CN109813296B

CN109813296B - 一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置和方法

Info

Publication number: CN109813296B
Application number: CN201910224761.8A
Authority: CN
Inventors: 黄腾超; 牟家鹏; 杨建华; 车双良; 舒晓武
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-24
Filing date: 2019-03-24
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2039-03-24
Also published as: CN109813296A

Abstract

本发明公开了一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置及方法。角度测量装置包括箱体底座、调心轴承、调平平台、支撑弹簧、调心轴，调心轴承安装在箱体底座上，调心轴的上端与调平平台固定，支撑弹簧安装在调平平台和箱体底座之间，用于支撑和隔震；调平平台上设有倾角传感器，光纤陀螺固定在调平平台上，位于调心轴的正上方；调平平台上设有倾斜调节单元和锁紧单元。角度测量方法，1）光纤陀螺标度因数的预标定；2）实际测量。本发明能根据倾角传感器的输出调节调平平台的倾斜状态来消除其对标度因数的影响，或者根据倾角传感器的输出对角度测量结果进行补偿，从而消除在不同场合下由于安装平面的倾斜状态不同引起的标度因数误差。

Description

一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置及方法。

背景技术

角度测量是几何量测量技术中的一个重要组成部分，并越来越广泛地应用于航空航天、半导体制造、光机电一体化等领域。目前的一些角度测量方法中，例如激光干涉、莫尔条纹技术和环形激光等方法在实际应用时在精度、灵敏度以及动态范围方面会有较大的局限性。光纤陀螺(FOG)是一种基于Sagnac效应的角速度传感器，它具有启动速度快、动态范围广、结构简单、价格低、精度和灵敏度高等优点，因此，光纤陀螺已经在角度测量领域得到了广泛应用。目前，光纤陀螺的标度因数是影响角度测量精度的一个重要因素，而标度因数是一个随光纤陀螺的安装状态变化的量，因此，在每次安装好光纤陀螺进行测试之前，为了避免安装误差带来的影响，都需要对标度因数重新进行标定。当实际应用场合中缺少转台等角度发生装置而无法进行标定时，将给光纤陀螺的使用造成不便，甚至不能确保测量的准确性。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供了一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置及方法。

一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置，包括箱体底座、调心轴承、调平平台、支撑弹簧、调心轴，调心轴承安装在箱体底座上，调心轴的上端与调平平台固定，支撑弹簧安装在调平平台和箱体底座之间，用于支撑和隔震；

调平平台上设有倾角传感器，光纤陀螺固定在调平平台上，位于调心轴的正上方；

调平平台上设有倾斜调节单元和锁紧单元。

所述的倾斜调节单元包括螺纹副、螺纹副金属帽、螺纹副金属竿，螺纹副固定在调平平台，螺纹副金属帽套接在螺纹副金属竿上，螺纹副金属竿通过调平平台上的通孔将箱体底座、调平平台和螺纹副连接在一起，通过螺纹副金属帽带动螺纹副金属竿旋转，从而调节调平平台的倾斜状态。

所述的锁紧单元包括锁紧螺杆、锁紧螺杆金属帽，锁紧螺杆金属帽套接在锁紧螺杆上，锁紧螺杆与螺纹副相连接，在将调平平台的倾斜状态调整到合适状态时，通过旋转锁紧螺杆金属帽来带动锁紧螺杆实现调平平台的倾斜状态的锁定。

一种采用所述的角度测量装置的角度测量方法，

1）光纤陀螺标度因数的预标定；

2）实际测量。

所述的1）光纤陀螺标度因数的预标定，调平平台处于水平状态或者处于非水平状态时进行标定。

本发明的有益效果：

本发明利用光纤陀螺敏感外部的角速度信息，实现对角度的测量。针对光纤陀螺标度因数受到安装平面及安装状态影响的特性，设计了一种可调节的调平平台，将光纤陀螺和倾角传感器固定安装在可调节的调平平台上，相比于一般的安装方式，不但消除了不同应用场合下安装平面之间的差异带来的安装误差的影响，而且由于所安装的调平平台的倾斜状态可调节，实际使用时能根据倾角传感器的输出调节调平平台的倾斜状态来消除其对标度因数的影响，或者根据倾角传感器的输出对角度测量结果进行补偿，从而消除在不同场合下由于安装平面的倾斜状态不同引起的标度因数误差，从而保证角度测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置的一种结构示意图；

