光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)有效期研究分析

黃家彬， 李 良， 尚學(xué)軍， 李 原

（96921 部隊(duì)， 北京 100020）

0 引言

光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)是慣性導(dǎo)航的核心部件， 廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代航空、航海、航天和國(guó)防工業(yè)中，用于測(cè)量其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 它的性能好壞將直接影響導(dǎo)航精度， 其測(cè)試有效期的長(zhǎng)短也在很大程度上決定了實(shí)際應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍， 因此開展慣性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試有效期研究具有十分重要的意義。 本文以某型光纖慣性測(cè)量組合為研究基礎(chǔ)， 通過(guò)對(duì)其連續(xù)1 年的測(cè)試參數(shù)開展分析， 來(lái)論證是否滿足1 年測(cè)試參數(shù)有效期的要求。

1 某型光纖慣性測(cè)量組合組成及技術(shù)性能指標(biāo)分類

1.1 某型光纖慣性測(cè)量組合組成

光纖慣性測(cè)量組合（以下簡(jiǎn)稱“慣組”）用于測(cè)量沿機(jī)體坐標(biāo)系三個(gè)方向的視加速度和角速度，供控制計(jì)算機(jī)建立數(shù)學(xué)平臺(tái)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算和導(dǎo)航計(jì)算。慣組主要由三軸一體光纖陀螺儀、IF 轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)接口與處理電路、結(jié)構(gòu)件以及石英加速度 計(jì) 等 組 成[1]，慣組組成原理框圖見圖1。

圖1 慣組系統(tǒng)原理框圖

1.2 某型光纖慣性測(cè)量組合技術(shù)性能指標(biāo)分類

慣組的要求指標(biāo)分類可以分為功能指標(biāo)、 一次通電指標(biāo)及逐次通電指標(biāo)。 功能類指標(biāo)包含產(chǎn)品物理特性（如重量、外觀、機(jī)械接口等）、電氣特性（電流、電壓等）以及軟件功能等。 一次通電指標(biāo)包括光纖陀螺儀及加表的零偏穩(wěn)定性、加表標(biāo)定因數(shù)穩(wěn)定性、陀螺標(biāo)度因數(shù)非線性、陀螺隨機(jī)游走、安裝誤差、動(dòng)態(tài)特性等指標(biāo)[2]。 逐次通電指標(biāo)主要是重復(fù)性指標(biāo)， 主要包括陀螺及加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)、零偏重復(fù)性。 以上三類指標(biāo)中，逐次通電指標(biāo)主要是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多次測(cè)試的標(biāo)度因數(shù)及零偏的重復(fù)性。 為驗(yàn)證三類指標(biāo)數(shù)據(jù)滿足1 年參數(shù)有效期標(biāo)準(zhǔn)要求， 對(duì)本批次型號(hào)的光纖慣組的長(zhǎng)期測(cè)試參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

2 光纖陀螺相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)技術(shù)條件要求，慣組主要測(cè)試數(shù)據(jù)包含：絕緣與特征阻值檢查、通訊協(xié)議檢查、位置測(cè)試、速率測(cè)試、頻率特性測(cè)試等測(cè)試環(huán)節(jié)。

2.1 本型號(hào)慣組1 年測(cè)試數(shù)據(jù)有效期分析

以本型號(hào)一套光纖慣組1 年測(cè)試數(shù)據(jù)展開參數(shù)有效期分析[5-6]，該光纖慣組1 年內(nèi)累計(jì)24 次的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab 進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見圖2～圖5。從圖2～圖5 可以看出光纖陀螺零位偏差、一次通電穩(wěn)定性、隨機(jī)游走系數(shù)等數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，光纖陀螺零位相關(guān)誤差參數(shù)穩(wěn)定，不存在隨時(shí)間漂移的趨勢(shì)；陀螺標(biāo)度因數(shù)存在緩慢變化，但變化趨勢(shì)很慢。

圖2 陀螺零位測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 陀螺標(biāo)度因數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 光纖陀螺一次通電穩(wěn)定性

圖5 光纖陀螺隨機(jī)游走

2.2 某批產(chǎn)多套同型號(hào)光纖陀螺測(cè)試數(shù)據(jù)分析

下面以某批產(chǎn)的同型號(hào)多套光纖慣組測(cè)試數(shù)據(jù)展開參數(shù)有效期分析， 該光纖慣組間隔1 年的測(cè)試數(shù)據(jù)分析計(jì)算結(jié)果見圖6～圖9。 由圖6 數(shù)據(jù)可知多只光纖陀螺儀時(shí)隔1 年后測(cè)試光纖陀螺零位重復(fù)性滿足≤0.9°/h（3σ）；由圖7 數(shù)據(jù)可知光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)最大為276.5ppm，100%滿足≤300ppm（3σ）要求；由圖8 數(shù)據(jù)上述數(shù)據(jù)可知光纖陀螺在時(shí)隔1 年后測(cè)試隨機(jī)游走系數(shù)最大為0.0198，光纖陀螺隨機(jī)游走系數(shù)100%滿足≤0.09°/h0.5（3σ）的要求；由圖9 數(shù)據(jù)可知光纖陀螺在時(shí)隔1 年后測(cè)試一次通電穩(wěn)定性最大為0.4206， 光纖陀螺一次通電穩(wěn)定性100%滿足≤0.9（°）/h（3σ）的要求。

圖6 光纖陀螺常值漂移誤差（（°）/h）

圖7 光纖陀螺標(biāo)定因數(shù)誤差（（°）/h）

圖8 光纖陀螺隨機(jī)游走（（°）/h0.5，1σ）

圖9 光纖陀螺一次通電穩(wěn)定性（（°）/h，1σ）

2.3 光纖陀螺主要技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定性總結(jié)

