专利名称：静电陀螺仪极轴光电传感器分辨率的标定方法
静电陀螺仪极轴光电传感器分辨率的标定方法
■技术领域
本发明是静电陀螺仪中极轴光电传感器分辨率的标定方法。由于静电陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率和精度无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得。为测量极轴光电传感器分辨率的真实值，需要探究极轴光电传感器分辨率的标定方法，在陀螺仪光电测角系统进行正常測量前对极轴光电传感器的分辨率进行标定。本发明以空气静压支承模拟静电陀螺仪中的静电悬浮支悬转子的状态，使极轴光电传感器的光轴相对固联于地理坐标系的转子作切线运动，得到光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺实际工作状态相当的极轴光电传感器分辨率。由于静电陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率和精度无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得。在光电测角系统测量前对其测试精度进行标定。
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背景技术：
以陀螺仪为敏感元件的惯性导航系统为完全自主式系统。不依赖外界任何信息，也不向外发射任何能量，具有隐蔽性、全天候和全球导航能力。目前，惯性导航技术在空间遥感、地球物理勘探、大地測量等方面得到了广泛的应用。静电陀螺仪是利用静电カ使球形转子在自由悬浮状态下高速旋转的高精度惯性元件，与其它陀螺仪相比，具有独特的特点，结构上由ー个具有数对金属电极的陶瓷壳体和ー个球形金属转子组成，转子与支承之间没有机械接触，減少了干扰来源，具有一般框架陀螺难以达到的高精度。其漂移率�。阅芪榷ǎ峁辜虻�。静电陀螺仪主要是通过測量出其相对于当地水平面的表观运动角度，来估计当地的子午线方向，达到寻北的目的。陀螺仪不可避免地存在有干扰カ并使之产生漂移，从而引起自转轴相对惯性空间改变方位，影响静电陀螺的精度。静电陀螺仪在转子的极轴位置和赤道位置设置了两个光电传感器，称极轴传感器和赤道传感器。在陀螺转子表面极轴处和赤道处蒸镀上图谱，分别用极轴、赤道传感器读取图谱信息，经信号处理环节得到转子极轴相对于壳体的位置信号。这种方法适用于转子极轴相对于陀螺壳体偏转角较小的情况，在球形转子的极轴和赤道上刻上不反光的矩形漫反射图形，图谱对光呈漫反射，极轴光电传感器输出陀螺动量矩的位置信号，赤道光电传感器输出转速脉冲信号，作为极轴位置分离的基准。极轴传感器与陀螺极轴一致时，极轴光电传感器光斑中心对准极点，光斑的一半与极轴刻线重合，光线被散射，另ー半被转子面反射，被传感器接受元件转化为电信号。此时，转子转动一周中此信号为ー常量。当壳体相对于转子的位置发生变化吋，光斑与转子反射面重合的面积也不断变化，传感器输出的信号被转速调制，输出为类似于正弦的信号。同时，赤道光电传感器接收到陀螺转子转速脉冲信号，将此信号放大、整形、正交分离得到两路正交的方波信号。将这两路方波信号和极轴信号进行鉴相比较，可以得到转子极轴相对于壳体两正交轴的位置偏转角度。极轴传感器输出陀螺位置信号，赤道传感器输出陀螺转速脉冲信号。极轴传感器的分辨率直接影响着陀螺的测角精度。
