CN1821722A - 一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，包括六面体框架、夹条、坐板和压板；六面体框架支撑夹条，夹条约束坐板，陀螺仪跟随坐板倾斜一定角度，坐板上有8个高精度的定位销，测试设备置于单轴速率转台水平台面上，转台提供输入角速度，陀螺仪倾斜角的值由测试工具测量定位销到转台台面的距离精确求得，根据计算模型，对参数解耦；本发明使用时先调节陀螺仪倾斜角，后测量此角度值，避免了根据给定角度值调节陀螺仪倾斜角而产生的传递误差，测得的陀螺仪倾斜角的精度很高，保证了解耦结果的精度，同时本发明结构简单、成本低廉、操作方便、便于维护，可应用于各种陀螺仪、尤其是MEMS陀螺、光纤陀螺等低成本陀螺仪的标度因数和输入轴失准角的解耦测试。

Description

一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，属于导航、制导与控制技术领域中微小型、低成本、低精度惯性测量器件的测试、标定与补偿技术。

背景技术

在惯性导航过程中，惯性器件所引起的误差通常占整个制导误差的70％以上，这就导致对惯性器件提出了越来越高的要求。通过提高加工工艺，可以提高惯性器件的精度，但是成本巨大，惯导测试技术是在惯性导航技术基础上发展起来的一门新兴学科，人们力求准确评定其性能，精确测试出有关参数，并通过误差补偿措施来提高惯性器件的性能及精度。在陀螺中，陀螺标度因数和陀螺输入轴失准角正是提高惯性器件的精度，需要准确测试的两个非常关键的参数。所说的标度因数K是指陀螺仪输出电压量V与输入角速率ω的比值；通常把与陀螺对应安装面垂直的轴叫做输入基准轴IR，如图1所示，通常把陀螺的敏感轴叫做输入轴IA，当陀螺仪绕该轴旋转时，将引起最大输出电压量，所说的输入轴失准角δ就是输入轴IA与输入基准轴IR之间的夹角。通常陀螺仪的轴规定为：OZ轴与输入基准轴IR重合，OX与OY在陀螺仪安装平面内相互垂直，一般取OX与输出轴平行，且三个轴的正方向满足OX×OY＝IA的规定，由陀螺仪运动原理可知，陀螺仪标度因数和输入轴失准角是耦合在一起的。

目前的国家军用标准和IEEE陀螺的测试规范中，利用近似方法：

cosδ≈1、sinδ≈δ                        (1)

将陀螺仪标度因数和输入轴失准角解耦，并分别设计测试方法，因此这些测试规范只适用于传统的高精度陀螺仪。近几年，微小型、低成本、低精度的陀螺仪成为人们关注的热点，他们的失准角δ很大，式(1)表示的近似会带来很大误差，以上标准已经不适合了，考虑到标度因数和输入轴失准角的互相耦合关系，建立如下测试模型方程：

K·cos(δ+θ_i)＝(V_ij-V_0i)/ω_j                            (2)

式(2)中，K为陀螺输出轴的标度因数，δ为陀螺输入轴失准角，θ_i为陀螺倾斜角，V_ij为陀螺倾斜角为θ_i、转台角速度为ω_j时，陀螺输出轴的输出电压值，V_0i为陀螺输出轴的常值漂移，ω_j为陀螺输入轴的转速。现有的实验方法是把陀螺仪固定在三轴转台上，根据给定角度值调节陀螺仪倾斜角，实验中常利用内框架来实现陀螺仪分别在四种安装状态下，以一系列角度θ_i倾斜，感受转台给予的不同角速度ω_j激励；数据处理中，根据不含近似误差的参数计算模型式(2)采用最小二乘法拟合出耦合系数值，最后解耦并消除夹具误差。这种方法虽然可以减少参数误差对导航精度的影响，但必须采用三轴转台进行测试，因此设备复杂，对实验操作要求比较高，而且实验中先确定需要转过的角度值，并输入三轴转台，然后，根据给定角度值调节陀螺仪倾斜角，控制转台内框架转动到所需角度时停止并锁定，这样会产生许多传递误差，包括：转台的控制系统误差、测量系统误差、反馈系统误差、机械加工误差、传动误差等等，它们都会影响陀螺仪倾斜角的误差，并间接影响参数的解耦精度；此外，设备使用和维护费用很高，难以满足大批量试验的要求。

