基于带温箱单轴转台的光纤陀螺自动测试系统设计_常欢.pdf

设 计 与 研 究23基于带温箱单轴转台的光纤陀螺自动测试系统设计常欢邢冲秦朝俊（北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）摘要：光纤陀螺的标度因数和零偏稳定性是影响其测量精度的重要指标。光纤陀螺对温度较为敏感，因此需要对其进行使用温度范围内的高低温测试，以全面评价光纤陀螺的性能。光纤陀螺测试时，需要控制转台和温箱，同时保存和处理光纤陀螺的输出数据，操作烦琐，容易出错。带温箱单轴转台的光纤陀螺自动测试系统能够按输入转速点、温度点进行速率测试、位置测试以及高低温测试，实现带温箱单轴转台的自动控制，并生成测试报告。关键词：光纤陀螺；高低温测试；单轴转台；自动控制Design of Single Axis Turntable with Temperature Box Using for Fiber Optic Gyroscope Automatic Test SystemCHANG Huan,XING Chong,QIN Chaojun(Beijing Great Wall Institute of Measurement and Testing Technology,Beijing 100095)Abstract:Scale factor and zero bias are the most important indicator of fiber optic gyroscope.Fiber optic gyroscope is sensitive to temperature,high and low temperature test within the operating temperature range is necessary for comprehensive evaluation.Fiber optic gyroscope test is heavy.Usually,the tester needs to control the single axis turntable and the temperature box,meanwhile needs to save and handle the data.This system can realize the automatic testing of rate，position and high and low temperature test according to the entered speed points and temperature points,it can also generate the testing report.Keywords:fiber optic gyroscope;high and low temperature test;single axis turntable;automatic testing光纤陀螺是惯性导航系统的重要组成部分，具有高精度、全固态、启动快及动态范围宽等优点，符合当前的应用要求。基于光纤陀螺的捷联式惯性系统具有可靠性高、寿命长、启动快、功耗低以及生产工艺相对简单等优势，在军事装备和民用领域获得了广泛应用1-2。标度因数和零偏稳定性是光纤陀螺的重要性能指标，其准确性决定了惯性导航系统的性能。构成光纤陀螺的主要器件如光纤环、光源等对温度较为敏感，需要对光纤陀螺进行使用温度范围内的高低温测试，以判定和提高光纤陀螺的性能3-4。光纤陀螺测试时，需要控制转台和温箱，同时要保存和处理光纤陀螺的输出数据，操作烦琐，容易出错。文章设计的带温箱单轴转台的光纤陀螺自动测试系统，能够按输入的转速点和温度点实现带温箱单轴转台的自动控制，并生成测试报告。1测试系统功能带温箱单轴转台光纤陀螺自动测试系统具备的主要功能有测试参数设置、速率测试、位置测试、高低温测试和测试数据自动采集与处理。