一种提高光纤陀螺仪角位移测量精度的方法

摘要

本发明公开了一种提高光纤陀螺仪测量角位移精度的方法，包括以下步骤：1)将光纤陀螺仪固定在高精度转台上，使得光纤陀螺仪的测量轴和高精度转台的转动轴平行。2)在不同的转台输入角速率下标定光纤陀螺仪的标度因数，获得角速率跟标度因数的对应关系表。3)将光纤陀螺仪从高精度转台上取下并固定在被测旋转装置上，使得光纤陀螺的测量轴和被测旋转装置的转动轴平行。4)在被测旋转装置静止条件下求测试时间内光纤陀螺仪输出值的平均值，5)旋转被测旋转装置，连续记录光纤陀螺仪的各输出值。6)利用步骤2)所述的对应关系表、步骤4所述的输出平均值、步骤5)所述的各输出值，解算出旋转装置的旋转角度，即角位移。

说明书

技术领域

本发明设计测量技术，尤其涉及提高光纤陀螺仪测量角位移的测量精度的技术。

背景技术

光纤陀螺仪是测量角速度的传感器，如果将光纤陀螺仪安装于旋转装置上，测量旋转装置的角速度并积分，就可以得到旋转装置因旋转所发生的角位移。因光纤陀螺仪具有体积小、启动时间短的特点，尤其适合角位移测量方面的应用。

光纤陀螺仪是测量角速度的传感器，其输出表达式为：

F＝KΩ+D₀                (5)

式中，F为光纤陀螺仪输出，K为光纤陀螺仪标度因数，Ω为输入角速度，D₀为光纤陀螺仪的零偏。K和D₀为事先标定的量，则根据光纤陀螺仪的输出F就可以解算出输入的角速度Ω。当光纤陀螺仪和被测旋转装置固定且输入轴和被测旋转轴平行时，其所测得的角速度即为被测旋转装置的角速度，对其进行积分，就可以获得被测旋转装置的角位移。

这种方法，首先，将光纤陀螺仪安装于被测旋转装置上，使光纤陀螺仪的测量轴与转动轴平行，然后在静止状态下测试时间t内光纤陀螺仪的输出均值f₀，此时光纤陀螺仪所测的是地球自转角速度在其输入轴上的投影Ω₀：

f₀＝KΩ₀+D₀                (6)

然后，将被测旋转装置转动一个角度并在此过程中连续记录光纤陀螺仪的输出值f_i，i为记录计数，此时光纤陀螺仪所测的是地球自转角速度在其输入轴上的投影Ω₀和转动被测装置旋转过程中的角速度Ω_i之和：

f_i＝K(Ω₀+Ω_i)+D₀          (7)

将转动过程中所测得的所有光纤陀螺仪输出值f_i(i为记录计数)先减去f₀，就得到了被测旋转装置2转动过程中的角速度Ω_i：

Ω_i＝(f_i-f₀)/K             (8)

再将角速度积分，即得到旋转的角位移θ：

θ＝∫Ωdt                 (9)

在测量过程中，光纤陀螺仪测量角位移的误差来自两个方面，首先是光纤陀螺仪标度因数的误差，目前，光纤陀螺仪的标度因数非线性度优于10ppm，完全可以保证转动角度不超过360度时，计算的平均角位移误差小于5角秒；其次是光纤陀螺仪随机漂移的误差，目前此误差的量级可达到优于0.02度/小时，即0.02角秒/秒，在短时测量中，此误差造成的影响可忽略不计。从总体性能上分析，基于光纤陀螺仪的角位移测量方法的测量精度可以达到优于5角秒。

这种方法能实现比较的高的精度，但是未考虑到光纤陀螺的标度因数跟输入角速度的非线性关系，在整个测量范围内使用唯一的标度因数，导致结果的不够精确。如果能够对标度因数进行适当的补偿，就能够提高光纤陀螺仪测量角速度的精度。

发明内容

本发明的目的是针对光纤陀螺仪测量角速度方法的不足，提供一种提高光纤陀螺仪角位移测量精度的方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：其提高光纤陀螺仪角位移测量精度的方法包括如下步骤：

1)将光纤陀螺仪2固定在高精度转台1上，使得光纤陀螺仪2的测量轴和高精度转台1的转动轴5平行。

2)使高精度转台1分别以不同的角速率值进行旋转且对光纤陀螺仪2进行标度因数的标定，并记录各角速率值下光纤陀螺仪2的标度因数的标定值，建立角速率值与光纤陀螺仪2的标度因数的标定值之间的对应关系表；

