CN113252071B - 一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统及测试方法，测试系统包括基准测试通道、待测测试通道、角振动工装和计算机，针对低采样的光纤陀螺即待测陀螺，借助高采样光纤陀螺即基准陀螺，搭建的双光纤陀螺临界角加速度测试系统，每个光纤陀螺具有各自的测试通道，相互独立，互不影响，无需进行软件更改，只需对已有角振动工装稍加修改以紧固两个光纤陀螺，两个光纤陀螺的敏感轴平行，对角振动工装施加旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直，待测陀螺和基准陀螺敏感外界角运动并输出数据，确定待测陀螺角运动信息出现异常的时刻，将该时刻基准陀螺的角加速度信号等同于待测陀螺的角加速度信号，即获得待测陀螺的临界角加速度。

Description

一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于仪表测试技术领域，特别涉及一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统及测试方法，利用该测试系统及方法，借助基准陀螺，能够准确快速实现待测陀螺的角加速度测试，全面反映陀螺的动态性能。

背景技术

光纤陀螺(FOG)作为新一代惯性仪表，具有全固态设计、结构简单、动态范围大、可靠性高等优点，已经广泛应用在惯性导航系统中。抗角运动能力是光纤陀螺设计的重要指标，反映了陀螺的动态性能。当外界角速度过大或角加速度过大，会导致陀螺输出异常，因此，要对抗角运动能力进行快速准确测量。

目前，光纤陀螺的抗角运动能力测试主要有传统角振动台、冲击振动台等方法。有些学者利用角振动台对陀螺的响应角加速度值和输出饱和时角加速度值进行了研究。但常规角振动台的最高角加速度为3000°/s²，受设备角加速度能力有限，对于低角加速度的光纤陀螺，可选用角振动台方法测试。但随着陀螺动态性能的提升，抗角加速度值已突破3000°/s²，无法用角振动台测试。采用冲击振动台测试，测试费用、时间成本、人力人本高，同时也受角加速度限制。有些学者对陀螺的角加速度模型进行建模与研究，对光纤陀螺的角加速度跟踪能力进行了仿真，得出陀螺大动态下能够正常工作的建议，该方法实现起来复杂。除此之外，限制陀螺角加速度和临界加速度测试的非常重要的一个因素是陀螺本身需要具备很高的采样频率，以用来对外界角运动这一模拟量进行采样输出，计算角加速度信息。因为角加速度信息是对角速度信息的时间微分，如果采样率过低，会导致敏感的角速度信息失真，进而无法获得准确的角加速度信息。

因此，需要一种简单、快速、有效的临界角加速度测试方法，用来对低采样输出的陀螺进行临界角加速度测试，确定其抗角运动能力。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统及测试方法，针对低采样的光纤陀螺，即待测陀螺，借助高采样光纤陀螺，即基准陀螺，搭建一种双光纤陀螺临界角加速度测试系统，每个光纤陀螺具有各自的测试通道，相互独立，互不影响，无需进行软件更改，只需对已有角振动工装稍加修改以紧固两个光纤陀螺，两个光纤陀螺的敏感轴平行，对角振动工装施加旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直，待测陀螺和基准陀螺敏感外界角运动并输出数据。确定待测陀螺角运动信息出现异常的时刻，将该时刻基准陀螺的角加速度信号等同于待测陀螺的角加速度信号，通过数据推算，可获得待测陀螺的临界角加速度，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，包括基准测试通道、待测测试通道、角振动工装和计算机；

所述基准测试通道包括基准陀螺、基准测试线缆、基准电源箱和基准采集软件，利用测试线缆将基准陀螺与基准电源箱和运行基准采集软件的计算机电气连接，实施对基准陀螺的供电及数据采集；所述待测测试通道包括待测陀螺、待测测试线缆、待测电源箱和待测采集软件，利用测试线缆将待测陀螺与待测电源箱和运行待测采集软件的计算机电气连接，实施对待测陀螺的供电及数据采集；

所述基准陀螺和待测陀螺刚性固定在角振动工装上，两陀螺的敏感轴保持平行；所述角振动工装用于带动两陀螺做旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直；所述基准采集软件采集并保存基准陀螺的角运动信息，所述待测采集软件采集并保存待测陀螺的角运动信息，通过监测并确定待测陀螺角运动信息出现异常的时刻，以该时刻基准陀螺的角加速度数据等同于待测陀螺的角加速度数据，获得待测陀螺的临界角加速度。