速率测试方面，按输入的转速点自动完成光纤陀螺标度因数测试，转速范围为 0.001 1 500 /s。位置测试方面，主要测试光纤陀螺零偏稳定性，转台位置精度为 2。高低温测试方面，主要测试光纤陀螺零偏温度灵敏度和标度因数灵敏度，可测量的温度范围为-70150。2测试系统组成带温箱单轴转台自动测试系统的控制框图，如图1 所示。该系统由工控机、运动控制卡、电机驱动器、电机、光栅、放大器、程控温度试验箱、计数卡以及机械台体组成。工控机计数卡驱动器程控温箱运动控制卡电机光栅放大器速率位置显示板图 1带温箱单轴转台控制框图工控机向运动控制卡发送控制指令，运动控制卡向电机驱动器发送驱动脉冲，驱动器驱动电机运动，并将电机同轴的光栅信号反馈给驱动器。光栅、电机驱动器及电机可实现闭环控制，使转台快速响应给定的速度或位置。将光栅信号反馈给工控机中的读数卡，经过计算机处理，将角度值或速率值传到速率位置显示板上显示。被测产品的安装台面设置为螺纹孔连接方式。台体由 3 个可调水平垫铁支承，可进行台体水DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0148现代制造技术与装备242023 年第 3 期总第 316 期平调整。单轴转台可控制角位置和角速度。转台具有过流、过载以及紧急断电等安全保护功能，并设有紧急制动按钮，一旦发生意外，可以按下紧急按钮进行紧急制动。运动控制卡基于 PC 总线，可以实现步进/伺服电机的运动控制6。运动控制卡通过 C 语言和Windows 动态链接库实现控制功能，脉冲输出频率为 1 MHz，控制周期为 200 s，满足设备要求。控制转台位置时，由工控机控制运动控制卡给驱动器发送输出信号，驱动器使用数字控制模式控制转台旋转到给定位置。控制转台速度时，驱动器使用脉冲跟随模式，以达到转台给定速度和测试陀螺的各种参数。整个控制过程如图 2 所示，电流环和速度环组成内环，位置环以圆光栅编码器的输出作为位置反馈信息组成外环。该控制方式可以保证角度控制精度在 2内，实现转台角度的精确定位，并能够使闭环系统对负载进行自调整。速度环由运动控制卡输出脉冲到驱动器口，控制电机稳速旋转，实现转台转速的精确控制。PIDPID电流调节电机圆光栅KVKDKi图 2控制系统框图3测试系统软件设计设计的带温箱单轴转台光纤陀螺自动测试系统采用 LabVIEW 软件进行开发。该软件采用从上到下的设计方式和模块式结构，使得程序结构清晰、可靠性高且便于维护。在光纤陀螺自动测试前，先对系统进行自检，确保转台、程控温箱以及被测光纤陀螺处于正常工作状态7。确认该系统各部件工作正常后，可以按型号默认的转速点和温度点进行试验，也可以按输入的转速点和温度点进行试验。自动测试系统的软件流程，如图 3 所示。3.1速率测试速率测试功能用于测试光纤陀螺标度因数。标度因数是指光纤陀螺输出量与输入角速率的比值，用最小二乘法进行数据处理8。光纤陀螺安装在带温箱单轴转台上，输入基准轴平行于旋转轴。在光纤陀螺输入角速度范围内，选择 13 个角速度档，并设定转台的转动角速度档位，转台先正转再反转。光纤陀螺输入输出关系的线性模型可表示为Fj=K+ijF0+vj（1）式中：K为标度因数；F0为拟合零位；vj为拟合误差；Fj为第j个角速度；ij为输入时光纤陀螺的输出值。启动程序选择型号/输入转速点温度点自检通过退出选择测试项目转台控制温箱控制数据采集数据处理保存退出否是图 3自动测试系统软件流程图Fj可表示为Fj=F-j+F-r（2）式中：F-j为第j个角速度；F-r为转速为 0/s 时光纤陀螺的输出的平均值。标度因数K和拟合零位F0可表示为()111221111MMMijjijjjjjMMijijjj FFMKM=（3）111MMjjijjjKFFMM=（4）3.2位置测试位置测试的主要项目是测试光纤陀螺零偏稳定性。光纤陀螺通过安装夹具固定在水平基准上，使光纤陀螺指往东西向。数据记录的时间应该足够长，至少 1 h。光纤陀螺零偏稳定性计算目前主要有 1法和阿伦方差法9。