3)将光纤陀螺仪2从高精度转台1上取下，再将光纤陀螺仪2固定在被测旋转装置6上，使光纤陀螺仪2的测量轴与被测旋转装置6的转动轴7平行；

4)在被测旋转装置6处于静止状态下，运算处理单元4接收光纤陀螺仪2的输出值并计算测试时间内的输出值的平均值；

5)使被测旋转装置6旋转一个角度，在该旋转过程中由运算处理单元4连续记录光纤陀螺仪2的各输出值；

6)根据步骤5)所述的光纤陀螺仪2的各输出值，利用公式(1)，相应得到被测旋转装置6在旋转过程中的各参考角速率，

Ω_iREF＝(f_i-f₀)/K_REF             (1)

式(1)中，Ω_iREF为步骤5)所述的被测旋转装置2在第i次记录时的参考角速率，f_i为步骤5)所述光纤陀螺仪2的各输出值，f₀为步骤4)所述输出值的平均值，K_REF为设定的光纤陀螺仪参考标度因数。

7)根据步骤6)得到的各参考角速率，从步骤2)所述对应关系表中查找得到步骤5)所述光纤陀螺仪2的各输出值所分别对应的光纤陀螺仪2的标度因数；

8)根据步骤7)所得到的光纤陀螺仪2的各标度因数、步骤4)所述输出值的平均值、步骤5)所述光纤陀螺仪的各输出值，利用公式(1)和(2)得到被测旋转装置6因旋转得到的角位移：

Ω_i＝(f_i-f₀)/K_Ωi            (2)

θ＝∫Ω_idt                  (3)

式(2)和式(3)中，f_i(i为记录计数)为步骤5)所述光纤陀螺仪2的各输出值，f₀为步骤4)所述输出值的平均值，K_Ωi为步骤7)所得到的与f_i对应的光纤陀螺仪2的标度因数；Ω_i为步骤5)中被测旋转装置6在旋转过程中与f_i对应的角速率，θ为步骤5)中被测旋转装置6在旋转过程中所发生的角位移。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明使高精度转台分别以不同的角速率值进行旋转且对光纤陀螺仪进行标度因数的标定，建立角速率值与光纤陀螺仪的标度因数的标定值的对应关系表，从而在角位移的测量中实现对光纤陀螺仪的标度因数的分段标定，由此将光纤陀螺仪的标度因数非线性度提高到1ppm，因此能将光纤陀螺仪测量角位移的精度提高到1个角秒。

附图说明

图1是提高光纤陀螺仪测量角位移精度方法中的对光纤陀螺仪标度因数进行分段标定的示意图；

图2为提高光纤陀螺仪测量角位移精度方法中的利用分段标定后的光纤陀螺仪对被测选装装置进行角位移测量的示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明运算处理单元的处理流程图。

其中，1.高精度转台，2.光纤陀螺仪，3.通信线缆，4.运算处理单元，5.高精度转台的转动轴，6.被测旋转装置，7.被测旋转装置的转动轴。

具体实施方式

光纤陀螺仪是测量角速度的传感器，其输出表达式为：

F＝KΩ+D₀                            (5)

式(5)中，F为光纤陀螺仪输出，K为光纤陀螺仪标度因数，Ω为输入角速度，D₀为光纤陀螺仪的零偏。K和D₀为事先标定的量，则根据光纤陀螺仪的输出F就可以解算出输入的角速度Ω。当光纤陀螺仪和被测旋转装置固定且输入轴和被测旋转轴平行时，其所测得的角速度即为被测旋转装置的角速度，对其进行积分，就可以获得被测旋转装置的角位移。

下面结合附图对本发明作进一步说明(参照图3)：

本发明中采用高精度转台1先对光纤陀螺仪2的标度因数进行分段标定，为此，高精度转台1的速率精度需为国军标1级速率精度。

参照图1，首先，将光纤陀螺仪2安装在高精度转台1上，使光纤陀螺仪2的测量轴与高精度转台1的转动轴5平行，在图1中，光纤陀螺仪2的测量轴和高精度转台1的转动轴5重叠，但是本发明只要求光纤陀螺仪2的测量轴与高精度转台1的转动轴5平行即可。