其中：箱体底座1、调心轴承2、调平平台3、光纤陀螺4、倾角传感器5、螺纹副6、螺纹副金属帽7、螺纹副金属竿8、锁紧螺杆9、锁紧螺杆金属帽10、支撑弹簧11、调心轴12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种消除光纤陀螺标度因数误差的角度测量装置，包括箱体底座1、调心轴承2、调平平台3、支撑弹簧11、调心轴12，调心轴承2安装在箱体底座1上，调心轴12的上端与调平平台3固定，因此，当调平平台3的倾斜状态发生改变时，调心轴12的倾斜方向在调心轴承2的作用下随调平平台3的倾斜状态发生相应改变，支撑弹簧11有多根，安装在调平平台3和箱体底座1之间，用于支撑和隔震。

调平平台3上设有倾角传感器5，光纤陀螺4固定在调平平台3上，位于调心轴12的正上方，通过倾角传感器5的输出确定调平平台3的倾斜状态，因此，不管实际应用场合如何，调平平台3就是光纤陀螺4的安装平台，这样保证了在不同应用情况下安装平台的一致性，能有效避免因为安装平台的差异引起的标度因数的误差。

调平平台3上设有倾斜调节单元和锁紧单元。

所述的倾斜调节单元包括螺纹副6（一共4个，分布在调平平台3的四角）、螺纹副金属帽7（一共4个，分布在调平平台3的四角）、螺纹副金属竿8（一共4个，分布在调平平台3的四角），螺纹副6固定在调平平台3上，螺纹副金属帽7套接在螺纹副金属竿8上，螺纹副金属竿8通过调平平台3上的通孔将箱体底座1、调平平台3和螺纹副6连接在一起，通过螺纹副金属帽7带动螺纹副金属竿8旋转，从而调节调平平台3的倾斜状态，该设计能实现在不同场合下通过调节调平平台3来保证光纤陀螺安装平面（即调平平台3）的倾斜状态的一致性。

所述的锁紧单元包括锁紧螺杆9（一共4个，分布在调平平台3的四角）、锁紧螺杆金属帽10（一共4个，分布在调平平台3的四角）。锁紧螺杆金属帽10套接在锁紧螺杆9上，锁紧螺杆9与螺纹副6相连接，在将调平平台3的倾斜状态调整到合适状态时，通过旋转锁紧螺杆金属帽10来带动锁紧螺杆9实现调平平台3的倾斜状态的锁定。

实施例

本发明装置使用时，一般有两种使用方法，具体如下：

方法一：

1、光纤陀螺标度因数的预标定；首先，将本发明装置安装在一个角度/角速度发生装置上（例如：高精度转台等）对光纤陀螺4的标度因数精确标定，标定之前，松开锁紧螺杆9，让调平平台3处于可调节状态，通过旋转套接在螺纹副金属竿8上的螺纹副金属帽7带动螺纹副金属竿8旋转，从而调节调平平台3的倾斜状态，调节过程中不断实时采集倾角传感器5的输出，直到倾角传感器5的输出为零，表明此时的调平平台3已经处于水平状态。然后拧紧锁紧螺杆9，锁定调平平台3的当前状态，开始进行光纤陀螺标度因数的标定，将标定得到的标度因数值记为K。

2、不同场合下的实际测量；当使用本发明装置进行实际角度测量时，将本发明装置安装在实际被测载体的平面上，由于载体平面与标度因数的预标定时的角度/角速度发生装置的平面之间存在差异或由于安装过程造成的偏差等原因，此时倾角传感器5的输出可能已经不为0，即调平平台3已经不处于水平位置，若此时直接使用之前K作为标度因数就会产生误差。因此，松开锁紧螺杆9，让调平平台3处于可调节状态，通过旋转套接在螺纹副金属竿8上的螺纹副金属帽7带动螺纹副金属竿8旋转，从而调节调平平台3的倾斜状态，直到倾角传感器5的输出为零，表明此时的调平平台3已经重新处于水平状态。然后旋转锁紧螺杆9，锁定调平平台3的当前状态，此时再使用之前的标度因数K进行实际测量。假设在测量过程中，光纤陀螺4的单点输出角增量值(这里的输出值指的是光纤陀螺在减去静态输出后的值)记为F_i，总采样点数为N，则角度测量结果θ表示为：

