CN116989826A - 一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，包括如下步骤：将待测试的光纤陀螺安装在转台上，转台的旋转轴与地面垂直，光纤陀螺的敏感轴指天；获得静止状态下光纤陀螺的陀螺输出式；转台以大转速匀速旋转180°再次获得光纤陀螺的陀螺输出式；计算出光纤陀螺大转速下的积分标度；将光纤陀螺的敏感轴指向水平方向；转台以大转速匀速旋转，获得光纤陀螺的陀螺输出式，并求出光纤陀螺的失准角；根据求出的光纤陀螺的失准角计算出转台的等效速率，计算光纤陀螺等效速率下的积分标度。本发明提供的方法测试结果准确稳定，重复性较传统速率法强。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法。
背景技术
全数字闭环光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度传感器，其标度因数非线性度的测试方法在国标中规定如下：
其中：为转台第/>个给定角度下光纤陀螺输出值的非线性偏差；/>为转台第/>个给定角速度；/>为拟合零位；/>为去掉零偏和地球转速分量后，转台第/>个给定角度下光纤陀螺输出值；/>为光纤陀螺角速率输出值，除另有规定外，一般为最大输入角速度，/>为光纤陀螺大转速下的积分标度。
在目前光纤陀螺测试过程中，对标度因数非线性度的测量转速序列最小转速一般为0.1，最大转速为300/>。所以目前中高精度光纤陀螺标度因数非线性度按照上述公式测试结果往往小于1/>。
高精度陀螺在系统应用中，特别是在旋转系统中，特别关注陀螺标度非线性度指标。假设陀螺在单轴旋转系统中进行系统级标定，标定过程中系统旋转机构按照6的转速进行标度建模，并以该转速下的标度作为陀螺等效标度长期使用。而在方位陀螺旋转调制过程中，方位陀螺会以固定周期扫过地理坐标系下的北向和南向，其等效地球转速为：
其中：为地球转速；/>为测试当地纬度；/>为方位陀螺敏感轴与北向夹角；/>为方位陀螺敏感轴与地平面夹角，/>为等效陀螺漂移。
根据上述公式可以得出，等效地球转速量级约为10左右，与系统旋转机构进行标度建模时的6/>相差约2000倍，与常规陀螺标度因数非线性度测试中的最大转速相差100000倍。当陀螺存在较大的标度因数非线性误差时，常规方法测量的陀螺标度非线性度误差根本无法反映陀螺在小转速下的标度情况，从而造成极大的系统误差，本申请中的小转速是指光纤陀螺的转速小于1/>，大转速是指光纤陀螺的转速大于1/>。
在接近地球转速量级内对陀螺的标度因数非线性度进行测试，常规的转台测试是无法完成的。因为转台在运转过程中，其位置精度较高，高精度转台位置误差可以做到小于5，相比之下速度误差就较大，尤其是转速越小误差越大，这与转台光栅的工作原理相关。因此即便高精度速率转台也根本无法准确工作在地球转速附近。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，基于光纤陀螺的失准角，计算光纤陀螺的等效转速，然后测试并计算等效转速下的积分标度，从而得到光纤陀螺小转速标度因数非线性度。
一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，其包括如下步骤：
S1：将待测试的光纤陀螺安装在转台上，转台的旋转轴与地面垂直，光纤陀螺的敏感轴指天；
S2：获得静止状态下光纤陀螺的陀螺输出式：
S3：转台以大转速匀速旋转180°再次获得光纤陀螺的陀螺输出式：
S4：根据静止状态下及转台旋转180°后光纤陀螺的陀螺输出式得到光纤陀螺旋转过程中的陀螺输出式，然后将光纤陀螺旋转过程中的陀螺输出式进行积分得到光纤陀螺大转速下的积分标度计算式，计算出光纤陀螺大转速下的积分标度；
S5：将光纤陀螺的敏感轴指向水平方向；
S6：转台以大转速匀速旋转，获得光纤陀螺的陀螺输出式，并求出光纤陀螺的失准角；
S7：根据求出的光纤陀螺的失准角计算转台的等效速率，转台以等效速率匀速旋转，计算光纤陀螺等效速率下的积分标度，转台的等效速率线性增加，得到每一个等效速率下光纤陀螺的积分标度，完成小转速下陀螺标度因数非线性度的测试。
进一步，步骤S2中静止状态下光纤陀螺的陀螺输出式为式（1）：
（1）；
其中：为静止状态光纤陀螺敏感到的角速度，/>为等效天速，/>为等效北速，/>为光纤陀螺敏感轴在水平面上的投影与北向的夹角，/>为等效陀螺漂移，/>为光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角。
进一步，步骤S3中转台以大转速匀速旋转180°后光纤陀螺的陀螺输出式为式（2）：
（2）；
其中：为转台以大转速匀速旋转180°后光纤陀螺敏感到的角速度。
进一步，步骤S4中光纤陀螺大转速下的积分标度的计算方法如下：
S4-1：将式（1）与式（2）相加后除以2得到式（3）：
（3）；
S4-2：转台以大转速匀速旋转过程中光纤陀螺的陀螺输出为式（4）：