第二方面，一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试方法，包括如下步骤：

S1，搭建第一方面所述的测试系统，并对测试系统进行检查；

S2，通过继电器对基准陀螺和待测陀螺同时通电，将角振动工装放置为与实验台面成θ角，推动角振动工装使其依靠重力跌落在实验台面上，实施旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直；

S3，通过基准采集软件采集并保存基准陀螺的角运动信息，通过待测采集软件采集并保存待测陀螺的角运动信息，通过监测并确定待测陀螺角运动信息出现异常的时刻，以该时刻基准陀螺的角加速度数据等同于待测陀螺的角加速度数据，获得待测陀螺的临界角加速度。

根据本发明提供的一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统及测试方法，具有以下有益效果：

本发明提供的一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统及测试方法，适用于光纤陀螺角特别是低采样光纤陀螺加速度的测试。一是无需增加同步快采模块、无需编写同步快采软件，只需要一只高采样、大带宽的光纤陀螺即可。二是不受角振动台等设备角加速度值的限制，便可实现抗大角加速度值陀螺的测试。

附图说明

图1为本发明一种优选实施方式中基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统的连接示意图；

图2为本发明刚体转动示意图；

图3为本发明高(低)速采样光纤陀螺动态对比图；

图4为本发明一种双光纤陀螺角加速度测试流程；

图5为本发明双光纤陀螺角速度对比(待测陀螺输出正常)；

图6为本发明双光纤陀螺角加速度对比(待测陀螺输出正常)；

图7(a)为本发明双光纤陀螺角速度对比(待测陀螺输出异常)，图7(b)为图7(a)的对比放大图；

图8(a)为本发明双光纤陀螺角加速度对比(待测陀螺输出异常)，图8(b)为图8(a)的对比放大图。

附图标号说明

1-基准陀螺，2-基准测试线缆，3-基准电源箱，4-基准采集软件，5-计算机，6-待测陀螺，7-待测测试线缆，8-待测电源箱，9-待测采集软件，10-继电器，11-角振动工装。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，如图1所示，包括基准测试通道、待测测试通道、角振动工装11和计算机5；

所述基准测试通道包括基准陀螺1、基准测试线缆2、基准电源箱3和基准采集软件4，利用测试线缆2将基准陀螺1与基准电源箱3和运行基准采集软件4的计算机5电气连接，实施对基准陀螺1的供电及数据采集；所述待测测试通道包括待测陀螺6、待测测试线缆7、待测电源箱8和待测采集软件9，利用测试线缆7将待测陀螺6与待测电源箱8和运行待测采集软件9的计算机5电气连接，实施对待测陀螺6的供电及数据采集；

所述基准陀螺1和待测陀螺6刚性固定在角振动工装11上，两陀螺的敏感轴保持平行，以保证两陀螺敏感一致的角运动信息；

所述角振动工装11作为基准陀螺1和待测陀螺6的运动载体用于带动两陀螺做旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直；所述基准采集软件4采集并保存基准陀螺1的角运动信息，所述待测采集软件9采集并保存待测陀螺6的角运动信息，通过监测并确定待测陀螺6角运动信息出现异常的时刻，将该时刻基准陀螺1的输出数据除以标度因数转换为角速率信号，再对角速率信号进行微分，可以获得基准陀螺1在该时刻时的角加速度。根据刚体转动的特点，基准陀螺的角加速度，可等同于待测陀螺的角加速度，进而获得待测陀螺的临界角加速度。

在一种优选的实施方式中，所述基准陀螺1的特点是高采样(采样间隔不低于1.0ms)、宽测量范围(±400°/s)、大带宽(>100Hz)。所述待测陀螺6的特点是低采样(采样间隔10ms～500ms)、窄测量范围(±10°/s～±60°/s)和小带宽(<50Hz)。

在一种优选的实施方式中，所述测试系统还包括继电器10，所述计算机5对继电器10发送指令，利用继电器10对基准电源箱3和待测电源箱8进行通断控制，以对两陀螺同时通断电。计算机作为上位机。继电器作为下位机，上位机可以通过RS232串口与下位机进行通讯，上位机通过发送不同指令控制下位机通断状态，如指令3A 88 01 00 FF 0D 0A控制下位机断电，指令3A 88 01 00 00 0D 0A控制下位机通电。所述基准陀螺1的基准电源箱3和待测陀螺6的待测电源箱8与继电器10连接在一起。