发明内容

本发明的目的是：克服现有方法的不足，提供一种结构简单、操作方便、便于维护、成本低廉、能高精度确定陀螺仪倾斜角的测试设备，它无需三轴转台，与单轴速率转台配合，即可完成标度因数和输入轴失准角的解耦测试。

本发明的技术解决方案是：一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：包括六面体框架、底面夹条、底面垫条、后面夹条、后面垫条、坐板，底面夹条、后面夹条分别位于六面体框架内的底部和后面，底面夹条和后面夹条分别位于六面体框架外的底部和后面，底面夹条和底面垫条通过螺栓将六面体框架的底部连接固定，后面夹条和后面夹条将六面体框架的后面连接固定，坐板斜置于后面夹条和底面夹条之间，两个夹条在空间给坐板提供约束力，并将其夹紧以倾斜角固定；待测陀螺仪固定在坐板上，陀螺仪与坐板一起在空间保持一个固定的倾斜角，调节坐板的倾斜角可以调节陀螺仪的倾斜角度。

本发明的原理是：当松动两个夹条的螺栓后，两个夹条都可以沿着六面体框架的通槽滑动，并紧固在通槽的任意位置，从而使陀螺仪在空间保持某一个角度；将陀螺仪的安装面紧贴在坐板上，则可以实现实验的要求：陀螺仪以一系列角度倾斜，感受转台给予的不同角速度激励。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的六面体框架底面和后面的三条通槽与螺栓配合，可以无级调节夹条沿着通槽固定在任意位置，从而使陀螺仪在空间可以保持任意大小的倾斜角，使得数据处理时，代入式(2)可以得到任意多的方程，提高最小二乘拟合的参数计算精度；

(2)本发明的夹条曲面端与坐板的曲面端均为圆弧面，配合时属于圆面接触，比线接触更稳固、更严密，又不会出现构件间的相互干涉，利于约束和固定坐板；

(3)确定θ_i的值时，先调整并设置夹具各个部分，使陀螺仪在空间倾斜，然后再测量此倾斜角的值，避免了各种传递误差的影响；

(4)本发明结构简单、成本低廉，操作方便、便于维护。

附图说明

图1为本发明测试中陀螺仪各轴以及输入轴失准角的规定示意图；

图2为本发明坐板上同时安装CRS03和ADXRS300两种陀螺仪时的整体结构装配图的右前俯视图；

图3为CRS03陀螺仪的结构示意图；

图4为ADXRS300陀螺仪的结构示意图；

图5为本发明坐板上安装CRS03陀螺仪的示意图；

图6为本发明坐板上安装ADXRS300陀螺仪的示意图；

图7为本发明的整体剖视图；

图8为本发明的整体结构装配右后仰视图；

图9为本发明的坐板与两套夹条配合的装配图；

图10为本发明的整体结构左视图；

图11为本发明中以CRS03和ADXRS300为例的陀螺仪固定在坐板上的示意图；

图12为本发明的坐板结构示意图；

图13为本发明夹条和垫条配合结构的右视图；

图14为本发明的测量台阶块示意图。

图中：1、六面体框架，2、后面夹条v，3、底面夹条，4、坐板，5、压板，6、大垫块，7、小垫块，8、CRS03陀螺仪，9、ADXRS300陀螺仪及其外围处理电路，10、测量台阶块，21、后面垫条，31、底面垫条，41～48顺时针自坐板左边下端起的八个定位销。

具体实施方式

如图2所示，本发明由六面体框架1、后面夹条2、底面夹条3、坐板4、压板5、大垫块6，小垫块7组成，六面体框架1放置在转台水平台面上，六面体框架1提供给后面夹条2和底面夹条3一个支撑，两套夹条在空间给坐板4提供约束力，将坐板4夹紧并以一定倾斜角固定。如图11所示，无论陀螺仪耐压处的厚度是大还是小，只要挑选一个与其厚度相当的垫块，就可以用压板5将陀螺仪压紧，固定在坐板4上，使陀螺仪在空间保持一个固定的倾斜角，精确测量出此角，再利用单轴速率转台为本设备提供高精度输入角速度，根据计算模型，就可以实现对陀螺仪参数标度因数和输入轴失准角的解耦。

