光纤陀螺角加速度响应能力的快速测试方法

技术领域

本发明涉及一种不依赖于大型精密角加速度测量设备，仅靠普通六面体工装的高精度光纤陀螺速率敏感轴角加速度响应能力的低成本快速测试方法，属于光纤陀螺测试技术领域。

背景技术

近年来，光纤陀螺以其特有的优点逐渐成为惯性导航技术领域中的主流仪表之一。随着各项技术的发展，高精度光纤陀螺逐渐走向实用化，走进市场。对于光纤陀螺而言，角加速度的响应能力是其重要的设计指标之一，直接影响了光纤陀螺在大动态、高精度等领域应用。而高精度光纤陀螺通常会采取增加解调时间和积分次数来抑制噪声，从而使陀螺回路的响应带宽减小、延时增加，进一步影响到其相应角加速度的响应能力。所以要对光纤陀螺的角加速度响应能力水平进行必要且准确的测量，以评估高精度光纤陀螺的动态响应设计指标。

但目前光纤陀螺角加速度响应能力的测量一般是采用大量级角振动台、突停台等大型测量设备的摆动来给光纤陀螺仪产生角加速度输入，其对测量设备的精度要求高，且测试时间长、过程复杂、数据处理量大。

为此，需要提出一种不依赖大型设备的、易操作的、简便快速的高精度光纤陀螺角加速度响应能力的测试及数据处理方法，提高其测试的经济性及效益性。

发明内容

本发明解决的问题是：改变目前角加速度响应能力测试过程中需使用三轴测试转台等大型设备来生成不同角加速度的测量方式，提供一种不依赖大型设备的、简便快速的高精度光纤陀螺角加速度响应能力的测量方式。

本发明的技术解决方案是：

一种光纤陀螺角加速度响应能力的快速测试方法，包括如下步骤：

1)将待测光纤陀螺固定在六面体工装中，将六面体工装放置到防静电橡胶垫上；

2)在待测光纤陀螺和工控机、待测光纤陀螺和电源箱之间连接采样电缆；

3)给待测光纤陀螺供电，获取待测光纤陀螺在静止状态下的初始输出；

4)从六面体工装上选取一条棱边作为旋转轴，将旋转轴放置在防静电橡胶垫上，以旋转轴为轴线将六面体工装转动一定的角度后撤去外力，使六面体工装在重力作用下自由转动落回到防静电橡胶垫上；

5)待六面体工装落回防静电橡胶垫再次静止后，判断待测光纤陀螺在静止状态下的输出数据是否与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出一致，若是，则进入步骤6)，反之则进入步骤7)；

6)增大转动角度，使本次转动角度大于上一次转动角度，重复步骤4)～5)直至待测光纤陀螺的输出与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出不一致后进入步骤7)；

7)剔除此次转动过程中光纤陀螺的输出数据，将待测光纤陀螺的输出与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出不一致的次数累加1，断电处理并给待测光纤陀螺重新上电，待陀螺输出与初始输出一致后，减小转动角度，使本次转动角度小于上一次转动角度，重复步骤4)后进入步骤8)；

8)待六面体工装落回防静电橡胶垫再次静止后，判断待测光纤陀螺的输出是否与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出一致，若是，则进入步骤9)，反之则进入步骤7)；

9)增大转动角度，使本次转动角度大于上一次转动角度，重复步骤4)后进入步骤8)；直至待测光纤陀螺的输出与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出不一致的次数大于m后，进入步骤10)；

10)根据转动过程中待测光纤陀螺的输出数据，获取转动过程中待测光纤陀螺的角加速度，获取转动角度最大时，转动过程中待测光纤陀螺的最大角加速度作为测试结果；

11)将测试结果与设计指标进行比较，若测试结果大于设计指标，则判定待测光纤陀螺的角加速度响应能力满足要求，反之则判定待测光纤陀螺的角加速度响应能力不满足要求。

优选地，转动过程中旋转轴始终位于防静电橡胶垫上。

优选地，初始转动的角度θ

优选地，步骤6)中增大转动角度为θ

优选地，a的取值范围为5°到10°。

优选地，步骤7)中减小转动角度为

优选地，步骤9)中增大转动角度为

优选地，m的取值范围为3到5。

优选地，使用MATLAB软件获取转动过程中待测光纤陀螺的角加速度。

优选地，步骤4)中选取平行于待测光纤陀螺敏感轴的棱边作为旋转轴。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明无需角振动台、突停台等大型测量设备，无需针对不同接口和协议的光纤陀螺编写软件，无需复杂的数据处理过程，采用本发明通用性高精度光纤陀螺角加速度响应能力的测试及数据处理方法，仅通过普通六面体工装，依托不同角加速度的生成技术和1000Hz以上的快速采样以及数据更新技术，即可简易快捷地得到待测陀螺的角加速度响应能力水平。

2)本发明整个角加速度响应能力测试过程，只需要在实验开始前几分钟铺设防静电橡胶垫和进行陀螺工装的安装摆放，设备普通、操作简单、过程安全，仅需一个人就能顺利完成，且实验完成后陀螺的角加速度响应能力结果由Matlab计算并进行直观展示。

