光纤陀螺仪测试规范

光纤陀螺仪测试 1 范围 本规范了光纤陀螺的技术要求、质量保证和交货准备等方面的要求，以及相应的测试条件、测试项目、测试方法、测试程序，适用于在航海、航空、航天及陆用等惯性技术领域中应用的陀螺仪的、制造及检验。 2 测试条件与测试设备 2.1测试条件 2.1.1 环境条件 2.1.1.1 大气条件 大气条件如下: 环境温度:23??2? 相对湿度:20%,80% 大气压力:86KPa ~ 106KPa 5 测试主要项目 5.1.1 光纤陀螺在室温环境下性能 a) 标度因数; b) 标度因数非线性度; c) 标度因数不对称度; d) 标度因数重复性。 5.1.2 零偏 ——————————————————————————————————————————————— a) 零偏; b) 零偏稳定性; c) 零偏重复性(逐次、逐日)。 5.1.3 阈值 5.1.4 随机游走系数 5.2 振动环境性能 5.3 冲击试验 5.4 标度因数、零偏、零偏稳定性与环境温度项目综合测试 a) 标度因数温度灵敏度; b) 零偏温度零敏度; c) 陀螺启动时间; d) 温度梯度对陀螺零偏的影响。 6 测试方法 6.1 标度因数 6.1.1 标度因数数值 6.1..1.1 测试设备 a) 具有角度输出的速率位置转台(速率平稳度优于5×10-3，测 量范围大于?0.001?/s ~ ?500?/s); b) 陀螺输出测试和记录装置; c) 陀螺测试专用工装夹具。 6.1.1.2 测试程序 陀螺仪通过安装夹具固定在速率转台上。在输入角速率范围内， ——————————————————————————————————————————————— 按GB321的R5系列，适当圆整，均匀删除后选取输入角速率，在正转、反转方向输入角速率范围内，分别不能小于11个角速率档，包括最大输入角速率。当速率平稳时进行测试。程序如下: a) 转台加电，设定转台的转动角速度、速率值和转动方向，接通陀螺仪电源，预热一定时间。转台输入角速率按从小到大的顺序改变，转台正转测试陀螺仪输出，停转;转台反转，测试陀螺仪输出停转; b) 设定采样间隔时间为1S及采样次数，测试陀螺仪测试陀螺仪输出量，求得该输入角速率下陀螺仪输出的平均值; 6.1.1.3 计算方法 设Fj为第j个输入角速度时光纤陀螺仪输出的平均值，标度因数绝对值计算方法见公式: 1Fj=N?F p?1Njp…………………………………..(1) 式中: Fj—陀螺仪第P个输出值，N—采样次数。 转台静止时陀螺输出的平均值为: 1Fr?(Fs?Fe)………………………………(2) 2 式中: —测试开始时，陀螺仪输出的平均数值; —测试停止时，陀螺仪输出的平均数值。 去零后均值后，第j个输入速度?ij时陀螺仪输出值为: Fj?Fj?Fr………………………….…………(3) 建立光纤仪输入输出关系的线性模型: Fj?K??ij?F0?vj…………………..………..(4) ——————————————————————————————————————————————— 式中:K—标度因数;F0—拟合零位;?j —拟合误差。 用最小二乖法求K、F0: M1M ?ij?Fj???ij??Fj?Mj?1j?1…………………(5) K?j?1 MM1?2 ij?(??ij)2?Mj?1j?1M 1F0?M 6.1.2标度因数非线性度 6.1.2.1 测试设备 测试设备同6.1.1.1条。 6.1.2.2 测试程序 测试程序同6.1..1.2条。 6.2.2.3 计算方法 KF??jMj?1M??j?1Mij…………………………(6) 式中:M—输入角速率个数。 测试数据按6.1.1.3处理，用拟合直线表示光纤陀螺仪输入输出关系见公式(7): ? (7) Fj?K??ij?F0………………… 按公式(8)计算光纤陀螺仪输出特性的逐点非线性偏差: ?Fj?Fj?j? Fm 按公式(9)计算标度因数非线性度: Kn?maxaj…………………(8) …………………(9) 做出光纤陀螺仪输出非线性偏差曲线(横坐标表示输入角速度，纵坐标表示非——————————————————————————————————————————————— 线性偏差)。 6.1.3 标度因数不对称度 6.1.3.1 测试设备 测试设备同6.1..1.1条。 6.1.3.2 测试程序 测试程序同6.1..1.2条。 6.1.3.3 计算方法 测试数据按6.1.1.3处理，分别求出正转、反转输入角速度范围内光纤陀螺仪标度因数及其平均值，按公式(10)~(11)计算标度因数不对称性: K??K(?)