转设备上对待测旋转设备进行实际测量时的示意图。

图中，激光器1、凹透镜2、分光棱镜3、光学准直系统4、平面反射镜5、PSD及其信号处理板6、光纤陀螺7、主控板8、带特定数据接收功能的计算机9、装置底座10、安装面11、高精度位置转台12、可调节三脚架13、待测旋转设备14、基于PSD的小角度测量模块15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置，从低到高，依次包括装置底座10、光纤陀螺7、主控板8、安装面11、基于PSD的小角度测量模块15。

光纤陀螺7安装在装置底座10的正中心，基于PSD的小角度测量模块15安装在安装面11上方的正中心，主控板8安装在安装面11下方的正中心。

如图2所示，本发明中的基于PSD的小角度测量模块15包括激光器1、凹透镜2、分光棱镜3、光学准直系统4、平面反射镜5、PSD及其信号处理板6。激光器1、凹透镜2、分光棱镜3、光学准直系统4、平面反射镜5沿着光轴方向从左往右顺次安装，凹透镜2的焦点与光学准直系统4的焦点重合，PSD及其信号处理板6安装在光学准直系统4的等效焦点位置上，激光器1发出的光依次经过凹透镜2、分光棱镜3、光学准直系统4后经平面反射镜5反射，最后被光学准直系统4和分光棱镜3聚焦在PSD及其信号处理板6的PSD探测器上，PSD及其信号处理板6输出包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号。

如图3所示，PSD及其信号处理板6、光纤陀螺7、带特定数据接收功能的计算机9分别与主控板8相连，PSD及其信号处理板6输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号和光纤陀螺7的输出数字量同步被主控板8采集，主控板8再将数据通过WIFI或RS422通讯接口发送给带特定数据接收功能的计算机9。

如图4所示，在实验室内，将本发明一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置安装在高精度位置转台12上，通过可调节三脚架13的高度调节和平面反射镜5的角度自调将平面反射镜5调节到合适状态，并利用高精度位置转台12实现对本发明装置中的基于PSD的小角度测量模块15的标定，标定过程中的数据发送并存储在带特定数据接收功能的计算机9中。

如图5所示，在实际应用现场，将本发明装置安装在待测旋转设备14上，通过可调节三脚架13的高度调节和平面反射镜5的角度自调将平面反射镜5调节到合适状态，借助基于PSD的小角度测量模块15产生角度基准来实现对本发明装置中的光纤陀螺7的标度因数的标定，并基于标定得到的标度因数实现对待测旋转设备14的实际测量，标度因数标定过程中的数据以及对待测旋转设备14进行实际测量过程中的数据发送并存储在带特定数据接收功能的计算机9中。

应用实施例

如图4和图5所示，使用本发明装置在应用现场对本发明装置中的光纤陀螺7的标度因数进行标定需要进行以下两个步骤的操作：

步骤1、在实验室内部借助高精度位置转台12对本发明装置中的基于PSD的小角度测量模块15进行标定，保证基于PSD的小角度测量模块15在其小角度测量范围内具有较高的精度。标定过程如下：

1.1)将本发明装置安装在高精度位置转台12上，先通过调节可调节三脚架13将平面反射镜5调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜5的角度，观察基于PSD的小角度测量模块15中的PSD及其信号处理板6输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化(输出电压信号分为3路，分别记为U_X，U_Y和U_sum)，直到输出电压U_X和U_Y均变为零。此时表明激光器1发出的激光刚好聚焦在PSD的正中心。