。

方法二：

1、光纤陀螺标度因数的预标定；首先，将本发明装置安装在一个角度/角速度发生装置上（例如：高精度转台等）对光纤陀螺4的标度因数精确标定，但该方法不需要调节调平平台3使倾角传感器5输出为零，只需记录下标定光纤陀螺标度因数时对应的倾角传感器5的输出，记为（α，β），其中α表示倾角传感器5输出的沿X轴方向上的倾角，β表示倾角传感器5输出的沿Y轴方向上的倾角，并将该状态下标定的标度因数记为K _{（α，β）}。此时，调平平台3的法线方向与水平面的法线方向之间的夹角

可以表示为：

；

2、不同场合下的实际测量；当使用本发明装置进行实际角度测量时，将本发明装置安装在实际被测载体的平面上，开始测量之前，记录下此时倾角传感器5的输出，记为（α₁，β₁）。此时，调平平台3的法线方向与水平面的法线方向之间的夹角

可以表示为：

；

假设在测量过程中，光纤陀螺4的单点输出角增量值(这里的输出值指的是光纤陀螺在减去静态输出后的值)记为F_i，总采样点数为N，则角度测量结果θ表示为：

。

在本发明装置中，通过调平平台3的设计不仅实现了在针对不同被测载体时光纤陀螺安装平面的一致性，从而避免了安装平面的差异带来的误差，而且通过将调平平台3和倾角传感器5的输出相结合，实现了装置在应用于不同的被测载体时光纤陀螺4的安装平面的倾斜状态的调节和角度测量结果的补偿，从而实现了预标定的标度因数在不同被测载体上的通用，可以有效避免实际使用时因使用条件的限制造成的标度因数无法重新标定时直接使用预标定的标度因数存在误差的问题。

Claims

1.一种采用角度测量装置无需在调平状态下进行角度测量的方法，其特征在于，

1）光纤陀螺标度因数在调平平台处于任意状态下的预标定：

首先，将角度测量装置安装在一个角度/角速度发生装置上对光纤陀螺（4）的标度因数精确标定，不需要调节调平平台（3）使倾角传感器（5）输出为零，只需记录下标定光纤陀螺标度因数时对应的倾角传感器（5）的输出，记为（α，β），其中α表示倾角传感器（5）输出的沿X轴方向上的倾角，β表示倾角传感器（5）输出的沿Y轴方向上的倾角，并将该状态下标定的标度因数记为K _{（α，β）}；此时，调平平台（3）的法线方向与水平面的法线方向之间的夹角

表示为：

；

2）实际测量：

进行实际角度测量时，将角度测量装置安装在实际被测载体的平面上，开始测量之前，记录下此时倾角传感器（5）的输出，记为（α₁，β₁），此时调平平台（3）的法线方向与水平面的法线方向之间的夹角

表示为：

；

假设在测量过程中，光纤陀螺（4）的单点输出角增量值记为F_i，总采样点数为N，则角度测量结果θ表示为：

；

所述的角度测量装置，包括箱体底座（1）、调心轴承（2）、调平平台（3）、支撑弹簧（11）、调心轴（12），调心轴承（2）安装在箱体底座（1）上，调心轴（12）的上端与调平平台（3）固定，支撑弹簧（11）安装在调平平台（3）和箱体底座（1）之间，用于支撑和隔震；

调平平台（3）上设有倾角传感器（5），光纤陀螺（4）固定在调平平台（3）上，位于调心轴（12）的正上方；

调平平台（3）上设有倾斜调节单元和锁紧单元。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的倾斜调节单元包括螺纹副（6）、螺纹副金属帽（7）、螺纹副金属竿（8），螺纹副（6）固定在调平平台（3）上，螺纹副金属帽（7）套接在螺纹副金属竿（8）上，螺纹副金属竿（8）通过调平平台（3）上的通孔将箱体底座（1）、调平平台（3）和螺纹副（6）连接在一起，通过螺纹副金属帽（7）带动螺纹副金属竿（8）旋转，从而调节调平平台（3）的倾斜状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的锁紧单元包括锁紧螺杆（9）、锁紧螺杆金属帽（10），锁紧螺杆金属帽（10）套接在锁紧螺杆（9）上，锁紧螺杆（9）与螺纹副（6）相连接，在将调平平台（3）的倾斜状态调整到合适状态时，通过旋转锁紧螺杆金属帽（10）来带动锁紧螺杆（9）实现调平平台（3）的倾斜状态的锁定。