Методы испытаний нескольких ключевых показателей волоконно-оптического гироскопа | стабильность нулевого смещения, нелинейность масштабного коэффициента и анализ RWC

Изучите комплексные методы испытаний ключевых показателей волоконно-оптического гироскопа, включая стабильность нулевого смещения, нелинейность масштабного коэффициента и коэффициент случайного блуждания (RWC). Ниже приведены пошаговые процедуры, формулы и требования к испытательному оборудованию для задач высокоточной навигации и управления ориентацией.

Волоконно-оптический гироскоп основан на эффекте Саньяка и широко применяется для измерения угловой скорости в системах навигации и управления ориентацией. Ключевые показатели обычно включают стабильность нулевого смещения, масштабный коэффициент, случайное блуждание, полосу пропускания, шум, температурные характеристики и другие параметры. Измеряя эти показатели, можно комплексно оценивать характеристики волоконно-оптических гироскопов, а также оптимизировать конструкцию системы и алгоритмы компенсации на основе полученных данных.

1. Испытания серии нулевого смещения

1.1 Смещение

Определение: среднее значение эквивалентной угловой скорости на выходе волоконно-оптического гироскопа при отсутствии входной угловой скорости.

Испытательное оборудование: горизонтальное опорное устройство, регистратор выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа.

Метод испытания: закрепите волоконно-оптический гироскоп на горизонтальной опоре так, чтобы входная ось (IRA) была направлена по линии восток-запад. После включения питания записывайте выходные данные не менее 1 часа с частотой дискретизации, удовлетворяющей критерию Найквиста (не менее чем в 2 раза выше максимальной частоты сигнала).

Расчетная формула:

Где K — масштабный коэффициент, а — среднее значение выходного сигнала.

1.2 Стабильность смещения

Определение: степень рассеяния выходного сигнала нулевого смещения относительно среднего значения, отражающая краткосрочную стабильность.

Метод испытания: аналогичен испытанию смещения, но требует длительной записи данных, не менее 1 часа.

Расчетная формула:

Где — стабильность нулевого смещения, измеряемая в градусах в час (°/ч).

— односторонняя амплитуда выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа в момент времени .

1.3 Повторяемость смещения

Определение: многократные испытания после включения питания для подтверждения согласованности нулевого смещения.

Метод испытания: повторите испытание нулевого смещения более 6 раз, между каждым испытанием выключая питание и охлаждая гироскоп до комнатной температуры.

Расчетная формула:

Для данных каждого испытания выполните обработку по формуле (1), вычислите нулевое смещение, а затем по следующей формуле рассчитайте повторяемость нулевого смещения для Q испытаний.

Где — нулевое смещение i-го испытания, а — среднее нулевое смещение.

1.4 Температурная чувствительность нулевого смещения

Определение: дрейф нулевого смещения, вызванный изменением температуры.

Метод испытания: задайте в термокамере разные температурные точки, охватывающие рабочий диапазон температур, и поддерживайте постоянную температуру 30 минут в каждой точке. Измерьте нулевое смещение в каждой температурной точке и вычислите отклонение относительно нулевого смещения при комнатной температуре.

Расчетная формула:

Испытательные данные обрабатываются по формуле (1), после чего отдельно рассчитываются нулевое смещение волоконно-оптического гироскопа при комнатной температуре и в каждой испытательной температурной точке. Температурная чувствительность нулевого смещения рассчитывается по следующей формуле:

— i-я испытательная температура, а — комнатная температура.

2. Испытания серии масштабного коэффициента

2.1 Масштабный коэффициент

Определение: линейная пропорциональная зависимость между выходным сигналом и входной угловой скоростью.

Испытательное оборудование: высокоточная скоростная поворотная платформа с погрешностью менее одной трети от показателя испытываемого гироскопа.

Метод испытания: выберите не менее 11 точек угловой скорости, включая максимальную входную угловую скорость, равномерно распределенных в положительном и отрицательном направлениях. Для каждой точки запишите среднее выходное значение и выполните аппроксимацию прямой методом наименьших квадратов.

Расчетная формула:

Пусть — среднее выходное значение волоконно-оптического гироскопа при j-й входной угловой скорости. Тогда метод расчета масштабного коэффициента выглядит следующим образом:

Линейная модель для установления входно-выходной зависимости волоконно-оптического гироскопа имеет следующий вид:

Используя метод наименьших квадратов, вычисляем K и .

Где φ — скорость вращения скоростной поворотной платформы, измеряемая в градусах в секунду (°/с).

2.2 Нелинейность масштабного коэффициента

Определение: максимальное отклонение выходного сигнала относительно аппроксимирующей прямой.

Расчетная формула:

Согласно приведенному выше методу входно-выходная зависимость волоконно-оптического гироскопа представляется аппроксимирующей прямой следующим образом:

Поточечно вычислите нелинейное отклонение выходных характеристик волоконно-оптического гироскопа по следующей формуле:

Затем по следующей формуле вычислите линейность масштабного коэффициента и постройте кривую нелинейного отклонения выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа, где по горизонтальной оси откладывается входная угловая скорость, а по вертикальной — нелинейное отклонение.

2.3 Температурная чувствительность масштабного коэффициента

Метод испытания: измерьте масштабный коэффициент в различных температурных точках и рассчитайте отклонение, вызванное изменением температуры.

Расчетная формула:

Испытательные данные обрабатываются по методу расчета масштабного коэффициента, после чего отдельно вычисляются масштабный коэффициент волоконно-оптического гироскопа при комнатной температуре и в каждой температурной точке испытания. Температурная чувствительность масштабного коэффициента рассчитывается по следующей формуле:

3. Коэффициент случайного блуждания (RWC)

Определение: интегральная ошибка угловой скорости, вызванная белым шумом на выходе.

Метод испытания: выполните высокочастотную дискретизацию в течение короткого времени, обычно десятки секунд, и проанализируйте дисперсию Аллана.

Формула расчета дисперсии Аллана:

а) Имеется n исходных отсчетов выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа, полученных при начальном интервале дискретизации . Согласно формуле расчета нулевого смещения выходная угловая скорость вычисляется для каждого выходного значения волоконно-оптического гироскопа, в результате чего формируются исходные выборки выходной угловой скорости, как показано в следующей формуле:

б) Для непрерывных данных из n исходных выборок объедините по k последовательных данных в группы, а длину массива задайте как , где τ равно , 2 и т. д. Для каждой длины времени вычислите среднее значение данных массива.

в) Найдите среднюю разность между двумя соседними массивами:

г) Рассчитайте дисперсию набора случайных величин:

Повторяя приведенный выше процесс для разных значений , получают кривую в двойных логарифмических координатах, называемую кривой дисперсии Аллана. Используя приведенную ниже модель дисперсии Аллана, методом наименьших квадратов определяют коэффициенты, после чего вычисляют коэффициент случайного блуждания RWC:

Вывод

Испытания ключевых показателей волоконно-оптического гироскопа служат мостом между исследованиями и разработкой, с одной стороны, и практическим применением, с другой. Количественная проверка характеристик, подтверждение надежности и соответствия стандартам обеспечивают его точность, стабильность и пригодность к использованию в военной и гражданской высокоточной технике, одновременно создавая основу для технологических инноваций и оптимизации затрат.