[论文]光纤陀螺输入轴失准角温度补偿研究 [复制链接]

摘要: 提高温度特性是光纤陀螺仪工程化的一个难题, 温度补偿是解决该问题的一种有效方法。光纤陀螺与温度相关误差项主要为零漂和标度因数, 输入轴失准角也是影响光纤陀螺应用的一个重要误差项。在大量试验的基础上, 分析了光纤陀螺输入轴失准角误差产生机理, 采用多项式拟合方法建立了输入轴失准角误差全温模型, 对多套光纤陀螺进行了全温补偿。试验结果表明, 输入轴失准角补偿前全温变化在rad数量级, 补偿后全温变化小于精度提高了近一个数量级, 大大提高了光纤陀螺仪的全温性能。 /W f.Gt9[  
关键词: ; 光纤陀螺仪; 输入轴失准角; 温度补偿 Lwm /[  
中图分类号: V241. 5 文献标识码: A文章编号: 1000- 8829( 2010) 10- 0006- 03 m@I
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Temperature Compensation Research on InputAxisMisalignment of FOG XmwR^  
JI Sh i..tao1, QIN Yong..yuan1,LAN Yan2, L IU Zh i..rong2 UWqiA`,  
( 1.Schoo l o f Autom ation Contro,l Northw este rn Po lytechn icalUn iversity, X i! an 710072, <st1:country-region w:st="on">China; n]3'N58  
( 2.Institute No. 16 o f Ch ina Ae rospace Sc ience and Technology Corpo ration,Xi! an 710100, <st1:country-region w:st="on">China) Exv!!0Cd^  
k[pk R{e  
Abstract: Improv ing thetemperature performance is a difficult prob lem in fiber..opt ic gyro(FOG ) engineering.Temperature compensation is an effectivemethod for so lv ing the prob lem. The errors of FOG involved w ith tem..perature are zero b ias and sca le factor.Input ax ism isa lignm ent is ano ther important errorw ith temperature. On the basis o fmany experiments, theme chanismis ana lyzed, the input ax ism isa lignmen t! s fu ll sca le temperature errormode l is established by using polynomial fitting method. The fu ll scale temperature compensat ions for some FOGs are carried out. The experim entresult show s that input ax ism isa lignmen t can be improved from a.. sAA;d  
bout 2 10- 3 rad to less than 3 10- 4 rad.The prec ision can be improved about a quantitatively leve.l The fu ll..scale temperature performance o fFOG is improved. |'o<w ]hc  
Key words: inertia dev ice; fiber..opticgyro; input ax is m isa lignmen;t temperature compensation

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与传统机械式惯性仪表不同, 光纤陀螺仪为一种全固态惯性仪表, 内部无机械转动部件, 其主要特点是体积小、重量轻、启动快、功耗低、动态范围大、抗振动和冲击能力强等, 因此, 光纤陀螺仪被认为是一种极具发展前途的惯性仪表。国内光纤陀螺仪的研制已进入了工程化应用阶段, 很多军用和民用的领域正在尝试使用光纤陀螺仪代替传统的惯性仪表。 -2C^M> HZ  
光纤陀螺仪在实际使用过程中, 根据应用的领域不同需要测试与补偿的误差项也不尽相同, 但是, 大多数领 'OU3-K  
域中需要研究的误差项为陀螺零偏误差和标度因数误差。在光纤陀螺仪的应用中, 笔者发现光纤陀螺仪输入轴失 e?GzvM'2  
准角误差(简称: 失准角误差)也是一个不可忽略的误差项, 特别是光纤陀螺仪要求具有较宽的工作温度范围( - 40~ + 60 .)时, 陀螺失准角误差是一个必须要考虑的误差项。构成光纤陀螺仪的主要器件, 比如SLD光源、耦合器、集成光学器件、光纤线圈等, 对温度比较敏感, 当工作环境温度发生变化时, 光纤陀螺零偏和标度因数变化, 光纤陀螺失准角也发生偏移。在很多情况下, 失准角偏移导致的误差要大于标度因数误差对系统精度的影响, 并最终导致光纤陀螺仪无法满足全温范围的要求。在现有的元器件质量和工艺条件下, 尝试进行失准角误差测试与全温补偿具有非常现实的意义, 光纤陀螺全温度范围