?K(?) K…………………(10) ?K(?)?K(?) 2…………………(11) 6.1.4. 标度因数重复性(包括逐次、逐日重复性) 6.1.4.1 测试设备 测试设备同6.1.1.3条。 6.1.4.2 测试程序 按6.1.1条，重复6,8次测试陀螺仪标度因数，两次测试之间陀螺仪及其辅助设备关机30min冷却至室温。 6.1.4.3 计算方法(包括逐日、逐次重复性) 按公式(12)计算标度因数重复性: Q1?12?Kr??(K?K)?i?k?(Q?1)i?1? …………………(12) 式中: ——————————————————————————————————————————————— Kr —标度因数重复性，%，ppm ; Q —测试次数; Ki—第i次测试的标度因数。 6.2 最大输入角速率 按6.1条，测试陀螺仪标度因数，在最大输入角速率处，陀螺仪输入/输出特性应满足标度因数非线性度的性能要求。 当陀螺仪最大输入角速率达到500?/S时，不再继续测量更大输入角速率。 6.3 零偏及零偏稳定性 6.3.1 .1测试设备 a、大理石隔振平台; b、测量和记录陀螺仪输出的装置; c、专用工装 6.3.1.2 测试程序 陀螺仪通过安装夹具固定在平台上。陀螺仪IRA垂直与平台面。 程序如下: 设定采样间隔为1S，10S平滑，测试时间1小时，对陀螺仪输出量进行采样测试。 6.3.1.3 计算方法 Bo?1*(含当地地球自转分量)………..………..(13) K 测试结果为按式(13)计算出零偏、扣除地球自转分量后的值。 对测量数据分别进行10S平滑后，按下式分别计算其零偏稳定性: ——————————————————————————————————————————————— ?1?12Bs??(Fi?)??K?N?1i?1?…………………………………..(14) n6.3.2 零偏重复性(包括逐日和逐次重复性) 6.3.2.1 测试设备 测试设备同6.3.1 .1条。 6.3.2.2 测试程序 陀螺仪安装方式同6.3.1 .2条。 程序如下: a、接通陀螺仪电源; b、设定采样间隔为1S，每次测试1小时。 c、将陀螺仪及专用工作设备全部关机，在室温中冷却0.5小时，重复步骤a ~ c; d、一个测试周期包括6,8次的测试数据。 6.3. 2.3 计算方法 每次的测试数据，按4.2.1.3条进行处理，求出零偏后，按下式计算出8次测试的零偏重复性。 ?1?Br??(Boi?o)2???Q?1i?1?………………………………….(15) Q式中:Br,零偏重复性 B,零偏 Q,测试次数 6.4 阈值 6.4.1 测试设备 a、 双轴位置台; ——————————————————————————————————————————————— b、 测量和记录陀螺仪输出的装置; c、 专用工装。 6.4.2 测试程序 陀螺仪通过安装夹具固定在双轴转台上。陀螺仪IRA在水平面内，将IRA精确指向东或西，对准精度在若干角秒之内。 程序如下: a、依次改变陀螺仪IRA与东向之间夹角?j，由北向东或由南向东，使得IA 上输入不同和地球自转速率分量; b、陀螺仪在不同?j下，IA输入不同的角速率值，测试陀螺仪输出的平均值， 先计算出光纤陀螺仪标度因数;不断改变IRA与东向夹角5?、4?、3?、2 ?、1?、40′、26′、20′、 10′、5′、正东，测试陀螺仪输出;直到测 试出正转待定阈值; c、将IRA精确指西，以相同的方法测试反转待定阈值; d、将测得的正反转待定阈值取绝对值，其最大值即为陀螺仪阈值。 6.4.3 计算方法 确定陀螺仪IRA与东或西向夹角，IRA输入不同的地球自转角速率如下式: 1K?Fj?Bo??c?cos??sin?j…………………………(16) K 式中:Fj陀螺仪输出的平均值; ——————————————————————————————————————————————— (o/h); B0——零偏，(o/h); ?c——地球自转角速率，?——试验场所地理纬度角，(o); ?j——第j个IRA偏角，(o); Fj?Fj Fj?50%的最小输入角速率?使得计算值Fj与实际测量值Fj满足 即为待定阈值。 6.5 随机游走系数(RWC) 6.5.1 测试设备 测试设备同6.3.1 .1条。 6.5.2测试程序 按6.3.1.2条的方法，设定初始采样间隔10s及测试时间1h，测量陀螺输出量，得一组初始样本序列。 6.5.3计算方法 方法一 归一化计算法 a、按本条方法一的计算方法a、b处理数据; b、计算出当k?1?1S时的陀螺仪零偏稳定性Bs(1), Bs(1)又称为噪声等效 速率NER(?),按下式计算陀螺仪随机游走系数 RWC=NER(?)