如图7，图8所示，松动两个夹条的螺栓后，两个夹条都可以沿着六面体框架的通槽滑动，并紧固在通槽的任意位置，从而使陀螺仪在空间保持某一个角度；将陀螺仪的安装面紧贴在坐板上，则可以实现实验的要求：陀螺仪以一系列角度倾斜，感受转台给予的不同角速度激励，例如：图3为一种常用的MEMS陀螺仪-CRS03的结构示意图，图4为另一种常用的MEMS陀螺仪-ADXRS300的结构示意图，坐板4上安装CRS03陀螺仪8的示意图如图5所示，坐板4上安装ADXRS300陀螺仪9的示意图如图6所示，而图7则是坐板4上同时安装CRS03陀螺仪8和ADXRS300陀螺仪9两种陀螺仪的示意图。

如图9所示，陀螺仪倾斜角度的大小由坐板两侧的定位销测得，测量倾斜角的具体方法如下：

(1)将整个装置放置在一个水平面上，常取转台台面作为水平面；

(2)测量定位销41与水平面的垂直距离h1和定位销42与水平面的垂直距离h2；

(3)计算陀螺仪的倾斜角θ，如图10所示，设对应的正方形坐板边缘两侧的定位销的间距为d，则

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{h1-h2}{d}\right)---\left(3\right)$

陀螺仪的倾斜角θ变换次数满足要求以后，将坐板4在安装面内旋转90°，重复以上试验。

在上述实验过程中，陀螺仪倾斜角θ的精度由两个定位销与水平面的垂直距离h1、h2和定位销的间距d的测量误差决定，如果用Δl＝Δh1+Δh2表示(h1-h2)的计算应用值与真实值间的误差，则陀螺仪倾斜角θ的误差大小计算公式近似为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\Δl}\·\cos \mathrm{\θ}}{d}---\left(4\right)$

对于要求精度不是特别高的场合，例如对于低成本、低精度的光纤陀螺仪、石英陀螺仪、微硅MEMS陀螺仪等，其输入轴失准角δ在几度以上，甚至更高，可以用游标卡尺测量h1、h2和d，其测量精度一般在0.1mm到零点几毫米，假设某次测试中，Δl为0.1mm，陀螺仪在空间的倾斜角为60°，坐板每端面定位销之间的线距离为d＝160mm，则此时陀螺仪倾斜角θ的误差大小为：

因此，陀螺仪倾斜角θ的误差大小一般在一个到几个角分；如果要求很高，需要用千分表，配合一个精密加工的台阶块测量，如图14所示，台阶块中每个台阶的高度都加工的很精密，误差达到微米级，千分表的测量精度高于0.001mm，测量范围在2～3mm，此时参照公式(4)、公式(5)可知，在这种测量方法下，陀螺仪倾斜角θ的误差大小一般可以达到角秒级，完全可以代替昂贵的三轴转台来实现陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试。

