摘要: 提高溫度特性是光纖陀螺儀工程化的一個難題, 溫度補償是解決該問題的一種有效方法。光纖陀螺與溫度相關(guān)誤差項主要為零漂和標度因數(shù), 輸入軸失準角也是影響光纖陀螺應(yīng)用的一個重要誤差項。在大量試驗的基礎(chǔ)上, 分析了光纖陀螺輸入軸失準角誤差產(chǎn)生機理, 采用多項式擬合方法建立了輸入軸失準角誤差全溫模型, 對多套光纖陀螺進行了全溫補償。試驗結(jié)果表明, 輸入軸失準角補償前全溫變化在rad數(shù)量級, 補償后全溫變化小于精度提高了近一個數(shù)量級, 大大提高了光纖陀螺儀的全溫性能。 l& A8P  
關(guān)鍵詞: ; 光纖陀螺儀; 輸入軸失準角; 溫度補償 2
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中圖分類號: V241. 5 文獻標識碼: A文章編號: 1000- 8829( 2010) 10- 0006- 03 ;?h+8Z/{  
Temperature Compensation Research on InputAxisMisalignment of FOG M6nQ17\{  
JI Sh i..tao1, QIN Yong..yuan1,LAN Yan2, L IU Zh i..rong2 WilKC|R]P  
( 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;
{>v5~G  
( 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) T]_]{%z  
4Tdp;n
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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.. Uf}u`"$
F  
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=zr]vv  
Key words: inertia dev ice; fiber..opticgyro; input ax is m isa lignmen;t temperature compensation

<=Saf.  
與傳統(tǒng)機械式慣性儀表不同, 光纖陀螺儀為一種全固態(tài)慣性儀表, 內(nèi)部無機械轉(zhuǎn)動部件, 其主要特點是體積小、重量輕、啟動快、功耗低、動態(tài)范圍大、抗振動和沖擊能力強等, 因此, 光纖陀螺儀被認為是一種極具發(fā)展前途的慣性儀表。國內(nèi)光纖陀螺儀的研制已進入了工程化應(yīng)用階段, 很多軍用和民用的領(lǐng)域正在嘗試使用光纖陀螺儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的慣性儀表。 <KJ|U0/jGd  
光纖陀螺儀在實際使用過程中, 根據(jù)應(yīng)用的領(lǐng)域不同需要測試與補償?shù)恼`差項也不盡相同, 但是, 大多數(shù)領(lǐng) !>N+a3  
域中需要研究的誤差項為陀螺零偏誤差和標度因數(shù)誤差。在光纖陀螺儀的應(yīng)用中, 筆者發(fā)現(xiàn)光纖陀螺儀輸入軸失 ;Y,zlq2  
準角誤差(簡稱: 失準角誤差)也是一個不可忽略的誤差項, 特別是光纖陀螺儀要求具有較寬的工作溫度范圍( - 40~ + 60 .)時, 陀螺失準角誤差是一個必須要考慮的誤差項。構(gòu)成光纖陀螺儀的主要器件, 比如SLD光源、耦合器、集成光學(xué)器件、光纖線圈等, 對溫度比較敏感, 當工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時, 光纖陀螺零偏和標度因數(shù)變化, 光纖陀螺失準角也發(fā)生偏移。在很多情況下, 失準角偏移導(dǎo)致的誤差要大于標度因數(shù)誤差對系統(tǒng)精度的影響, 并最終導(dǎo)致光纖陀螺儀無法滿足全溫范圍的要求。在現(xiàn)有的元器件質(zhì)量和工藝條件下, 嘗試進行失準角誤差測試與全溫補償具有非�，F(xiàn)實的意義, 光纖陀螺全溫度范圍