??1/2……………………………(17) 方法二 采用国外常用的方法:直接由零偏稳定性求得。 RWC=Bs??1/2/60……………………………(18) 式中: RWC—随机游走系数，oh?1/2 Bs —零偏稳定性，o/ h ?—采样间隔时间，S 6.6 振动、冲击试验 ——————————————————————————————————————————————— 6.6.1 实验设备 a) ES-10-240/LT0605电动振动试验系统(1×10 N推力); 使用频率范围:5-3000HZ; b) 陀螺输出测量和记录装置; c) 振动、冲击专用工装夹具 6.6.2 实验程序 a) 将陀螺仪通过工装固定在振动台上，使IRA与振动台的轴平行; 4 b) 接通陀螺仪及检测电路电源，预热若干时间后，按6.3.1.2条测量5分钟，并记录振动前陀螺仪的输出数据; c) 施加振动，在振动过程中以1S(或50ms)采样时间进行采样，并记录陀螺仪的输出值; d) 振动结束后继续工作采集5分钟，记录陀螺仪的输出值; e) 施加冲击前重复上述(b和c)两个步骤，施加冲击; f) 冲击结束后，陀螺仪继续工作采样5分钟，记录冲击后的陀螺输出值; g) 陀螺仪OY、OZ轴方向的振动、冲击试验同样可按a,f步骤进行试验。 6.6.3 数据处理 对所测得数据的振前、振中和振后的陀螺数据6.3.1.3条进行处理，得到陀螺的零偏值和零偏稳定性，并给出扫频中谐振峰的个数和幅值及冲击的实验结果。 6.6.4 振动、冲击条件 ——————————————————————————————————————————————— 6.6.4.1 随机振动 a) 见下图: b) 敏感轴振动时间:10min ; c) 垂直于敏感轴的振动时间:10min ; 6.6.4.2 正弦扫描振动 a) 振动频率:10HZ,2000HZ,10HZ ; b) 振动量级:10HZ,50HZ -0.4mm,+0.4mm ; c) 振动时间:敏感轴10min 垂直于敏感轴30min ; 6.6.4.3 冲击试验条件 a) 冲击:峰值加速度70 g?5g，半正弦波; b) 持续时间:11ms ; c) 冲击次数:3次(包含敏感轴方向和垂直敏感轴方向) 6.7 磁环境试验 6.7.1 测试设备 a) 陀螺仪输出测量和记录装置; b) 专用夹具; c) 磁场发生器设备 6.7.2 测试程序 a) 将陀螺仪放在磁场发生器中; b) 加磁场前，按6.3.1.2条的方法测试陀螺的零偏输出值，测量时间10分钟; c) 沿陀螺仪才、三个方向分别施加磁场后，分别测试陀螺仪零偏，测试时间分钟。 ——————————————————————————————————————————————— 6.7.2 数据处理 对所测得的数据按6.3.1.3条进行处理 BI，X，Y= (BhI，X，Y-B0)/H …………………………(19) 式中: BI，X，Y—分别为沿陀螺仪IRA、OX、OY方向加磁场时，零偏磁场灵敏 度，?/h/Gs ; BhI，X，Y—加磁场后的陀螺仪零偏，?/h ; B0—加磁场前的陀螺仪零偏，?/h ; H—磁场强度，Gs 。 6.8 陀螺仪长期稳定性试验 所需仪器和数据处理同6.3条，在室温条件下，陀螺每天通电6-8小时，连续工作一段时间(至少,个月)，每日测试零偏和零偏稳定性。 6.9 高低温相关参数测试 6.9.1 测试设备: a) 带温箱的速率转台 b) 测试和记录装置 c) 专用工装。 6.9.2 测试过程: 6.9.2.1 固定温度下陀螺零偏和标度因数变化的测试: 测试光纤陀螺在多个温度点下(如:-40?、-20?、0?、25?、40?、60?)的标度因数、零偏指标。(下表所述为一种建议的测试——————————————————————————————————————————————— 顺序) 表1光纤陀螺固定温度点性能测试 光纤陀螺完成恒温性能测试，按5.6.1、5.6.6所列方法，进行以下计算: a) 按表3测试，计算6组陀螺零偏值、零偏稳定性、零偏温度敏感度; b) 按表3测试，计算全温范围零偏重复性及零偏温度灵敏度; c) 按表3测试，计算全温范围内的标度因数重复性，标度因数温度灵敏度。 6.9.2.2 温度梯度对陀螺零偏的影响测试: 使环境温度按设定规律变化，测试光纤陀螺在温度变化时零偏的变化特性。下表所述为一种试用的测试过程。 表2光纤陀螺温度循环性能测试 测试完成后，计算光纤陀螺整个温度循环下的零偏稳定性。 ———————————————————————————————————————————————