静电陀螺极轴光电传感器小角度读取一般都采用光电检测方法，就国内外现有的小角度光电测量方法来看，所采用的光学系统可分为以下几类显微放大系统；准直(望远)系统；三角測量系统；光纤传输系统。显微放大系统的检测方式为，光源发出的光经过分光棱镜、聚光透镜，把光聚集成ー个光点，射到转子表面上，通过探测反射回来光强的变化，来检测转子的偏角。这种方式存在的问题是，光能利用率低、发热大、结构复杂，但安装调整还比较方便，可以满足极轴信号性能要求。准直(望远)系统的检测方式是把光源发出的光经过准直、分光棱镜、射到转子极轴，反射光经过分光棱镜直接进入光电探测器。自准直式的光斑相对比较大，如果用在小陀螺上，反射回来光的发散角比较大，影响精度。因为光路中存在分光棱镜，光能损耗较大，总体利用效率比较低。另外，准直仪式传感器结构复杂，体积也比较大，但安装调整比较方便。 三角測量方式就是从光源发射出来的光直接照射在转子极点，光电探测器接收反射回来的光。光源、光电探测器、反射面，三者呈三角形构造。这种方式最大的优点是光能利用率高，精心调整反射角，光能利用率能达到90%以上。另外，它的结构比较简单，所需元件很少，可靠性比较高。但是它的光路不可能以垂直的角度入射到转子极点，即使发出的光斑的圆度很好，照到极点上的光斑也是个椭圆，因而信号质量差，零位噪声大。光纤方式的静电陀螺测角系统是ー种新型传感器。它利用光纤的传光功能，把激光二极管发出的光耦合进入光纤中，光纤的另一端靠近转子极轴，传输光源能量的光纤在中间，周围分布着接收反射光的光纤。光纤直径小，一般只有几百微米，易实现传感器的微型化；光纤测角系统结构比较简单，传感器可以固定在金属套中，安装和调整相对比较容易。目前，静电陀螺仪光电传感器分辨率标定方法多采用以上几种方法，但是这几种方式在光能损耗及噪声方面还存在一些问题，角灵敏度不高，还不能够实现更理想的分辨率标定，因此，寻求新的光电传感器标定方法来完善系统势在必行。
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发明内容
本发明的目的是标定静电陀螺仪中极轴光电传感器的分辨率，此种方法应用于导航测角系统中，在测角系统常规工作前对其精度进行标定。该方法制作一个与陀螺外径相同井能模拟静电陀螺工作状态的球冠转子，将其联接到空气静压气浮轴的轴伸端上，极轴光电传感器固定在瓷碗上。两者之间径向微位移以实现光电传感器与模拟转子间的零位对中，轴向倾斜位移，使极轴光电传感器的光轴与固联于地理坐标系的模拟转子间作小角度切线运动，以模拟静电陀螺仪中光电传感器的输出和所对应的微小角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺实际工作状态相当的传感器分辨率。此种方法能够得到极轴光电传感器分辨率的真实值，并且结构简単。本发明的目的是由以下技术方案来实现①为使高速旋转时的转动惯量最�。Ｄ馔勇葑由杓瞥汕蚬冢郧蚬谧拥母咚傩硕Ｄ饩驳缤勇萸蛐巫拥脑硕＂诮Ｄ庾拥锥似矫媪拥娇掌惭蛊≈岬闹嵘於松希Ｄ饩驳缧〖际踔樱佑肫〉缰髦崃雍笥芍髦岬穆菪死粢韵拗谱拥闹嵯蛞贫桓咚傩逼≈岢械淖远ㄐ淖饔每梢钥刂谱佑肫≈髦岬牟煌岫�。③为保证球冠的结构对称度，设计时要求了球冠表面的同轴度及端面跳动；为保证球冠的表面光洁度及不破坏它的对称度，加工时由金刚刀车出镜面，而不需球面磨削エ序。④设计了出气孔，在高速运动状态下，克服了模拟转子与瓷碗间过于微小的空气间隙产生的空气阻滞现象。■有益效果采用本发明可以使静电陀螺仪中极轴光电传感器的光轴相对固联于地理坐标系的转子作切线运动，以模拟静电陀螺仪中光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺实际工作状态相当的传感器分辨率。
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图I为基于本发明的极轴光电传感器测角、标定、对中系统原理示意2为极轴光电传感器角度读出原理示意图
其中1_光电传感器，2-模拟转子，3-瓷碗，4-激光干涉仪，5-PZT，6-气浮轴承，7_片簧
