[发明专利]一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置及方法

权利要求书

1.一种在应用现场标定光纤陀螺标度因数的装置，其特征在于，从低到高，依次包括装置底座(10)、光纤陀螺(7)、主控板(8)、安装面(11)、基于PSD的小角度测量模块(15)；光纤陀螺(7)安装在装置底座(10)的正中心，基于PSD的小角度测量模块(15)安装在安装面(11)上方的正中心，主控板(8)安装在安装面(11)下方的正中心；所述的基于PSD的小角度测量模块(15)包括激光器(1)、凹透镜(2)、分光棱镜(3)、光学准直系统(4)、平面反射镜(5)、PSD及其信号处理板(6)；激光器(1)、凹透镜(2)、分光棱镜(3)、光学准直系统(4)、平面反射镜(5)沿着光轴方向从左往右顺次安装，凹透镜(2)的焦点与光学准直系统(4)的焦点重合，PSD及其信号处理板(6)安装在光学准直系统(4)的等效焦点位置上，激光器(1)发出的光依次经过凹透镜(2)、分光棱镜(3)、光学准直系统(4)后经平面反射镜(5)反射，最后被光学准直系统(4)和分光棱镜(3)聚焦在PSD及其信号处理板(6)的PSD探测器上，PSD及其信号处理板(6)输出包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，PSD及其信号处理板(6)、光纤陀螺(7)、带特定数据接收功能的计算机(9)分别与主控板(8)相连，PSD及其信号处理板(6)输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号和光纤陀螺(7)的输出数字量同步被主控板(8)采集，主控板(8)再将数据通过WIFI或RS422通讯接口发送给带特定数据接收功能的计算机(9)。

3.一种采用如权利要求1所述的装置在应用现场标定光纤陀螺标度因数的方法，其特征在于，包括：

步骤1、在实验室内部借助高精度位置转台对基于PSD的小角度测量模块进行标定，标定过程如下：1.1)将所述的装置安装在高精度位置转台上，先通过调节可调节三脚架将平面反射镜调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜的角度，观察基于PSD的小角度测量模块中的PSD及其信号处理板输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化，输出电压信号分为3路，分别记为U_X，U_Y和U_sum，直到输出电压U_X和U_Y均变为零；

1.2)假设选用的PSD的边长为L，光学准直系统的焦距为f，则以PSD的中心为绝对零位点，基于PSD的小角度测量模块的最大测量范围，以°为单位，为考虑到PSD的非线性对标定精度的影响，标定范围选取标定点数为N+1，即选取的标定点之间的角度间隔为得到在标定范围内N+1个位置点处的PSD输出的三路电压和对应的位置点记为其中i＝0,1,2,K,N，标定点数的选择根据实际需求设定；

1.3)在标定过程中，由于仅在单个方向上运动，PSD的输出电压中的和两路电压仅有一路会随着光点的移动发生变化，另一路基本保持不变，以Y方向为运动方向进行标定；对标定得到的N+1个位置点处的PSD输出电压数据和与位置θ_i进行多项式拟合，得到位置θ_i与PSD输出电压数据和之间的标定公式，具体方法如下：根据在各个位置点处的数据得到公式(1)

令得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (2)

以上的多项式拟合中一般有：n≤3，实际中根据需要选择；

当实际测量中，PSD的输出电压为U_X，U_Y和U_sum时，此时对应的位置θ表示为：

其中：

步骤2、在应用现场利用旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块形成的高精度大角度基准实现对光纤陀螺的标度因数的现场标定；

2.1)将所述的装置安装在待测旋转设备上，同样先通过调节可调节三脚架将平面反射镜调节到适当高度，然后再缓慢调节平面反射镜，观察基于PSD的小角度测量模块中的PSD及其信号处理板输出的包含激光光点在PSD上的位置信息的电压信号的变化，调节到输出电压U_X变为零，记录下此时光纤陀螺的静态输出F₀和此时PSD的输出电压为U_1X，U_1Y和U_1sum，将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_1}；

2.2)控制待测旋转设备旋转一周，保证旋转完成后保证激光光点仍落在PSD的标定范围内，记录旋转过程中光纤陀螺的动态输出F以及待测旋转设备停止后PSD的输出电压为U_2X，U_2Y和U_2sum，将PSD的输出电压代入步骤1)中标定得到的公式(3)，即可得到在该位置处的角度值θ_{m_2}；

2.3)根据旋转整周角的360°角度自封闭特性和基于PSD的小角度测量模块的高精度小角度测量值，得到一个高精度的大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺的输出F_{sum_ref}

θ_ref＝360+θ_{m_2}-θ_{m_1} (4)

其中：T为步骤2.2)这一操作过程持续的时间；

2.4)根据大角度基准θ_ref以及该基准对应的光纤陀螺7的输出F_{sum_ref}，得到在应用现场的光纤陀螺的标度因数K，

2.5)在现场应用中，在完成首次标定后，如果现场应用中对待测旋转设备进行测试需要的持续时间较长，为了避免光纤陀螺7由于自身特性以及环境等因素的变化引起标度因数的变化而造成测量误差，可在中途重复步骤2)中的标定操作，对标度因数进行重新标定，保证标度因数在长时间工作下的准确性。