光纤陀螺仪测试规范

光纤陀螺仪测试规范1范围本方案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设计、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大气条件标准大气条件如下:环境温度：23℃±2℃相对湿度：20%～80%大气压力：86KPa~106KPa5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规定的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jF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:jF=1N1NjppF…………………………………..(1)式中：jF—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：1()2rseFFF………………………………（2）式中：sF—测试开始时，陀螺仪输出的平均数值；eF—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：jrjFFF………………………….…………(3)建立光纤仪输入输出关系的线性模型：0jijjFKFv…………………..………..（4）式中：K—标度因数；0F—拟合零位；j—拟合误差。用最小二乖法求K、0F：111221111()MMMijjijjjjjMMijijjjFFMKM…………………(5)0111MMjijjjKFFMM…………………………(6)式中：M—输入角速率个数。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）：0jijFKF…………………(7)按公式（8）计算光纤陀螺仪输出特性的逐点非线性偏差：jjjmFFF…………………（8）按公式（9）计算标度因数非线性度：maxnjKa…………………（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：()()KKKK…………………（10）2)()(KKK…………………（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：122111()(1)QriiKKKkQ…………………（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FKBo*1(含当地地球自转分量)………..………..(13)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：122111()1nsiiBFFKN…………………………………..(14)6.3.2零偏重复性（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。12211()1QroioiBBBQ………………………………….(15)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：jcojBFKKsincos1…………………………(16)式中：jF陀螺仪输出的平均值；0B——零偏，（º/h）；c——地球自转角速率，（º/h）；——试验场所地理纬度角，(º)；j——第j个IRA偏角，(º)；使得计算值jF与实际测量值jF满足50%jjjFFF的最小输入角速率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Sk11时的陀螺仪零偏稳定性sB(1),sB(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=)(NER2/1……………………………(17)方法二采用国外常用的方法：直接由零偏稳定性求得。RWC=Bs2/1/60……………………………(18)式中：RWC—随机游走系数，ºhˆ1/2Bs—零偏稳定性，º/h—采样间隔时间，S6.6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（1×104N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；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70g±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１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序号温度控制耗时陀螺测试125℃恒温2.5h陀螺预热0.5h;陀螺加电，连续采集1h；陀螺不断电，进行标度因数指标测试，30min,陀螺关电。225℃~-40℃降温65min陀螺关电3-40℃恒温2.5h陀螺预热0.5h;陀螺加电，连续采集1h；陀螺不断电，进行标度因数指标测试，30min,陀螺关电。4-40℃~-20℃升温20min陀螺关电5-20℃恒温2.5h陀螺预热0.5h;陀螺加电，连续采集1h；陀螺不断电，进行标度因数指标测试，30min,陀螺关电。6-20℃~0℃升温20min陀螺关电70℃恒温2.5h陀螺预热0.5h;陀螺加电，连续采集1h；陀螺不断电，进行标度因数指标，测试，30min,陀螺关电。80℃~4