阿伦方差将影响零偏稳定性的白噪声、1/f噪声和温度漂移分解计算，并将 1/f噪声计算结果作为零偏稳定性的衡量指标，适用于低输出率光纤陀设 计 与 研 究25螺的零偏稳定性测试评价。1法需要考虑光纤陀螺零偏稳定性的全部影响因素，适用于较高输出率光纤陀螺的零偏稳定性测试评价。评价的光纤陀螺的输出采用频率为 1 Hz，因此选择 1法开展本文的光纤陀螺零偏稳定性评价测试。1法计算零偏稳定性B可表示为 FBK=（5）式中：F-为光纤陀螺输出的平均值；K为光纤陀螺的标度因数。3.3高低温测试光纤陀螺工作的环境温度会导致其精度降低。开展光纤陀螺温度环境下的测试试验，可以确定光纤陀螺主要性能指标的温度特性，通过建立温度误差模型对光纤陀螺进行补偿10-11。光纤陀螺进行零偏温度灵敏度测试时，不仅要操作转台和温箱，还要不断控制和保存光纤陀螺的输出数据。带温箱单轴转台控制系统可以自动控制转台转速、温箱温度和保温时间，同时可以处理和保存采集光纤陀螺的输出数据。温箱温度控制部分的软件流程图如图 4 所示。开始设置温箱温度读取设置温箱温度温箱设置温度正确光纤陀螺数据采集与处理启动温箱读取温箱实际温度达到设置温度开始计时保温到设定时间转台控制否是否否是是图 4温度控制软件流程图系统测试软件与爱斯佩克温度试验箱之间可以采用 RS-232 串口通信，串口波特率为 19 200，数据位为 8 位，无奇偶校验，停止位为 1 位。爱斯佩克温度试验箱开发平台支持所有能够调用动态链接库或者能够使用 Active X 控件的编程语言。开发平台 EspecDll动态链接库包含平台的所有接口函数。LabVIEW 通过调用.dll 文件实现程控温箱的控制。温箱控制子程序包括温箱保温控制、温箱读取温度、温箱设置温度、温箱读设置温度、温箱运行以及温箱停止等。光纤陀螺零偏温度灵敏度Bt可表示为 maxoiomtimBBBTT=（6）式中：Boi为第i次测试的零偏；Bom为室温下的零偏；Ti为第i个试验温度；Tm为室温。光纤陀螺标度因数温度灵敏度Kt可表示为()mmaximtmiKKKKTT=（7）式中：Ki为第i次测试的标度因数；Km为室温下的标度因数；Tm为室温；Ti为第i个试验温度。3.4光纤陀螺数据采集及处理按光纤陀螺的串口协议编写数据接收程序实现数据分离，得出光纤陀螺的输出信息。工控机需要不停采集光纤陀螺的数据，因此必须对光纤陀螺的数据进行截断分离处理，才能保证数据处理和数据采集同时进行。光纤陀螺数据采集及处理软件流程如图 5 所示。编写数据分离程序时，需要注意未处理的数据一定要在下次处理的数据前，否则会出现数据丢失现象。开始串口接收数据待处理数据分离数据包上次未处理数据本次未处理数据本次处理数据数据解析数据处理图 5光纤陀螺数据数据采集及处理软件流程现代制造技术与装备262023 年第 3 期总第 316 期4转台性能验证用光电自准直仪和 23 面棱体对转台位置精度进行测试，转台位置精度为 2。用数字频率计对转台的速率精度和平稳性进行测试12。每个速度点采用高精度计数器采集转速的周期信号。转速平稳度可表示为()21111NiiTTTN=（8）式中：i=1，2，10；T-为给定转速下被测轴转过 360间隔实测时间的平均值。速率精度U可表示为 1gUTTT=（9）式中：Tg为给定转速下转台某个轴转过 360间隔所用时间的名义值。经测试得到平稳度和精度的数值如表 1 所示，满足光纤陀螺的测试要求。表 1转台平稳度和精度指标给定转速/（/s）速率精度平稳度0.017.5610-54.6910-40.109.2910-54.0910-513.0310-54.7010-5105.5310-54.8110-51008.2210-52.7710-65008.0710-57.9210-71 0008.1310-56.9110-71 5008.1810-55.9010-75光纤陀螺测试试验采用基于带温箱单轴转台的光纤陀螺自动测试系统进行自动测试。光纤陀螺标度因数测试设定正向转速点为 0 /s、0.1