误差补偿可实现性强, 成本低且效果好, 这也是光纤陀螺走向实用化的必要环节[ 1- 2]。 ?. L]QU  
1.光纤环误差分析 dL1{i,M  
导致光纤陀螺仪温度误差的原因很多, 光纤环本身的温度特性是其中重要一项。分析光纤陀螺的温度特性首先要考虑光纤环的特性。目前国内光纤环的制造中常用的技术为: 光纤骨架采用硬铝加工, 光纤环绕制采用四级对称绕制, 光纤环的固化采用光固化胶或者热固化胶。 $/E{3aT@F2  
光纤环受温度影响会产生非互易相移, 沿光纤线圈长度为L 上距离端点A 为z 处的一段光纤产生的非互易相移为（1）从式 （1） Pn?gB}l  
中可知, 环境温度变化引起的相移与温度变化率dT ( z, t ) /dt和位置的权因子( L - 2z ) 成正比, 距离光纤环中点越远, 权因子越大。最重要的是,相对于光纤中点的两段光纤上热扰动所引起的非互易相移可以抵消, 这也是普遍采用四级对称绕制的原因。 XWB#7;,R  
但是, 光纤环在实际制造过程中存在很多问题, 比如: Q[T)jo,j%  
①光纤环在绕制过程中应力不均匀, 特别是与骨架接触的最内层光纤,骨架的热膨胀系数与光纤的热膨胀系数不匹配;. ki?V eFp  
②光纤环在绕制过程中没有严格关于中点对称,或者是光纤长度计量不准确; uy|]@|J  
③光纤骨架加工存在缺陷, 硬铝材料的应力释放不均匀; BG1hk!  
④光纤固化胶在绕制过程中涂抹不均匀等。 0OtUb:8LX  
以上诸多因素可以导致光纤环在使用过程中温度特性变差, 难以达到理论分析的精度。 Izfq`zS+\s  
2. 输入轴失准角误差分析 #zb67mg~  
输入轴失准角#m (inpu t ax is m isalignment)定义为光纤陀螺安装面垂直轴IRA ( input reference ax is)与输入轴IA 之间的夹角。光纤陀螺仪输入轴IA表示垂直于光纤环圈等效平面的轴, 当陀螺仪绕IA 轴旋转时将引起最大输出量。光纤陀螺仪失准角如图1所示。 1 a%1C`d  
 ftV~!r  
图1.. 光纤陀螺失准角示意图 oRmA\R*  
光纤陀螺仪失准角是一个综合误差项, 包括多个误差项的累加, 如台体结构件的稳定性、安装面误差和光纤环形变等。失准角误差可以分为常值误差和温度敏感误差, 常值误差主要由陀螺台体结构件加工精度、陀螺安装面平面度和光纤环安装误差等因素导致, 常值误差不随陀螺仪的使用环境变化而发生变化; 温度敏感误差可以用失准角温度灵敏度的概念表示, 即光纤陀螺输入轴失准角的变化量与温度变化的比值, 单位为rad / . 1 。光纤陀螺仪失准角受温度影响的机理大致有下面几种情况: 一种情况为光纤环采用保偏光纤绕制, 绕制过程中一般采用杨氏模量较小的固化胶进行固定, 固化胶的用量在实际绕环中很难控制, 光纤环内部胶分布不均匀会导致光纤环受温度影响产生物理尺寸形变; 另外一种情况为光纤环在绕制过程中, 内部应力释放不均匀, 导致在温度不同的情况下导光特性发生了改变, 光纤环随制造工艺的不同, 光纤环光学矩阵参数很难确定, 误差产生机理定位十分困难。 [a#*%H{OC  
根据测试数据分析, 失准角随温度变化的原因是光纤环本身的温度特性, 该误差量相对于温度呈近似 |A=~aQot  
线性关系。如 图2为光纤陀螺相对于两个投影面的失准角随温度变化的数据。 5VGZ5,+<<  
|Fx~M,Pzg  
图2.. 光纤陀螺失准角全温测试 AG Gxx?I  
在实际使用中, 失准角的变化将直接导致光纤陀螺仪标度因数误差增大, 失准角的变化量与标度因数误差的对应关系可表示为: ..K = 1-cos( #m ), ..K 为标度因数的变化量, 对于具体陀螺大致可以表示为表1。实测多套光纤陀螺仪, 失准角在较宽的温度范围( -40~ + 60 . )变化量大致在2 10- 4 rad, 相当于标度因数误差近100ppm, 所以, 在光纤陀螺测试与使用表1 ..表1 失准角与标度因数对应表