（4）；
其中，表示转台旋转角速度；
然后将式（4）两边同时减去后得到光纤陀螺的陀螺输出式为式（5）：
（5）；
其中：表示扣除等效陀螺漂移/>、等效天速/>在与光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角/>的敏感轴上的转速分量之后的陀螺敏感到的角速度；
S4-3：转台以大转速匀速旋转圈，对式（5）进行积分得到式（6）：
（6）；
其中：表示光纤陀螺输出数字量，/>为光纤陀螺大转速下的积分标度；
由式（6）得到光纤陀螺大转速下的积分标度的计算式（7）；
（7）。
进一步，步骤S6中光纤陀螺的陀螺输出式为式（8），然后根据式（9）求出光纤陀螺的失准角：
（8）；
（9）；
其中：表示失准角测试过程中光纤陀螺的陀螺输出数字量，/>为转台的转速。
进一步，步骤S7中根据式（10）计算转台的等效速率：
（10）。
发明的有益效果：
本发明提供的一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，基于光纤陀螺的失准角，计算光纤陀螺的等效转速，然后测试并计算等效转速下的积分标度，从而实现准确测试光纤陀螺小转速标度因数非线性度，使用本发明方法测试的光纤陀螺小转速标度因数非线性度，测试结果准确稳定，重复性较传统速率法强。
附图说明
图1是本发明流程示意图。
具体实施方式
一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，流程图如图1所示，具体包括如下步骤：
S1：将待测试的光纤陀螺安装在转台上，转台的旋转轴与地面垂直，光纤陀螺的敏感轴指天；转台可以采用单轴速率转台并且安装在隔振基座上，使转台的运行更加平稳可靠，安装时可以通过水平仪测量，保证转台旋转台面的倾角小于5；
S2：获得静止状态下光纤陀螺的陀螺输出式：
具体静止状态下光纤陀螺的陀螺输出式为式（1）：
（1）；
其中：为静止状态光纤陀螺敏感到的角速度，/>为等效天速，/>为等效北速，/>为光纤陀螺敏感轴在水平面上的投影与北向的夹角，/>为等效陀螺漂移，/>为光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角。
S3：转台以大转速匀速旋转180°再次获得光纤陀螺的陀螺输出式：
具体的，转台以大转速匀速旋转180°后光纤陀螺的陀螺输出式为式（2）：
（2）；
其中：为转台以大转速匀速旋转180°后光纤陀螺敏感到的角速度。
S4：根据静止状态下及转台旋转180°后光纤陀螺的陀螺输出式得到光纤陀螺旋转过程中的陀螺输出式，然后将光纤陀螺旋转过程中的陀螺输出式进行积分得到光纤陀螺大转速下的积分标度计算式，计算出光纤陀螺大转速下的积分标度；
具体的，光纤陀螺大转速下的积分标度的计算方法如下：
S4-1：将式（1）与式（2）相加后除以2得到式（3）；
（3）；
S4-2：转台以大转速匀速旋转过程中光纤陀螺的陀螺输出为式（4）：
（4）；
其中：表示转台旋转角速度；
然后将式（4）两边同时减去后得到光纤陀螺的陀螺输出式为式（5）：
（5）；
其中：表示扣除等效陀螺漂移/>、等效天速/>在与光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角/>的敏感轴上的转速分量之后的陀螺敏感到的角速度，等效天速/>在与光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角/>的敏感轴上的转速分量即为/>；
S4-3：转台以大转速匀速旋转圈，对式（5）进行积分得到式（6）：
（6）；
其中：表示光纤陀螺输出数字量，这里的光纤陀螺输出数字量是指光纤陀螺敏感到的角速度通过串口对外发送的数据，/>为光纤陀螺大转速下的积分标度；
由式（6）得到光纤陀螺大转速下的积分标度的计算式（7）；
（7）。
敏感轴指天的光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角包含光纤陀螺自身失准角以及工装安装误差角，其精度范围一般小于/>，/>的误差理论上带来的标度因数误差/>为：
可见由于光纤陀螺自身失准角以及工装安装误差角造成的标度因数误差远小于1，可以忽略不计，因此采用此方法获得的光纤陀螺大转速下的积分标度K的值精确度比较高。
S5：将光纤陀螺的敏感轴指向水平方向；
S6：转台以大转速匀速旋转，获得光纤陀螺的陀螺输出式，并求出光纤陀螺的失准角；
具体的，此时光纤陀螺的陀螺输出式为式（8），然后根据式（9）可以求出光纤陀螺的失准角：
（8）；
（9）；
其中：表示失准角测试过程中光纤陀螺的陀螺输出数字量，/>为转台的转速。
假设转台以的转速进行旋转，则旋转1周需要36秒，失准角测试过程中光纤陀螺的陀螺输出数字量的周期为1s，则对失准角测试过程中光纤陀螺的陀螺输出数字量进行36s或36s整倍数的求和运算，可以去除等效北速误差/>，而等效零偏在/>的转速下是一个极小量，也可以忽略不计。因此由式（9）可以推导出式（9），从而准确计算出光纤陀螺的失准角/>。