在一种优选的实施方式中，所述基准陀螺1和待测陀螺6分别通过基准角振动工装和待测角振动工装安装在角振动工装11上，以防止测试过程中对陀螺造成的机械损伤，所述基准角振动工装和待测角振动工装均为框体结构，框体内部设置有与陀螺安装孔对应的定位孔，陀螺置于框体内部后通过对准定位孔和安装孔并穿设螺纹连接件实施安装。进一步地，所述基准角振动工装和待测角振动工装上束缚有压条，通过穿设压条并进入角振动工装11的螺纹连接件，将基准角振动工装和待测角振动工装安装在角振动工装11上。

在一种优选的实施方式中，所述角振动工装11可以设计为六面体等多面体结构或其他规则或不规则结构，优选下部具有能够稳定放置在实验台面上的平面部位。试验时，将角振动工装11与实验台面成倾斜角θ，轻推角振动工装使其依靠重力跌落在实验台面上，实现旋转运动。通过调整θ的大小，可改变旋转运动的快慢。观察基准陀螺输出，因高采样率，基准陀螺敏感并输出外界运动的角速率值更密集、准确。反观待测陀螺，因低采样率，其输出与实际运动存在偏差。因此，需要借助基准陀螺的输出，评价待测陀螺抗角加速度的能力。

本发明中，所述待测陀螺同样可以为具有高采样(采样间隔不低于1.0ms)、宽测量范围(±400°/s)、大带宽(>100Hz)的高采样速率陀螺，此时所述测试系统无需基准测试通道，所述角振动工装11作为待测陀螺6的运动载体用于带动待测陀螺6做旋转运动，所述待测采集软件9采集并保存待测陀螺6的角运动信息，将待测陀螺6的输出数据除以标度因数转换为角速率信号，再对相邻时刻角速率信号进行微分，通过监测并确定待测陀螺6角运动信息出现异常的时刻，该时刻对应的角加速度值，即为待测陀螺1的临界角加速度。

根据本发明的第二方面，提供了一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试方法，包括如下步骤：

S1，搭建第一方面所述的测试系统，并对测试系统进行检查；

测试系统搭建完成后，实施对所有设备、线缆的安装检查，如对基准陀螺和待测陀螺实施安装检查，保证用力晃动陀螺，无松动现象。

测试系统搭建完成后，实施电气连接正确性检查。具体地：通过万用表测量基准电源箱和待测电源箱的正极与接地(如“+5V”与“GND”)之间的电阻，负极与接地(如“-5V”与“GND”)之间的电阻，满足要求后，设置待测采集软件和测试采集软件、继电器通断时间，开启基准电源箱和待测电源箱，监测基准陀螺和待测陀螺的输出信号，计算陀螺均值和标准差，满足要求后，开始试验测试。

S2，通过继电器对基准陀螺和待测陀螺同时通电，将角振动工装放置为与实验台面成θ角，推动角振动工装使其依靠重力跌落在实验台面上，实现旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直；

将角振动工装设置为与实验台成倾斜角θ，轻推角振动工装使其依靠重力跌落在实验台面上，实现旋转运动。此时待测陀螺和基准陀螺的输出见式(1)：

D＝K₀+K₁ω+ε……………………………(1)

式中：D——陀螺输出量，LSB(串口输出)或脉冲个数(脉冲输出)；

K₀——陀螺输入的拟合零偏，LSB(串口输出)或脉冲个数(脉冲输出)；

ε——陀螺输入的随机误差，LSB(串口输出)或脉冲个数(脉冲输出)；

K₁——陀螺标度因数，LSB/(°/s)(串口输出)或脉冲/度(脉冲输出)；

ω——输入角速度，°/s。

角振动工装转动的示意图如图2，ω的大小，可通过调整倾斜角θ获得。设角振动工装的总质量为m，重心距转动点的距离为r，角振动工装的转动惯量为

Δm_i为质量元，l_i为质量元距转动点的距离。实验过程中，m，r，I为常量，不发生变化。根据刚体转动的动能定理：

可见，

θ从0变大到90度，ω从0变大到

S3，通过基准采集软件采集并保存基准陀螺的角运动信息，通过待测采集软件采集并保存待测陀螺的角运动信息，通过监测并确定待测陀螺角运动信息出现异常的时刻，将该时刻基准陀螺的输出数据除以标度因数转换为角速率信号，再对角速率信号进行微分，可以获得基准陀螺在该时刻时的角加速度。根据刚体转动的特点，基准陀螺的角加速度，可等同于待测陀螺的角加速度，进而获得待测陀螺的临界角加速度。

