CN111121819A - 硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法，测量精度高。本发明方法包括如下步骤：(10)共轴放置：将角振动台固定在转台轴心处，将硅微陀螺仪固定安装在角振动台机内；(20)实验前零漂信号测量：连续采集在实验前零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；(30)旋转状态信号测量：采集不同转速下硅微陀螺仪的旋转状态输出信号；(40)实验后零漂信号测量：连续采集在实验后零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；(50)标度因数获取：计算得到标度因数；(60)振动状态信号测量：采集不同频率、不同振幅下硅微陀螺仪的振动状态输出信号；(70)角位移误差计算：根据振动状态输出信号和标度因数，计算得到角位移误差。

Description

硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法
技术领域
本发明属于陀螺仪标校技术领域，特别是一种测量精度高的硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法。
背景技术
硅微陀螺仪是通过驱动检测质量作高频振动产生动量矩，以此带动基座旋转时所产生的Coriolis效应来敏感基座角运动，从而输出角速率，是当前主流的测量装置。并且由于其高集成、高可靠和低功耗性，其在航空、航天、军事制导具有广泛的应用。随着现代战争的需要，对MEMS陀螺仪提出了精度提出了新的要求，在基于复杂环境下高动态飞行中的噪声、振动、过载、温度等交叉影响中，陀螺仪必须具备较好的长期稳定性和较高的性能。在研究过程中发现，在振动、剧烈抖动状态下，外部作用力会叠加到陀螺仪上，表现在输出角速率测量漂移上，造成陀螺仪的测量精度误差，该误差严重制约了陀螺仪测量的精度和准确性，影响其在高旋、高动态、高过载等运动条件下的应用。
传统的测量方法是在已知陀螺仪各项性能参数情况下，直接测量振动状态下陀螺仪角速率测量的漂移情况。
但是在实际的实验环境中，陀螺仪性能参数会发生比较明显的变化，并不能真实的反应测量误差。
总之，现有技术存在的问题是：对振动状态下硅微陀螺仪角位移偏移的测量精度不够高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法，测量精度高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法，包括如下步骤：
(10)共轴放置：将角振动台固定在转台轴心处，将硅微陀螺仪固定安装在角振动台机内，使陀螺仪的敏感轴、角振动台的振动轴与转台共轴；
(20)实验前零漂信号测量：转台静止状态下，给硅微陀螺仪、转台上电，预热陀螺仪至零偏稳定，连续采集在实验前零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；
(30)旋转状态信号测量：转台以不同转速旋转，采集不同转速下硅微陀螺仪的旋转状态输出信号；
(40)实验后零漂信号测量：转台重归静止状态，连续采集在实验后零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；
(50)标度因数获取：根据实验前后零漂信号和旋转状态信号，计算得到陀螺仪输出信号与输入角速率的线性斜率，即标度因数；
(60)振动状态信号测量：转台静止状态下，角振动台以不同频率、不同振幅振动，采集不同频率、不同振幅下硅微陀螺仪的振动状态输出信号；
(70)角位移误差计算：根据振动状态输出信号和标度因数，计算得到振动状态下陀螺仪在振动过程中随时间积累的角位移误差。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、位移精度高：本发明采用压电陶瓷机构，实现预先确定的微扫描位移驱动，采用直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链具有体积小，无机械摩擦，无间隙和高灵敏度的特点，能够获得超高的位移分辨率。
2、结构简单：本发明不但能实现水平、垂直位移，还可实现一定的角度偏转，且结构简单、加工方便，不但降低了成本，也减少了维护的工作量。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法的主流程图；
图2为测试***安装示意图；
图3为图1中标度因数获取步骤的流程图；
图4为图1中角位移误差计算步骤的流程图；
图5为硅微陀螺仪零偏输出信号图；
图6为硅微陀螺仪输入角速率-输出信号关系图；
图7为振动状态下扣除零偏后计算得到敏感角速率漂移曲线图；
图8为振动状态下积分计算得到的角位移漂移图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于振动状态硅微陀螺仪误差的测试方法，包括如下步骤：
如图1所示，本发明硅微陀螺仪振动状态角位移误差测定方法，包括如下步骤：
(10)共轴放置：将角振动台固定在转台轴心处，将硅微陀螺仪固定安装在角振动台机内，使陀螺仪的敏感轴、角振动台的振动轴与转台共轴；