如图11所示，陀螺仪具体安装步骤如下：

(1)将陀螺仪8和陀螺仪9放置在坐板4上合适的位置；

(2)参考陀螺仪耐压处的厚度，选取高度合适的垫块，如图11所示，可以为CRS03陀螺仪8选用大垫块6，为ADXRS300陀螺仪9选用小垫块7；

(3)用压板5一端压在陀螺仪耐压处，另一端压在垫块上，移动压板5和垫块，使压板5中间的孔对准坐板4的通槽某处；

(4)利用螺栓配合圆形垫片和螺母，先后穿过坐板4的通槽、压板5中间的通孔，拧紧螺母将陀螺仪固定；

(5)根据需要，可以选用多套压板和垫块，配合螺栓一起压紧陀螺仪；如果需要，也可以调节陀螺仪所在位置，重复以上步骤。

陀螺仪固定在坐板4上后，再将陀螺仪与坐板的组合固定在六面体框架1上，如图8、图9、图10所示，其具体安装步骤如下：

(1)将与后面夹条2、底面夹条3两套夹条配合的螺栓和螺母拧松，使夹条可以沿着六面体框架的通槽滑动；

(2)将陀螺仪8、陀螺仪9与坐板4的组合放置在后面夹条2、底面夹条3两套夹条之间，使夹条圆端面与坐板的圆端面严格配合；

(3)向上或向下移动后面夹条2，同时对应向内或向外移动底面夹条3，调节坐板4到某一个满足需要的角度，拧紧螺母，使其固定；

(4)利用游标卡尺测量坐板相应端面的两个定位销与转台平面之间的深度h1、h2，代入公式(3)，求出陀螺仪倾斜角θ_i；

(5)如果需要精确求出陀螺仪倾斜角θ_i，需要利用千分表配合图14所示的测量台阶块10测量。

千分表具有很高的测量精度，能够精确到微米级，但是，千分表测量的范围有限，一般在2～3mm，所以不能直接利用千分表测量定位销高度，采用如图14所示的测量台阶块10和千分表配合，就可以测量定位销高度的高度了，其步骤如下：

(1)将测量台阶块放置在转台上并移近第一个待测的定位销，目测确定距离定位销最近的台阶a；

(2)利用千分表测量出待测定位销与台阶a之间的高度差Δh；

(3)由台阶a在测量台阶块10上的位置确定出台阶a到转台平面的距离h；

(4)由定位销与台阶a的相对位置算出定位销的精确高度，如果定位销比台阶a高，则定位销的高度为：h1＝h+Δh，否则，如果定位销比台阶a低，则h1＝h-Δh；

(5)同理可以测量出其他定位销的高度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的

现有技术。

Claims (8)

1、一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：包括六面体框架(1)、底面夹条(3)、底面垫条(31)、后面夹条(2)、后面垫条(21)、坐板(4)，底面夹条(3)、后面夹条(2)分别位于六面体框架(1)内的底部和后面，底面夹条(3)和后面夹条(2)分别位于六面体框架(1)外的底部和后面，底面夹条(3)和底面垫条(31)通过螺栓将六面体框架(1)的底部连接固定，后面夹条(3)和后面夹条(2)将六面体框架(1)的后面连接固定，坐板(4)斜置于后面夹条(2)和底面夹条(3)之间，两个夹条在空间给坐板(4)提供约束力，并将其夹紧以倾斜角固定；待测陀螺仪固定在坐板(4)上，陀螺仪与坐板(4)一起在空间保持一个固定的倾斜角，调节坐板(4)的倾斜角可以调节陀螺仪的倾斜角度。

2、根据权利要求1所述的陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：所述的六面体框架(1)选用稳定不易变形的硅材料制成。

3、根据权利要求1所述的陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：所述的六面体框架(1)的底部和后面开有通槽，通槽与螺栓配合，无级调节后面夹条(2)和底面夹条(3)沿着通槽的固定在任意一个需要的位置，使陀螺仪在空间可以保持任意大小的倾斜角。

4、根据权利要求1所述的陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：在所述的坐板(4)四个端面的两侧分别有定位销(41～48)；坐板(4)的端面与后面夹条(2)或底面夹条(3)配合处为半圆弧面。

5、根据权利要求1所述的陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：在所述的坐板(4)上开有通槽，使其中的螺栓位置可以无级调节，将陀螺仪固定在需要的位置。

6、根据权利要求1所述的陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：所述的陀螺仪通过压板(5)固定在坐板(4)上，压板(5)一端压住待测陀螺仪某耐压处，另一端压在垫块上，螺栓先后穿过坐板(4)的通槽、压板(5)的中间通孔，使陀螺仪紧固在坐板(4)上。

7、根据权利要求6所述的陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：所述的垫块(5)可以是一块高度与待测陀螺仪耐压处的厚度接近的垫块，还可以是多块垫块叠在一起，使总的高度与待测陀螺仪耐压处的厚度接近。

8、根据权利要求1所述的陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦测试设备，其特征在于：所述的固定在坐板(4)上陀螺仪可以为一个或一个以上。

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