誤差補償可實現(xiàn)性強, 成本低且效果好, 這也是光纖陀螺走向?qū)嵱没�的必要環(huán)節(jié)[ 1- 2]。 E5#ff5  
1.光纖環(huán)誤差分析 Y_6v@Si
O  
導(dǎo)致光纖陀螺儀溫度誤差的原因很多, 光纖環(huán)本身的溫度特性是其中重要一項。分析光纖陀螺的溫度特性首先要考慮光纖環(huán)的特性。目前國內(nèi)光纖環(huán)的制造中常用的技術(shù)為: 光纖骨架采用硬鋁加工, 光纖環(huán)繞制采用四級對稱繞制, 光纖環(huán)的固化采用光固化膠或者熱固化膠。 ,|GjrT{vf  
光纖環(huán)受溫度影響會產(chǎn)生非互易相移, 沿光纖線圈長度為L 上距離端點A 為z 處的一段光纖產(chǎn)生的非互易相移為（1）從式 （1） Av0(zA2  
中可知, 環(huán)境溫度變化引起的相移與溫度變化率dT ( z, t ) /dt和位置的權(quán)因子( L - 2z ) 成正比, 距離光纖環(huán)中點越遠, 權(quán)因子越大。最重要的是,相對于光纖中點的兩段光纖上熱擾動所引起的非互易相移可以抵消, 這也是普遍采用四級對稱繞制的原因。 jrxq558  
但是, 光纖環(huán)在實際制造過程中存在很多問題, 比如: ]4r&Q4d>O  
①光纖環(huán)在繞制過程中應(yīng)力不均勻, 特別是與骨架接觸的最內(nèi)層光纖,骨架的熱膨脹系數(shù)與光纖的熱膨脹系數(shù)不匹配;. j"jQiL_*  
②光纖環(huán)在繞制過程中沒有嚴格關(guān)于中點對稱,或者是光纖長度計量不準確; LqXVi80  
③光纖骨架加工存在缺陷, 硬鋁材料的應(yīng)力釋放不均勻; iUFG!,+d  
④光纖固化膠在繞制過程中涂抹不均勻等。 Ljiw9*ZI  
以上諸多因素可以導(dǎo)致光纖環(huán)在使用過程中溫度特性變差, 難以達到理論分析的精度。 g{ ;OgS3>  
2. 輸入軸失準角誤差分析 /6F\]JwU  
輸入軸失準角#m (inpu t ax is m isalignment)定義為光纖陀螺安裝面垂直軸IRA ( input reference ax is)與輸入軸IA 之間的夾角。光纖陀螺儀輸入軸IA表示垂直于光纖環(huán)圈等效平面的軸, 當陀螺儀繞IA 軸旋轉(zhuǎn)時將引起最大輸出量。光纖陀螺儀失準角如圖1所示。 )w5!'W4Z8  
G^cMY$?99  
圖1.. 光纖陀螺失準角示意圖 ]0O3kiVQ  
光纖陀螺儀失準角是一個綜合誤差項, 包括多個誤差項的累加, 如臺體結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性、安裝面誤差和光纖環(huán)形變等。失準角誤差可以分為常值誤差和溫度敏感誤差, 常值誤差主要由陀螺臺體結(jié)構(gòu)件加工精度、陀螺安裝面平面度和光纖環(huán)安裝誤差等因素導(dǎo)致, 常值誤差不隨陀螺儀的使用環(huán)境變化而發(fā)生變化; 溫度敏感誤差可以用失準角溫度靈敏度的概念表示, 即光纖陀螺輸入軸失準角的變化量與溫度變化的比值, 單位為rad / . 1 。光纖陀螺儀失準角受溫度影響的機理大致有下面幾種情況: 一種情況為光纖環(huán)采用保偏光纖繞制, 繞制過程中一般采用楊氏模量較小的固化膠進行固定, 固化膠的用量在實際繞環(huán)中很難控制, 光纖環(huán)內(nèi)部膠分布不均勻會導(dǎo)致光纖環(huán)受溫度影響產(chǎn)生物理尺寸形變; 另外一種情況為光纖環(huán)在繞制過程中, 內(nèi)部應(yīng)力釋放不均勻, 導(dǎo)致在溫度不同的情況下導(dǎo)光特性發(fā)生了改變, 光纖環(huán)隨制造工藝的不同, 光纖環(huán)光學(xué)矩陣參數(shù)很難確定, 誤差產(chǎn)生機理定位十分困難。 !xBJJ/K+|  
根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析, 失準角隨溫度變化的原因是光纖環(huán)本身的溫度特性, 該誤差量相對于溫度呈近似 E,dUO;  
線性關(guān)系。如 圖2為光纖陀螺相對于兩個投影面的失準角隨溫度變化的數(shù)據(jù)。 Bt#'6::  
Dc* H:x;  
圖2.. 光纖陀螺失準角全溫測試 E3(o}O  