Ma ]*Pled  
3. 测试方法 - G=doP0  
光纤陀螺输入轴失准角测试方法应根据产品的应用特点确定1 , 比如, 光纤陀螺仪已经装配到惯性测量单元中, 且配有精密的测试工装, 在测试过程中就可以不考虑定位夹具的误差。为了克服地球自转角速率对于测试精度的应用, 应采取两方面的措施: & 精确控制转台圈脉冲, 保证采集到的陀螺数据为整周期; .转台的转动角速率应较大, 分析可知, 在. 5 ( +) / s时地球自转角速率影响可以忽略。 tR?)C=4,  
把光纤陀螺仪OY 轴向上平行于转台轴, 转台按照固定角速率正向转动一周, 采集陀螺输出平均值; 再反向转动一周, 采集陀螺输出平均值, 计算IA 在YOZ平面内投影与IRA 的夹角 Ai`0Ud,M@  
  ( 2) )s ?Hkn  
式中, F ( Y+ )和F ( Y- )为转台正反转动一周陀螺输出量的平均值; % 为转台转动角速率; K 为陀螺标度因数。 a0`(*#P  
把光纤陀螺仪OX 轴向上平行于转台轴, 测试方法同OY轴相同, 计算IA 在XOZ 平面内投影与IRA 的夹角 lQ2vQz-J  
  ( 3) /!hxW}>^  
光纤陀螺IA 轴与IRA 之间夹角 T7(U6yN  
  ( 4) W;F=7[h  
4.误差建模 ;a(7
%  
光纤陀螺失准角全温度范围测试中, 选取多个温 {t('`z  
度点保温后进行失准角测试, 温度点的选取应在全温 "OrF81  
度范围内均匀分布。建立失准角数据与温度T 的函 jZ<f-Ff0  
数, 可以采用工程上常用的多项式拟合方法[ 5- 7] 。 -]:1zU  
#(T ) = a0 + a1T + a2T 2 + , + anT n ( 5) c:-n0m'i  
  建立误差模型就是要确定式( 4)中的各项系数和 ca'c5*Fs  
阶数, 合适的误差模型中第n + 1项系数应为0, 或者说, 误差模型为 的线性组合。 A-u}&}l<  
多项式模型阶次按照实用准则判断, 首先, 失准角误差随温度大致是线性变化的, 按照一阶多项式拟合误差#~ (T ) = a0 + a1T, 计算模型逼近的参差e= #~ (T ) - #m。如果参差e满足陀螺指标要求, 该模型就是实用的; 如果参差e不满足指标要求, 再按照二阶多项式拟合, 然后用参差判定模型的可行性。在工程使用中,建立的误差模型需要反复的测试验证, 模型的阶次应在补偿结果满足使用要求的情况下尽量采用低阶次,减少测试误差和系统计算量。 z'Ut9u  
经过测试发现, 光纤陀螺失准角按照一阶多项式拟合就可以满足精度要求。多个温度点测试光纤陀螺失准角后, 利用最小二乘拟合可以得到失准角模型系数:   式中, k 为失准角温度系数; #0 为合失准角常值项。光纤陀螺仪全温输出误差模型为
u X(#+  
( 6) M1K[6V!  
式中, N 为陀螺输出的数字量; [ ∋ ] 3 1为陀螺输入转动角速度; D 为陀螺的零偏; K 为陀螺的标度因数。 ZP
<OyX?  
5 全温补偿实例 6PMu*-Nv!j  
采用该补偿方法对多套光纤陀螺仪进行了全温误差补偿, 均取得了较好的效果。下面是一套光纤陀螺仪实际补偿的实例, 经过补偿后, 输入轴失准角的精度可以提高一个数量级。 R`%O=S*]  
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x  
图3 失准角∀m 全温补偿 ]ia{N  
uAV-wc  
图4 失准角&m 全温补偿(下转第12页) Ro#O{  

输入轴失准角测试采用10个温度点测试, 从- 40~ 60 ∀ 每隔10 ∀ 为一个测试点, 测试速率选用一个速率点5( +) / s。测试中, 光纤陀螺需要采集整周期的数据, 输入角速率为5( +) / s时, 可以计算地速对于测试精度的影响可以忽略不计。利用最小二乘拟合得到了失准角常值项#0 和温度系数k。失准角∀m、&m 全温补偿误差曲线如图3 、图4所示。从补偿后测试结果来看, 输入轴失准角全温度范围的变化可以有效地完成补偿, 补偿前失准角变化在2 10- 3 rad 的量级, 补偿后失准角的变化小于310- 4 rad, 精度可以提高近一个数量级。浪涌曲线的。通过计算机突加载、减载, 测得过压、欠压曲线如图7所示, 浪涌曲线均在要求的限制曲线范围之内, 完全满足要求。    YS>VQl  
经试验证明, 该系统操作简便、测量精度高, 系统 S"R(6:hkgu  
4z^VwKH\j  
图7 浪涌电压测试结果 :?\Je+iA  
mHc5NkvQC  
的灵活性和可扩展性强, 能够准确快速地检测飞机电源浪涌电压, 从而为飞机电源系统的维护和检修提供了可靠依据。该系统现已成功应用于某飞机研究所。 nO8e'&|  
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(上接第8页) YvFt*t
 
对多套光纤陀螺系统进行了失准角误差建模与补 kp,$ NfD  
偿验证, 均取得了较好的效果, 试验结果如表2 所 i5czm?x  
表2 失准角温度补偿结果 (q=),3/<pU  
+wm%`N;v<  
6 结束语 Gi,4PD-ro  
本文介绍了一种光纤陀螺仪输入轴失准角误差补偿技术。由于光纤陀螺需要在较宽的温度范围( - 40~ + 60 ∀ )内使用, 而光纤陀螺自身易受温度的影响,所以, 采用全温度范围误差建模与补偿是一种有效的提高陀螺温度特性的方法。从实际的补偿效果上看,输入轴失准角全温度范围变化小于3 10- 4 rad。温度补偿大大提高了光纤陀螺仪的全温性能, 在实际使用中取得了很好的效果。 H) q_9<;  
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