如图2所示，将角振动台固定在转台轴心处，将硅微陀螺仪安装在角振动台机内，使角振动台振动轴、陀螺仪敏感轴、转台轴心方向一致。并按照图2所示，对各设备进行电气连接，通电检查数据是否正常有效。且角振动台振幅强度、频率强度、转速均符合实验要求，角振动台作正弦振动，其他如温度等环境变量尽量保持恒定，保障实验正常进行，数据真实可靠。
(20)实验前零漂信号测量：转台静止状态下，给硅微陀螺仪、转台上电，预热陀螺仪至零偏稳定，连续采集在实验前零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；
在初始位置，给陀螺仪、转台上电，预热陀螺仪至零偏稳定，开启采样软件，在较长时间采集点数为p的输出信号并保存数据F前i。
(30)旋转状态信号测量：转台以不同转速旋转，采集不同转速下硅微陀螺仪的旋转状态输出信号；
所述(30)旋转状态信号测量步骤具体为：
开启转台，设置转速r以步进Δr从0，r1，…，rm逐渐增大至最大rm，再以相同步进从rm，rm+1，…，r2m-1，0逐渐减小至0，且rk＝r2m-k，k＝0，1，…，m，在每个速度持续相同时间并进行点数为q的输出信号采样，保存数据Fk,j、F2m-k,j，
其中，对应的Fk,j为转速增加到rk时采集陀螺仪输出信号，F2m-k,j为转速减小到r2m-k时采集陀螺仪旋转状态输出信号。
(40)实验后零漂信号测量：转台重归静止状态，连续采集在实验后零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；
关闭转台，开启采样软件，在较长时间采集点数为p的输出信号并保存数据F后i。
(50)标度因数获取：根据实验前后零漂信号和旋转状态信号，计算得到陀螺仪输出信号与输入角速率的线性斜率，即标度因数；
如图3所示，所述(50)标度因数获取步骤包括：
(51)平均零偏信号计算：按下式计算平均零偏信号，
Figure BDA0002318666270000031
式中，F前i为实验前零漂输出信号，F后i为实验后零漂输出信号，i＝1，2，…，p，p为零漂输出信号采集点数；
(52)平均旋转状态输出信号计算：按下式计算不同转速对应的平均旋转状态输出信号，
Figure BDA0002318666270000041
其中，对应的Fk,j为转速增加到rk时采集陀螺仪输出信号，F2m-k,j为转速减小到r2m-k时采集陀螺仪输出信号，j＝1，2，…，q，q为每个速度下采样点数，k＝0，1，…，m，m为输入不同速度个数；
(53)真实输出信号计算：按下式计算扣除零偏后，不同转速对应的真实旋转状态输出信号，
Figure BDA0002318666270000042
其中，
Figure BDA0002318666270000043
为不同转速下平均旋转状态输出信号，
Figure BDA0002318666270000044
为平均零偏信号，k＝0，1，…，m，m为输入不同速度个数；
(54)标度因数计算：按下式计算陀螺仪真实旋转状态输出信号与输入角速率的线性斜率，即陀螺仪标度因数K值，
Figure BDA0002318666270000045
其中，rk为输入角速率，Fk为扣除零偏后平均输出信号，k＝1，…，m，m为输入不同速度个数。
(60)振动状态信号测量：转台静止状态下，角振动台以不同频率、不同振幅振动，采集不同频率、不同振幅下硅微陀螺仪的振动状态输出信号；
所述(60)振动状态信号测量步骤具体为：
设置角振动台频率为f0，振幅为
Figure BDA0002318666270000046
开启角振动台持续时间v·Δt进行点数为v·b输出信号采样，v为采样周期个数，Δt为每个采样周期时间，b为每个采样周期采集点数，关闭振动台保存数据。
设置不同的频率、振幅进行试验，可以测试得到不同振动状态下陀螺仪的测量误差。
(70)角位移误差计算：根据振动状态输出信号和标度因数，计算得到振动状态下陀螺仪在振动过程中随时间积累的角位移误差。
如图4所示，所述(70)角位移误差计算步骤包括：
(71)敏感输入角速率计算：按下式计算每个采样周期Δt内陀螺仪敏感到的输入角速率，
Figure BDA0002318666270000051
其中，Fs为每个采样周期下的输出信号，s＝1，2，…，b，b为每个采样周期采集点数，a＝1，2，…，v，v为采样周期个数；
(72)角位移偏差计算：按下式计算振动状态下，陀螺仪振动误差随时间积累的角位移偏差，
Figure BDA0002318666270000052
其中，a＝1，2，…，v，v为采样周期个数。
如图所述，图5为硅微陀螺仪零偏漂移输出信号，从图5中可以看出在较长时间内陀螺仪输出信号幅值在0.0378周围波动，单位为V，并逐渐趋于稳定。
图6为测量的陀螺仪输入角速率和输出信号拟合示意图，得到线性拟合模型：
Figure BDA0002318666270000053
其中，rk为输入角速率，
Figure BDA0002318666270000054
为该输入角速率下平均输出信号，K为标度因数，F0为拟合零位漂移。
标度因数K计算可得0.03508，单位V/°/s。
图7为在频率为f0，振幅为
Figure BDA0002318666270000055