S7：根据求出的光纤陀螺的失准角计算转台的等效速率，转台以等效速率匀速旋转，计算光纤陀螺等效速率下的积分标度，转台的等效速率线性增加，得到每一个等效速率下光纤陀螺的积分标度，完成小转速下陀螺标度因数非线性度的测试。
步骤S7中根据式（10）计算转台的等效速率：
（10）。
根据式（10）将光纤陀螺的小转速可以等效成光纤陀螺的大转速，然后用光纤陀螺的大转速模拟小转速，即可以测试出光纤陀螺等效速率下的积分标度，转台的等效速率线性增加，得到每一个等效速率下光纤陀螺的积分标度，就完成了小转速下陀螺标度因数非线性度的测试。
假设经过测试后的失准角，那么/>的大转台转速等效为的小转台转速。测试时，可以使转台的转速分别在/>、/>、等转速下进行测试。
采用上述方法进行光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试，可以准确的测试出陀螺在小转速下的标度因数，并且测试的结果比较准确、稳定，较传统的速率法测试重复性强。
综上所述，本发明提出的一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，基于光纤陀螺的失准角，计算出光纤陀螺的等效转速，然后测试并计算出等效转速下的积分标度，从而实现准确测试光纤陀螺小转速标度因数非线性度，使用本发明方法测试的光纤陀螺小转速标度因数非线性度，测试结果准确稳定，重复性较传统速率法强。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将待测试的光纤陀螺安装在转台上，转台的旋转轴与地面垂直，光纤陀螺的敏感轴指天；
S2：获得静止状态下光纤陀螺的陀螺输出式：
S3：转台以大转速匀速旋转180°再次获得光纤陀螺的陀螺输出式：
S4：根据静止状态下及转台旋转180°后光纤陀螺的陀螺输出式得到光纤陀螺旋转过程中的陀螺输出式，然后将光纤陀螺旋转过程中的陀螺输出式进行积分得到光纤陀螺大转速下的积分标度计算式，计算出光纤陀螺大转速下的积分标度；
S5：将光纤陀螺的敏感轴指向水平方向；
S6：转台以大转速匀速旋转，获得光纤陀螺的陀螺输出式，并求出光纤陀螺的失准角；
S7：根据求出的光纤陀螺的失准角计算转台的等效速率，转台以等效速率匀速旋转，计算光纤陀螺等效速率下的积分标度，转台的等效速率线性增加，得到每一个等效速率下光纤陀螺的积分标度，完成小转速下陀螺标度因数非线性度的测试。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，其特征在于，步骤S2中静止状态下光纤陀螺的陀螺输出式为式（1）：
（1）；
其中：为静止状态光纤陀螺敏感到的角速度，/>为等效天速，/>为等效北速，/>为光纤陀螺敏感轴在水平面上的投影与北向的夹角，/>为等效陀螺漂移，/>为光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角。
3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，其特征在于，步骤S3中转台以大转速匀速旋转180°后光纤陀螺的陀螺输出式为式（2）：
（2）；
其中：为转台以大转速匀速旋转180°后光纤陀螺敏感到的角速度。
4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，其特征在于，步骤S4中光纤陀螺大转速下的积分标度的计算方法如下：
S4-1：将式（1）与式（2）相加后除以2得到式（3）；
（3）；
S4-2：转台以大转速匀速旋转过程中光纤陀螺的陀螺输出为式（4）：
（4）；
其中，表示转台旋转角速度；
将式（4）两边同时减去后得到光纤陀螺的陀螺输出式为式（5）：
（5）；
其中：表示扣除等效陀螺漂移/>、等效天速/>在与光纤陀螺敏感轴与水平面的夹角/>的敏感轴上的转速分量之后的陀螺敏感到的角速度；
S4-3：转台以大转速匀速旋转圈，对式（5）进行积分得到式（6）：
（6）；
其中：表示光纤陀螺输出数字量，/>为光纤陀螺大转速下的积分标度；
由式（6）得到光纤陀螺大转速下的积分标度的计算式（7）：
（7）。
5.根据权利要求4所述的一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，其特征在于，步骤S6中光纤陀螺的陀螺输出式为式（8），然后根据式（9）求出光纤陀螺的失准角：
（8）；
（9）；
其中：表示失准角测试过程中光纤陀螺的陀螺输出数字量，/>为转台的转速。
6.根据权利要求5所述的一种光纤陀螺小转速标度因数非线性度测试方法，其特征在于，步骤S7中根据式（10）计算转台的等效速率：
（10）。
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