对于高采样速率的待测陀螺，即所述待测陀螺的采样间隔不低于1.0ms，测量范围为±400°/s，带宽>100Hz时，所述测试系统中不安装基准测试通道，通过待测采集软件采集并保存待测陀螺的角运动信息，监测并确定待测陀螺角运动信息出现异常的时刻，该时刻相邻时刻待测陀螺6的角加速度数据即其为临界角加速度。

根据刚性物体的运动特点，物体进行旋转时，任何一点的角速度值、角加速度值相同。因此，通过刚性连接的双光纤陀螺，当对角振动工装施加旋转运动时，敏感到的外界角加速度值相同。

陀螺的角速度经原始输出除以标度因数获得，计算如下：

陀螺的角加速度经角速度的微分获得，如在t时刻的角加速度α_t计算如下：

式中，B_t为陀螺输出角速度，Δt为陀螺输出采样频率。通过公式(4)，可以看出Δt的重要性。如果Δt太低，不能及时跟踪外界的角运动，导致推算的角加速度有误。因此，Δt越高越好，这也就是借助高采样光纤陀螺，完成低采样光纤陀螺角加速的测试的原因。

图3为高低采样陀螺在跟踪外界角振动过程中的对比图。可以看出，高采样陀螺采样点密集，对外界运动模拟量的量化更准确。其输出比低采样陀螺，更连续、光滑。图中第6.2秒，低采样陀螺已不能反映外界模拟量的变化。

我们知道，作为角速度传感器光纤陀螺，其闭环系统为一阶系统。一般情况下，出现大角速度情况时，其输出幅度受到影响，但不会引起闭环控制回路失效，在大角速度输入撤销的情况下，可以恢复到正常输出。但若突然停止，出现大角加速度，光纤陀螺敏感到的Sagnac相移瞬间变为零，但是解调得到的反馈相移依然存在，导致光纤陀螺的探测器会敏感一个较大的光功率，光电探测器输出饱和，闭环回路失效，陀螺输出异常。实验中陀螺异常表现为维持饱和限幅输出。当陀螺因角加速度增大，出现“输出正常”到“输出异常”时，对应的角加速度，为陀螺的临界角加速度。

测试系统中，陀螺往下旋转，角速度不断增大，碰到实验台突然停止，出现大角加速度。该运动状态，满足了大角速度的同时，出现大角加速度，与陀螺因大角速度、大角加速度同时出现，导致输出异常的情况一致。该测试方法，能够快捷有效地激发陀螺的输出异常。

按照图4中测试流程，不断调整倾斜角θ，观察待测陀螺的输出情况。即，角振动工装与实验台面的倾斜角θ由小角度逐渐增大设置，直至待测陀螺输出的角运动信息出现异常，即到达临界角加速度。

图5、图6为正常输出时，双光纤陀螺角速度及角加速度对比曲线。在14.2～15.2s，出现大角速度、角加速度，两陀螺输出均存在波动。在15.2s左右，大角速度、角加速度消失时，两个陀螺输出恢复到0°/s。图6表明待测陀螺可承受角加速度为1200°/s²。

图7、图8为低采样待测陀螺输出异常时，双光纤陀螺角速度及角加速对比曲线。在20～21s，出现大角速度、角加速度，两陀螺输出均存在波动。在21s左右，大角速度、角加速度消失时，基准陀螺输出恢复到0°/s，而待测陀螺输出维持在10°/s，输出异常。图7(b)为角速度放大图，可以看出在20.5～20.6s过程中，待测陀螺经历了大角速度运动，导致后续输出异常。图8(b)为角加速度放大图，可以看出待测陀螺计算的角加速度已不符合实际运动情况，相反，基准陀螺计算的角加速度较好的反映了实际运动。图8(b)表明待测陀螺在外界角加速度为2500°/s²时，会出现异常。

图5～图8，验证了测试方法、计算方法对于获得待测陀螺角加速度指标的有效性。

对采用本发明中方法对待测陀螺仪重复进行五次试验，结果如下表1所示。可知，本发明中测试系统及方法同样具有较高的可重复性。

表1试验5次获得待测陀螺临界角加速度值

试验次数	待测陀螺临界角加速度(°/s2)
		1	2500
2	2488
		3	2526
4	2428
		5	2510

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，其特征在于，包括基准测试通道、待测测试通道、角振动工装（11）和计算机（5）；