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具体实施例方式下面结合附图对本发明做进ー步描述图I为极轴光电传感器测角、标定、对中系统原理示意图。模拟陀螺转子为ー个底端为平面的球冠转子，以减小转动惯量。将模拟转子底端平面联接到气浮轴的轴伸端上，模拟静电悬浮技术支悬转子。极轴光电传感器固定在瓷碗上，瓷碗与工作台相连。通过修切调整垫片，调节瓷碗与球形转子的轴向间隙；瓷碗的径向微位移由压电陶瓷微位移器PZT驱动调节，其调节量为螺钉的间隙；安装在瓷碗上的三对电容传感器(图上未画出)探测瓷碗与球形转子的径向间隙量，调整与探測的同时进行使两者之间达到静电陀螺仪的工作间隙。另ー个PZT对工作台微位移，使球形模拟转子相对于光电传感器作切线运动，以实现光电传感器的小角度偏移。激光干涉仪测量工作台的移动量，即光电传感器相对于模拟转子的切线运动量并换算成角度偏移量。工作时，空气静压轴承系统施加支撑控制カ矩，调整转子上的静压悬浮力，使转子在陶瓷碗内处于稳定的平衡状态。该方法克服了使实际陀螺仪产生漂移的干扰カ矩，使自转轴相对惯性空间有确定的方位，提供了一个精确的方位測量基准。
权利要求
1.静电陀螺仪中极轴光电传感器的标定方法，其特征在于由于陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得，采用能模拟陀螺工作状态的模拟转子并利用空气静压气浮轴的悬浮效应使该转子在静电引力模拟状态下高速旋转的方法，实现极轴光电传感器与模拟转子间的对中及微小角度偏移，精密測量出该微小角度偏移量后，可标定出极轴光电传感器分辨率的真实值。
2.如权利要求I所述的极轴光电传感器的标定方法，其特征在于为使高速旋转时的转动惯量最�。Ｄ庾由杓瞥汕蚬谛巫矗郧蚬谧拥母咚傩硕Ｄ饩驳缤勇菀侵星蛐巫拥脑硕�。
3.如权利要求2所述的极轴光电传感器的标定方法,其特征在于将球冠转子与空气静压气浮轴固联一体，使球冠转子在自由悬浮状态下高速旋转以模拟静电引力状态。
4.如权利要求3所述的极轴光电传感器的标定方法,其特征在于空气静压气浮轴对球冠转子施加支撑控制力矩以调整球冠转子上的静压悬浮力，使球冠转子克服漂移干扰カ矩并处于稳定的平衡状态。
5.如权利要求4所述的极轴光电传感器的标定方法,其特征在于高速旋转时空气静压气浮轴的自定心作用可以制约球冠转子工作转速时的不平衡偏心量及该不平衡量引起的球冠转子回转轴与空气静压气浮轴的不同轴度。
6.如权利要求I所述的极轴光电传感器的标定方法，其特征在于极轴光电传感器发出的光投射到球冠转子表面，当球冠转子没有偏移的时候，光斑以极轴为中心对称分布。
7.如权利要求6所述的极轴光电传感器的标定方法，其特征在于当球冠转子发生偏移后，其角位移会带来光束的能量偏差，即光斑的对称分布发生了变化，反射到极轴光电传感器上的光能量也产生变化，光能量的变化与极轴光电传感器与球冠转子相对位置的变化相互关联。
8.如权利要求7所述的极轴光电传感器的标定方法，其特征在于当球冠转子小角度偏移时，通过检测极轴光电传感器光能量的变化检测出该小角度偏移量，角偏移带来的光斑位移信息经电路处理系统处理后，转换为输出信号的振幅和频率信息，从而标定出极轴光电传感器分辨率的真实值。
全文摘要
本发明为静电陀螺仪极轴光电传感器分辨率的标定方法。该方法设计了外径与陀螺转子相同的球冠转子，其被联接到空气静压气浮轴上，球冠转子在自由悬浮状态下高速旋转以模拟静电引力状态。空气静压轴承系统施加支撑控制力矩以调节转子上的静压悬浮力，使转子在陶瓷碗内处于稳定的平衡状态，克服使陀螺仪产生漂移的干扰力矩。压电陶瓷微位移器PZT驱动工作台微位移，使极轴光电传感器的光轴与固联于地理坐标系的球冠转子间作小角度切线运动，以模拟静电陀螺仪光电传感器的输出和所对应的微小角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺仪实际工作状态相当的传感器分辨率。该方法能够准确地得到极轴光电传感器分辨率的真实值。
文档编号G01C25/00GK102650525SQ20111041512
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者惠梅, 邓年茂 申请人:北京理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