对光纤陀螺仪2的角速率测量量程内取m个角速率值，将整个量程分为m+1段，并将用于这些设定的角速率之Ω_i去控制高精度转台，对光纤陀螺仪2的标度因数进行标定，获得各个角速率下的标度因数的标定值K_Ωi，并将这些数据输入运算处理单元4，由运算处理单元4根据这些数据建立如表1所示的光纤陀螺的角速率和标度因数之间的对应关系表，如图4所示。

表1

参照图2，将光纤陀螺仪2从高精度转台1上拆下，并安装于被测旋转装置6上，使光纤陀螺仪2的测量轴与被测旋转装置6的转动轴7平行。在图2中，光纤陀螺仪2的测量轴和被测旋转装置6的转动轴7重叠，但是本发明只要求光纤陀螺仪2的测量轴与被测旋转装置6的转动轴7平行即可。

保持被测旋转装置6在静止状态下，由运算处理单元4记录光纤陀螺仪2的输出值，并求得测试时间内光纤陀螺仪2的输出值的平均值f₀，如图4所示，此时光纤陀螺仪2所测的是地球自转角速度在其输入轴上的投影Ω₀：

f₀＝K₀Ω₀+D₀                      (6)

式中，K₀为光纤陀螺仪2在角速率Ω₀下的标度因数，D₀为光纤陀螺仪2的零偏。

将被测旋转装置6转动一个角度，并在旋转过程中由运算处理单元4连续记录光纤陀螺仪2的各输出值f_i(i为记录计数)，如图4所示。此时光纤陀螺仪2所测的是地球自转角速度在光纤陀螺仪2的测量轴上的投影Ω₀和被测旋转装置6在旋转过程中的角速度Ω_i之和：

$f_i=K_{\mathrm{\Omega i}}^{*}({\Omega }_0+{\Omega }_i)+D_0---\left(10\right)$

式中f_i为步骤5)所述光纤陀螺仪(2)的各输出值，为光纤陀螺仪在角速率(Ω_i+Ω₀)下的标度因数，Ω_i为步骤5)中被测旋转装置(6)在旋转过程中与f_i对应的角速率，Ω₀是地球自转角速度在其输入轴上的投影，D₀为光纤陀螺仪2的零偏。

考虑到地球自转角速度分量相对输入角速度Ω_i来说比较小，以及标度因数一般情况下5ppm的非线性度，可得近似得到下式：

$f_i=K_0{\Omega }_0+K_{\mathrm{\Omega i}}^{*}{\Omega }_i+D_0---\left(11\right)$

同样基于标度因数在一般情况下5ppm的非线性度，可以给光纤陀螺仪设定一个参考标度因数K_REF，通常，该值可以取步骤2)中所述的各个角速率下的光纤陀螺仪的标度因数标定值K_Ωi的平均值。由此通过参考标度因数K_REF，利用式(1)计算得到步骤5)所述的被测旋转装置第i次记录时的参考角速率值。

Ω_iREF＝(f_i-f₀)/K_REF                  (1)

式中，f_i为步骤5)所述光纤陀螺仪2的各输出值，f₀为步骤4)所述输出值的平均值，K_REF是光纤陀螺仪的参考标度因数。Ω_iREF为步骤5)所述的被测旋转装置2旋转时由光纤陀螺仪输出的第i次记录的参考角速率。

由运算处理单元4根据步骤2)所得的光纤陀螺仪角速率与标度因数之间的对应关系表，查表获得光纤陀螺在参考角速率Ω_iREF下的标度因数

利用式(6)和式(11)可以得到：

${\Omega }_i=(f_i-f_0)/K_{\mathrm{\Omega i}}^{*}---\left(12\right)$

式中，为光纤陀螺仪2在角速率(Ω_i+Ω₀)下的标度因数。f_i为步骤5)所述第i次记录的光纤陀螺仪2的输出值，f₀为步骤4)所述输出值的平均值。

由运算处理单元4将式(12)所得的角速度积分，即得到步骤5)所述的被测旋转装置6因旋转所发生的角位移θ：

θ＝∫Ω_idt                (6)

这种方法计入了标度因数跟输入角速度之间的关系，使得误差不会在积分过程中得到累加，目前光纤陀螺仪的标度因数非线性度约为5ppm，在本发明中分段标定标度因数，可以使得标度因数非线性度提高到1ppm，而且理论上分段数越多，标度因数非线性度越好，因此可以提高积分的精度。综合情况下，本发明之方法可以提高光纤陀螺仪测量角度的精度达到1个角秒。