的振动状态下，扣除零偏漂移后利用此时标度因数K值计算敏感到的振动角速率，在图上可以看出此时敏感到振动角速率±5°/s周围波动，说明在此振动状态下，振动应力作用于陀螺仪输入轴，继而反应到陀螺仪输出角速率，从而造成测量精度失准。
图8为在振动测试过程中，陀螺仪振动引起角速率误差随时间积累的示意图，由此可以看到陀螺仪角位移朝向单一方向进行偏移，误差大小随着振动时间呈现线性增长，最终积累角位移误差为0.32°。
使用本发明方案，用于分析不同振动状态引起的输出信号测量误差，提高了位移精度，且结构简单、加工方便，极大降低了实验成本和工作量。对陀螺仪结构设计和误差补偿研究具有重要指导作用，为陀螺仪在实际振动环境下的应用提供了理论分析基础。

Claims (5)

1.一种硅微陀螺仪振动状态角位移误差测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)共轴放置：将角振动台固定在转台轴心处，将硅微陀螺仪固定安装在角振动台机内，使陀螺仪的敏感轴、角振动台的振动轴与转台共轴；
(20)实验前零漂信号测量：转台静止状态下，给硅微陀螺仪、转台上电，预热陀螺仪至零偏稳定，连续采集在实验前零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；
(30)旋转状态信号测量：转台以不同转速旋转，采集不同转速下硅微陀螺仪的旋转状态输出信号；
(40)实验后零漂信号测量：转台重归静止状态，连续采集在实验后零漂状态下硅微陀螺仪的零漂输出信号；
(50)标度因数获取：根据实验前后零漂信号和旋转状态信号，计算得到陀螺仪输出信号与输入角速率的线性斜率，即标度因数；
(60)振动状态信号测量：转台静止状态下，角振动台以不同频率、不同振幅振动，采集不同频率、不同振幅下硅微陀螺仪的振动状态输出信号；
(70)角位移误差计算：根据振动状态输出信号和标度因数，计算得到振动状态下陀螺仪在振动过程中随时间积累的角位移误差。
2.根据权利要求1所述的角位移误差测定方法，其特征在于，所述(30)旋转状态信号测量步骤具体为：
开启转台，设置转速r以步进Δr从0，r1，…，rm逐渐增大至最大rm，再以相同步进从rm，rm+1，…，r2m-1，0逐渐减小至0，且rk＝r2m-k，k＝0，1，…，m，在每个速度持续相同时间并进行点数为q的输出信号采样，保存数据Fk,j、F2m-k,j，
其中，对应的Fk,j为转速增加到rk时采集陀螺仪输出信号，F2m-k,j为转速减小到r2m-k时采集陀螺仪旋转状态输出信号。
3.根据权利要求2所述的角位移误差测定方法，其特征在于，所述(50)标度因数获取步骤包括：
(51)平均零偏信号计算：按下式计算平均零偏信号，
Figure FDA0002318666260000011
式中，F前i为实验前零漂输出信号，F后i为实验后零漂输出信号，i＝1，2，…，p，p为零漂输出信号采集点数；
(52)平均旋转状态输出信号计算：按下式计算不同转速对应的平均旋转状态输出信号，
Figure FDA0002318666260000021
其中，对应的Fk,j为转速增加到rk时采集陀螺仪输出信号，F2m-k,j为转速减小到r2m-k时采集陀螺仪输出信号，j＝1，2，…，q，q为每个速度下采样点数，k＝0，1，…，m，m为输入不同速度个数；
(53)真实输出信号计算：按下式计算扣除零偏后，不同转速对应的真实旋转状态输出信号，
Figure FDA0002318666260000022
其中，
Figure FDA0002318666260000023
为不同转速下平均旋转状态输出信号，
Figure FDA0002318666260000024
为平均零偏信号，k＝0，1，…，m，m为输入不同速度个数；
(54)标度因数计算：按下式计算陀螺仪真实旋转状态输出信号与输入角速率的线性斜率，即陀螺仪标度因数K值，
Figure FDA0002318666260000025
其中，rk为输入角速率，Fk为扣除零偏后平均输出信号，k＝1，…，m，m为输入不同速度个数。
4.根据权利要求3所述的角位移误差测定方法，其特征在于，所述(60)振动状态信号测量步骤具体为：
设置角振动台频率为f0，振幅为
Figure FDA0002318666260000026
开启角振动台持续时间v·Δt进行点数为v·b输出信号采样，v为采样周期个数，Δt为每个采样周期时间，b为每个采样周期采集点数，关闭振动台保存数据。
5.根据权利要求4所述的角位移误差测定方法，其特征在于，所述(70)角位移误差计算步骤包括：
(71)敏感输入角速率计算：按下式计算每个采样周期Δt内陀螺仪敏感到的输入角速率，
Figure FDA0002318666260000031
其中，Fs为每个采样周期下的输出信号，s＝1，2，…，b，b为每个采样周期采集点数，a＝1，2，…，v，v为采样周期个数；
(72)角位移偏差计算：按下式计算振动状态下，陀螺仪振动误差随时间积累的角位移偏差，
Figure FDA0002318666260000032
其中，a＝1，2，…，v，v为采样周期个数。
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