3)本发明测试方法及数据处理由陀螺测试软件和Matlab实现，适用于不同软件协议的速率陀螺，具有通用性。

附图说明

图1为本发明光纤陀螺角加速度响应能力的快速测试方法；

图2为本发明光纤陀螺摆放及测试过程示意图；

图3为本发明高精度光纤陀螺在角加速度响应能力测试中的输出数据；

图4为本发明的由Matlab计算出的角加速度响应能力结果。

具体实施方式

本发明将待测光纤陀螺安装在保护工装上，按照规定的方法进行测试，陀螺连续采集全程的数据。使用MATLAB软件对角加速度响应能力进行计算和输出。

本发明一种光纤陀螺角加速度响应能力的快速测试方法，如图1所示。具体包括以下步骤：

1)将待测光纤陀螺固定在六面体工装中，将六面体工装放置到防静电橡胶垫上，如图2所示(六面体工装为陀螺提供摆放基准面和保护，静置时陀螺的角速率敏感轴与水平方向平行，以保证测试的安全性和准确性)；

2)在待测光纤陀螺和工控机、待测光纤陀螺和电源箱之间连接快速采样电缆；快速采样电缆为采样频率在1000Hz以上的同步电缆，以保证足够的数据更新速度。

3)使用电源箱给待测光纤陀螺供电，获取待测光纤陀螺在静止状态下的初始输出；

4)从六面体工装上选取平行于待测光纤陀螺敏感轴的棱边作为旋转轴，将旋转轴放置在防静电橡胶垫上，以旋转轴为轴线将六面体工装转动一定的角度θ

5)待六面体工装落回防静电橡胶垫再次静止后，判断待测光纤陀螺在静止状态下的输出数据是否与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出一致，若是，则进入步骤6)，反之则进入步骤7)；

6)增大转动角度，使本次转动角度大于上一次转动角度，θ

(即陀螺输出出现闭环失效或跳模现象。)；其中，a的取值范围为5°到10°；陀螺出现闭环失效或跳模现象是一种正常陀螺输出叠加了2π的整数倍相位对应的角速度值的现象，是由于输入角加速度达到或超过了该陀螺的最大角加速度响应能力，可通过该现象，不断增加角加速度输入来验证陀螺是否达到设计最大角加速度响应能力。

7)剔除此次转动过程中待测光纤陀螺的输出数据，将待测光纤陀螺的输出与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出不一致的次数累加1，断电处理并给待测光纤陀螺重新上电，待陀螺输出与初始输出一致后，减小转动角度，使本次转动角度小于上一次转动角度，

8)待六面体工装落回防静电橡胶垫再次静止后，判断待测光纤陀螺的输出是否与步骤3)中获得的待测光纤陀螺的初始输出一致，若是，则进入步骤9)，反之则进入步骤7)；

9)增大转动角度，使本次转动角度大于上一次转动角度，

10)保存工控机上陀螺测试软件采集到的陀螺输出角速度，用MATLAB的自定义程序计算速率陀螺输出角速度的导数——角加速度，结合角速度输出，判断出光纤陀螺的角加速度响应能力。获取转动过程中待测光纤陀螺的输出数据，使用MATLAB软件获得转动过程中的角加速度，获取转动角度最大时，转动过程中待测光纤陀螺的最大角加速度作为测试结果；

11)将测试结果与设计指标进行比较，若测试结果大于设计指标，则判定待测光纤陀螺的角加速度响应能力满足要求，反之则判定待测光纤陀螺的角加速度响应能力不满足要求。

下面结合附图对本发明的具体工作原理做解释。

本发明中不同角加速度的生成技术其原理为角冲量原理，即

式中，G为陀螺工装受到的重力，l为重力到旋转轴的距离，J陀螺绕旋转轴的转动惯量，α为角加速度。

在不考虑滑动情况下，六面体工装转动一定的角度θ后撤去外力，陀螺会在重力G的作用下绕接触棱旋转。由于碰撞时间Δt较短，根据角冲量原理，陀螺敏感轴将有一个较大的角加速度输入。陀螺转动不同的角度θ对应着陀螺与防静电橡胶垫接触发生碰撞时不同的角动量，进而使陀螺获得不同的角加速度输入。

本发明提供了一种光纤陀螺角加速度响应能力的快速测试方法。该方法将待测陀螺安装在工装上，最后一起放置于水平防静电橡胶垫上，连接电缆、打开并设置陀螺测试软件后，进行角加速度响应能力实验，整个过程中连续采集陀螺输出数据，最后使用Matlab计算陀螺角加速度响应能力的实验结果。

Matlab处理后的陀螺输出角速率数据如图3所示，处理后的陀螺角加速度数值结果如图4所示。结合两张图，可以看出，第47s对应的角加速度最大且之后陀螺静止时陀螺输出能回到正常零位，根据本发明的光纤陀螺角加速度响应能力测试方法，在1min中内即可得到该测试陀螺的角加速度响应能力，约为10

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

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。