在實際使用中, 失準角的變化將直接導(dǎo)致光纖陀螺儀標度因數(shù)誤差增大, 失準角的變化量與標度因數(shù)誤差的對應(yīng)關(guān)系可表示為: ..K = 1-cos( #m ), ..K 為標度因數(shù)的變化量, 對于具體陀螺大致可以表示為表1。實測多套光纖陀螺儀, 失準角在較寬的溫度范圍( -40~ + 60 . )變化量大致在2 10- 4 rad, 相當于標度因數(shù)誤差近100ppm, 所以, 在光纖陀螺測試與使用表1 ..表1 失準角與標度因數(shù)對應(yīng)表

?bu=QV@  
3. 測試方法 $BT[fJ'k  
光纖陀螺輸入軸失準角測試方法應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用特點確定1 , 比如, 光纖陀螺儀已經(jīng)裝配到慣性測量單元中, 且配有精密的測試工裝, 在測試過程中就可以不考慮定位夾具的誤差。為了克服地球自轉(zhuǎn)角速率對于測試精度的應(yīng)用, 應(yīng)采取兩方面的措施: & 精確控制轉(zhuǎn)臺圈脈沖, 保證采集到的陀螺數(shù)據(jù)為整周期; .轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角速率應(yīng)較大, 分析可知, 在. 5 ( +) / s時地球自轉(zhuǎn)角速率影響可以忽略。 >$yA ,N  
把光纖陀螺儀OY 軸向上平行于轉(zhuǎn)臺軸, 轉(zhuǎn)臺按照固定角速率正向轉(zhuǎn)動一周, 采集陀螺輸出平均值; 再反向轉(zhuǎn)動一周, 采集陀螺輸出平均值, 計算IA 在YOZ平面內(nèi)投影與IRA 的夾角 :x
Tm-L  
  ( 2) o~W,VhCP
 
式中, F ( Y+ )和F ( Y- )為轉(zhuǎn)臺正反轉(zhuǎn)動一周陀螺輸出量的平均值; % 為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速率; K 為陀螺標度因數(shù)。 B'mUDW8\D  
把光纖陀螺儀OX 軸向上平行于轉(zhuǎn)臺軸, 測試方法同OY軸相同, 計算IA 在XOZ 平面內(nèi)投影與IRA 的夾角 k ]T  
  ( 3) x4MTE?hT  
光纖陀螺IA 軸與IRA 之間夾角 K<r5jb  
  ( 4) I;1)a4Xc4R  
4.誤差建模 =}@1Z~  
光纖陀螺失準角全溫度范圍測試中, 選取多個溫 DUH DFG  
度點保溫后進行失準角測試, 溫度點的選取應(yīng)在全溫 oX*;iS X  
度范圍內(nèi)均勻分布。建立失準角數(shù)據(jù)與溫度T 的函 MslgQmlM  
數(shù), 可以采用工程上常用的多項式擬合方法[ 5- 7] 。 rC]k'p2x  
#(T ) = a0 + a1T + a2T 2 + , + anT n ( 5) X&| R\v=}  
  建立誤差模型就是要確定式( 4)中的各項系數(shù)和 lFduX D  
階數(shù), 合適的誤差模型中第n + 1項系數(shù)應(yīng)為0, 或者說, 誤差模型為 的線性組合。 )Z|G6H`c3  
多項式模型階次按照實用準則判斷, 首先, 失準角誤差隨溫度大致是線性變化的, 按照一階多項式擬合誤差#~ (T ) = a0 + a1T, 計算模型逼近的參差e= #~ (T ) - #m。如果參差e滿足陀螺指標要求, 該模型就是實用的; 如果參差e不滿足指標要求, 再按照二階多項式擬合, 然后用參差判定模型的可行性。在工程使用中,建立的誤差模型需要反復(fù)的測試驗證, 模型的階次應(yīng)在補償結(jié)果滿足使用要求的情況下盡量采用低階次,減少測試誤差和系統(tǒng)計算量。 SjY|aW+wAL  
經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn), 光纖陀螺失準角按照一階多項式擬合就可以滿足精度要求。多個溫度點測試光纖陀螺失準角后, 利用最小二乘擬合可以得到失準角模型系數(shù):   式中, k 為失準角溫度系數(shù); #0 為合失準角常值項。光纖陀螺儀全溫輸出誤差模型為 |H]0pbC)w  
( 6) &c