光纤陀螺仪测试规范.docx
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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~106KPa
5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
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:
=
…………………………………..
（1）
式中：
—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：
………………………………
（2）
式中：
—测试开始时，陀螺仪输出的平均数值；
—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：
………………………….…………（3）
建立光纤仪输入输出关系的线性模型：
…………………..………..（4）
式中：
K—标度因数；
—拟合零位；
j—拟合误差。
用最小二乖法求K、
：
…………………（5）
…………………………（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）：
…………………（7）
按公式（8）计算光纤陀螺仪输出特性的逐点非线性偏差：
…………………（8）
按公式（9）计算标度因数非线性度：
…………………（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：
…………………（10）
…………………（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：
…………………（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
（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：
…………………………………..（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。
………………………………….（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
，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
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：
…………………………（16）
式中：
陀螺仪输出的平均值；
——零偏，（º/h）；
——地球自转角速率，（º/h）；
——试验场所地理纬度角，（º）；
——第j个IRA偏角，（º）；
使得计算值
与实际测量值
满足
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
时的陀螺仪零偏稳定性
（1）,
（1）又称为噪声等效
速率
按下式计算陀螺仪随机游走系数
RWC=
……………………………（17）
方法二采用国外常用的方法：
直接由零偏稳定性求得。
RWC=Bs
/60……………………………（18）
式中：
RWC—随机游走系数，ºhˆ1/2
Bs—零偏稳定性，º/h
—采样间隔时间，S
6.6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
1
25℃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。
2
25℃~-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
7
0℃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。
8
0℃~40℃升温
40min
陀螺关电
9
40ºC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。
10
40℃~60℃升温
20min
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。
11
60℃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。
12
60℃~25℃降温
35min
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
光纤陀螺完成恒温性能测试，按5.6.1、5.6.6所列方法，进行以下计算：
a）按表3测试，计算6组陀螺零偏值、零偏稳定性、零偏温度敏感度；
b）按表3测试，计算全温范围零偏重复性及零偏温度灵敏度；
c）按表3测试，计算全温范围内的标度因数重复性，标度因数温度灵敏度。
6.9.2.2温度梯度对陀螺零偏的影响测试：
使环境温度按设定规律变化，测试光纤陀螺在温度变化时零偏的变化特性。
下表所述为一种试用的测试过程。
表2光纤陀螺温度循环性能测试
序号
温度控制
时间
陀螺测试
1
20ºC保温
10min
整个过程陀螺通电测试，在规定时间内计算陀螺零偏、零偏稳定性。
2
20ºC~－40ºC降温
降温速率1º/min或0.5º/min
3
－40ºC保温
5min
4
－40ºC~60ºC升温
升温速率1º/min或0.5º/min
5
60ºC保温
5min
6
60ºC~20ºC升温
降温速率1º/min或0.5º/min
测试完成后，计算光纤陀螺整个温度循环下的零偏稳定性。
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