1.2)假设选用的PSD的边长为L，光学准直系统4的焦距为f，则以PSD的中心为绝对零位点，基于PSD的小角度测量模块15的最大测量范围(以°为单位)为

考虑到PSD的非线性对标定精度的影响，标定范围可选取

标定点数为N+1，即选取的标定点之间的角度间隔为

得到在标定范围内N+1个位置点处的PSD输出的三路电压

和

对应的位置点记为

其中i＝0,1,2,K,N。标定点数的选择根据实际需求设定，在一定程度上，标定点数越多，标定精度会越高。

1.3)在标定过程中，由于仅在单个方向上运动，PSD的输出电压中的

和

两路电压仅有一路会随着光点的移动发生变化，另一路基本保持不变，此处以Y方向的标定为例，即假设

在标定过程中基本不变。对标定得到的N+1个位置点处的PSD输出电压数据

和

与位置θ_i进行多项式拟合，得到位置θ_i与PSD输出电压数据

和

之间的标定公式，具体方法如下：根据在各个位置点处的数据得到公式(1)

令

得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (2)

以上的多项式拟合中一般有：n≤3，实际中根据需要选择。

因此，当实际测量中，PSD的输出电压为U_X，U_Y和U_sum时，此时对应的位置θ表示为：

其中：

步骤2、在应用现场利用旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块15形成的高精度大角度基准实现对本发明装置中的光纤陀螺7的标度因数的现场标定。

2.1)将本发明装置安装在待测旋转设备14上，同样先通过调节可调节三脚架13将平面反射镜5调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜5，观察基于PSD的小角度测量模块15中的PSD及其信号处理板6输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化，此时只需调节到输出电压U_X变为零，而对于U_Y的电压没有十分严格的要求，只需保证落在步骤1)的标定范围内即可，记录下此时光纤陀螺7的静态输出F₀和此时PSD的输出电压为U_1X，U_1Y和U_1sum。将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_1}。

2.2)控制待测旋转设备14旋转约一周，只需保证旋转完成后保证激光光点仍落在PSD的标定范围内即可，记录旋转过程中光纤陀螺7的动态输出F以及待测旋转设备14停止后PSD的输出电压为U_2X，U_2Y和U_2sum，将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_2}。

2.3)根据旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块15的高精度小角度测量值，可以得到一个高精度的大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺7的输出F_{sum_ref}

θ_ref＝360+θ_{m_2}-θ_{m_1} (4)

其中：T为步骤2.2)这一操作过程持续的时间。

2.4)根据大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺7的输出F_{sum_ref}，得到在应用现场的光纤陀螺7的标度因数K。

2.5)在现场应用中，在完成首次标定后，如果现场应用中对待测旋转设备14进行测试需要的持续时间较长，为了避免光纤陀螺7由于自身特性以及环境等因素的变化引起标度因数的变化而造成测量误差，可以在中途重复步骤2)中的标定操作，对标度因数进行重新标定，保证标度因数在长时间工作下的准确性。

以上所述为本发明的标定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。

本发明的装置及方法有效地解决了光纤陀螺标度因数的应用现场标定问题，保证了在不同应用现场下标度因数的准确性。相比于通过常规的各类标度因数的误差补偿方式来实现标度因数准确性的方法，该方法的可行性更高，普适性更好，且本发明的装置集成度高，便于携带，能很方便地应用于各类实际工程中的动态角度的测量工作，在计量领域具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置，其特征在于，从低到高，依次包括装置底座(10)、光纤陀螺(7)、主控板(8)、安装面(11)、基于PSD的小角度测量模块(15)；光纤陀螺(7)安装在装置底座(10)的正中心，基于PSD的小角度测量模块(15)安装在安装面(11)上方的正中心，主控板(8)安装在安装面(11)下方的正中心；所述的基于PSD的小角度测量模块(15)包括激光器(1)、凹透镜(2)、分光棱镜(3)、光学准直系统(4)、平面反射镜(5)、PSD及其信号处理板(6)；激光器(1)、凹透镜(2)、分光棱镜(3)、光学准直系统(4)、平面反射镜(5)沿着光轴方向从左往右顺次安装，凹透镜(2)的焦点与光学准直系统(4)的焦点重合，PSD及其信号处理板(6)安装在光学准直系统(4)的等效焦点位置上，激光器(1)发出的光依次经过凹透镜(2)、分光棱镜(3)、光学准直系统(4)后经平面反射镜(5)反射，最后被光学准直系统(4)和分光棱镜(3)聚焦在PSD及其信号处理板(6)的PSD探测器上，PSD及其信号处理板(6)输出包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，PSD及其信号处理板(6)、光纤陀螺(7)、带特定数据接收功能的计算机(9)分别与主控板(8)相连，PSD及其信号处理板(6)输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号和光纤陀螺(7)的输出数字量同步被主控板(8)采集，主控板(8)再将数据通过WIFI或RS422通讯接口发送给带特定数据接收功能的计算机(9)。