所述基准测试通道包括基准光纤陀螺（1）、基准测试线缆（2）、基准电源箱（3）和基准采集软件（4），利用基准测试线缆（2）将基准光纤陀螺（1）与基准电源箱（3）和运行基准采集软件（4）的计算机（5）电气连接，实施对基准光纤陀螺（1）的供电及数据采集；所述待测测试通道包括待测光纤陀螺（6）、待测测试线缆（7）、待测电源箱（8）和待测采集软件（9），利用待测测试线缆（7）将待测光纤陀螺（6）与待测电源箱（8）和运行待测采集软件（9）的计算机（5）电气连接，实施对待测光纤陀螺（6）的供电及数据采集；

所述基准光纤陀螺（1）和待测光纤陀螺（6）刚性固定在角振动工装（11）上，两光纤陀螺的敏感轴保持平行；所述角振动工装（11）用于带动两光纤陀螺做旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直；所述基准采集软件（4）采集并保存基准光纤陀螺（1）的角运动信息，所述待测采集软件（9）采集并保存待测光纤陀螺（6）的角运动信息，通过监测并确定待测光纤陀螺（6）角运动信息出现异常的时刻，以该时刻基准光纤陀螺（1）的角加速度数据等同于待测光纤陀螺的角加速度数据，获得待测光纤陀螺的临界角加速度。

2.根据权利要求1所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，其特征在于，所述基准光纤陀螺（1）的采样间隔不低于1.0ms，测量范围为±400°/s，带宽>100Hz；所述待测光纤陀螺（6）的采样间隔为10ms~500ms、测量范围为±10°/s~±60°/s，带宽<50Hz。

3.根据权利要求1所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括继电器（10），所述计算机（5）对继电器（10）发送指令，利用继电器（10）对基准电源箱（3）和待测电源箱（8）进行通断控制，以对两光纤陀螺同时通断电。

4.根据权利要求1所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，其特征在于，所述基准光纤陀螺（1）和待测光纤陀螺（6）分别通过基准角振动工装和待测角振动工装安装在角振动工装（11）上，所述基准角振动工装和待测角振动工装均为框体结构，框体内部设置有与陀螺安装孔对应的定位孔，光纤陀螺置于框体内部后通过对准定位孔和安装孔并穿设螺纹连接件实施安装。

5.根据权利要求4所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，其特征在于，所述基准角振动工装和待测角振动工装上束缚有压条，通过穿设压条并进入角振动工装（11）的螺纹连接件，将基准角振动工装和待测角振动工装安装在角振动工装（11）上。

6.根据权利要求1所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试系统，其特征在于，所述待测光纤陀螺（6）的采样间隔不低于1.0ms，测量范围为±400°/s，带宽>100Hz时，所述测试系统中不安装基准测试通道，所述待测采集软件（9）采集并保存待测光纤陀螺（6）的角运动信息，监测并确定待测光纤陀螺（6）角运动信息出现异常的时刻，该时刻的相邻时刻待测光纤陀螺（6）的角加速度数据即其为临界角加速度。

7.一种基于双光纤陀螺的临界角加速度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，搭建权利要求1至6之一所述的测试系统，并对测试系统进行检查；

S2，通过继电器对基准光纤陀螺和待测光纤陀螺同时通电，将角振动工装放置为与实验台面成θ角，推动角振动工装使其依靠重力跌落在实验台面上，实施旋转运动，旋转的方向与敏感轴垂直；

S3，通过基准采集软件采集并保存基准光纤陀螺的角运动信息，通过待测采集软件采集并保存待测光纤陀螺的角运动信息，通过监测并确定待测光纤陀螺角运动信息出现异常的时刻，以该时刻基准光纤陀螺的角加速度数据等同于待测光纤陀螺的角加速度数据，获得待测光纤陀螺的临界角加速度。

8.根据权利要求7所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试方法，其特征在于，所述基准光纤陀螺的采样间隔不低于1.0ms，测量范围为±400°/s，带宽>100Hz；所述待测光纤陀螺的采样间隔为10ms~500ms、测量范围为±10°/s~±60°/s，带宽<50Hz。

9.根据权利要求7所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试方法，其特征在于，步骤S2中，所述角振动工装与实验台面的倾斜角θ由小角度逐渐增大设置，直至待测光纤陀螺输出的角运动信息出现异常，达到待测光纤陀螺的临界角加速度。

10.根据权利要求9所述的基于双光纤陀螺的临界角加速度测试方法，其特征在于，所述待测光纤陀螺的采样间隔不低于1.0ms，测量范围为±400°/s，带宽>100Hz时，所述测试系统中不安装基准测试通道，通过待测采集软件采集并保存待测光纤陀螺的角运动信息，监测并确定待测光纤陀螺角运动信息出现异常的时刻，该时刻相邻时刻待测光纤陀螺的角加速度数据即其为临界角加速度。

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