3.一种采用如权利要求1所述的装置在应用现场标定光纤陀螺标度因数的方法，其特征在于，包括：

步骤1、在实验室内部借助高精度位置转台对基于PSD的小角度测量模块进行标定，标定过程如下：1.1)将所述的装置安装在高精度位置转台上，先通过调节可调节三脚架将平面反射镜调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜的角度，观察基于PSD的小角度测量模块中的PSD及其信号处理板输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化，输出电压信号分为3路，分别记为U_X，U_Y和U_sum，直到输出电压U_X和U_Y均变为零；

1.2)假设选用的PSD的边长为L，光学准直系统的焦距为f，则以PSD的中心为绝对零位点，基于PSD的小角度测量模块的最大测量范围，以°为单位，为

考虑到PSD的非线性对标定精度的影响，标定范围选取

标定点数为N+1，即选取的标定点之间的角度间隔为

得到在标定范围内N+1个位置点处的PSD输出的三路电压

和

对应的位置点记为

其中i＝0,1,2,K,N，标定点数的选择根据实际需求设定；

1.3)在标定过程中，由于仅在单个方向上运动，PSD的输出电压中的

和

两路电压仅有一路会随着光点的移动发生变化，另一路基本保持不变，以Y方向为运动方向进行标定；对标定得到的N+1个位置点处的PSD输出电压数据

和

与位置θ_i进行多项式拟合，得到位置θ_i与PSD输出电压数据

和

之间的标定公式，具体方法如下：根据在各个位置点处的数据得到公式(1)

令

得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (2)

以上的多项式拟合中一般有：n≤3，实际中根据需要选择；

当实际测量中，PSD的输出电压为U_X，U_Y和U_sum时，此时对应的位置θ表示为：

其中：

步骤2、在应用现场利用旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块形成的高精度大角度基准实现对光纤陀螺的标度因数的现场标定；

2.1)将所述的装置安装在待测旋转设备上，同样先通过调节可调节三脚架将平面反射镜调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜，观察基于PSD的小角度测量模块中的PSD及其信号处理板输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化，调节到输出电压U_X变为零，记录下此时光纤陀螺的静态输出F₀和此时PSD的输出电压为U_1X，U_1Y和U_1sum，将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_1}；

2.2)控制待测旋转设备旋转一周，保证旋转完成后保证激光光点仍落在PSD的标定范围内，记录旋转过程中光纤陀螺的动态输出F以及待测旋转设备停止后PSD的输出电压为U_2X，U_2Y和U_2sum，将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_2}；

2.3)根据旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块的高精度小角度测量值，得到一个高精度的大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺的输出F_{sum_ref}

θ_ref＝360+θ_{m_2}-θ_{m_1} (4)

其中：T为步骤2.2)这一操作过程持续的时间；

2.4)根据大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺7的输出F_{sum_ref}，得到在应用现场的光纤陀螺的标度因数K，

2.5)在现场应用中，在完成首次标定后，如果现场应用中对待测旋转设备进行测试需要的持续时间较长，为了避免光纤陀螺7由于自身特性以及环境等因素的变化引起标度因数的变化而造成测量误差，可在中途重复步骤2)中的标定操作，对标度因数进行重新标定，保证标度因数在长时间工作下的准确性。

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