光纖陀螺零偏、 一次通電穩(wěn)定性及隨機(jī)游走系數(shù)等相關(guān)誤差的主要誤差源來(lái)源于光纖陀螺光電子器件的性能不理想等因素[3-4]。這是光電子器件的固有特性，不會(huì)隨時(shí)間變化。從上述相關(guān)誤差指標(biāo)的分析結(jié)果可知，光纖陀螺零偏、一次通電穩(wěn)定性及隨機(jī)游走系數(shù)穩(wěn)定，不存在隨時(shí)間漂移的趨勢(shì)。由于本型號(hào)光纖陀螺采用無(wú)骨光纖環(huán)，光纖環(huán)平均直徑相對(duì)傳統(tǒng)有骨陀螺， 其穩(wěn)定性有較大提高。 另外本慣組的光纖陀螺選用的超輻射發(fā)光二極管作為光纖光源，光源平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性好，可提高光纖陀螺長(zhǎng)期標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性， 此外光纖陀螺采用閉環(huán)技術(shù)來(lái)控制相位調(diào)制器的電壓使其穩(wěn)定， 進(jìn)一步提供標(biāo)度因數(shù)的性能，從而光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性得到改善。

從上述標(biāo)度因數(shù)指標(biāo)結(jié)果分析結(jié)果可知， 陀螺標(biāo)度因數(shù)雖然存在緩慢的漂移趨勢(shì)， 但指標(biāo)都能滿足指標(biāo)要求，本項(xiàng)目光纖陀螺采取了使用無(wú)骨光纖環(huán)、閉環(huán)控制等措施，能夠提高標(biāo)度因數(shù)性能。因此本項(xiàng)目光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)能夠滿足1 年參數(shù)有效期的指標(biāo)要求， 且有較大余量。 測(cè)試結(jié)果可表明本型號(hào)光纖慣性測(cè)量組合光纖陀螺相關(guān)技術(shù)指標(biāo)能夠滿足1 年穩(wěn)定性要求。

3 石英加速度計(jì)相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

石英加速度計(jì)的主要工作原理為利用擺片的慣性，獲得與加速度輸入成比例的電流， 通過(guò)對(duì)電流的采樣獲得輸入加速度信息。 當(dāng)沿加速度計(jì)的輸入軸方向有加速度時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量受到慣性力矩的作用，在慣性力矩的作用下，由于撓性梁的支承和約束作用，擺片將連同線圈一同發(fā)生移動(dòng)。差動(dòng)電容傳感器敏感此位移，并通過(guò)伺服回路向線圈輸出與之相對(duì)應(yīng)的電流， 該電流和力矩器的磁場(chǎng)相互作用， 產(chǎn)生電磁力矩。 電磁力矩和慣性力矩大小相等，方向相反，抵消慣性力矩的作用，使擺片始終保持在零位。此時(shí)輸出電流的大小和輸入的加速度成正比，因此可以作為對(duì)加速度的電氣測(cè)量。

3.1 本型號(hào)石英加速度計(jì)24 次測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)本型號(hào)的加速度計(jì)長(zhǎng)達(dá)1 年的24 次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，觀察零位變化及其重復(fù)性、加表正向標(biāo)度因數(shù)及其重復(fù)性和加表負(fù)向標(biāo)度因數(shù)及其重復(fù)性， 通過(guò)Matlab 進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見圖10～圖12。

圖10 本型號(hào)石英加速度計(jì)零位變化

圖11 本型號(hào)加表正向標(biāo)度因數(shù)

圖12 本型號(hào)加表負(fù)向標(biāo)度因數(shù)

3.2 本型號(hào)2 套慣組的石英加速度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)本型號(hào)2 個(gè)慣組的加速度計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，觀察零位變化和加表標(biāo)度因數(shù)變化。

3.2.1 本型號(hào)慣組的石英加速度計(jì)零位的影響分析

對(duì)加速度計(jì)零位精度影響因素包括： ①石英表核心敏感器件石英擺片在機(jī)械研磨→激光切割→酸銑→鍍膜成型加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；②內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)件采用機(jī)械加工方式生產(chǎn)，雖經(jīng)穩(wěn)定化工藝措施仍存在剩余加工應(yīng)力；③裝配中相互配合的零組件存在尺寸公差和形位公差，使得零件不可能理想地接觸， 造成裝配后零組件處于變形狀態(tài)，引入應(yīng)力；④石英擺片與其周圍接觸零件軛鐵和骨架的膨脹系數(shù)不同，溫度變化時(shí)將引入熱應(yīng)力；⑤石英表內(nèi)部零組件之間采用膠粘劑連接，膠粘劑材料的分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)活性受內(nèi)部影響因素（自身鏈結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)）和外部影響因素（溫度、應(yīng)力和物理老化）的影響，會(huì)產(chǎn)生蠕變， 蠕變是通過(guò)分子鏈段的逐漸伸展或相對(duì)滑移實(shí)現(xiàn)的，結(jié)果不僅會(huì)造成力學(xué)松弛，還會(huì)使得被粘接的構(gòu)件發(fā)生相對(duì)位移，變形后不能回到原位，膠粘應(yīng)力通過(guò)中心擺傳遞到撓性平橋，進(jìn)而敏感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使得偏值隨時(shí)間發(fā)生漂移；⑥石英表腹帶在預(yù)緊力作用下通過(guò)激光點(diǎn)焊裝配，必然會(huì)產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力，焊接應(yīng)力隨時(shí)間會(huì)發(fā)生釋放，使得軸向預(yù)緊力發(fā)生變化、應(yīng)力通過(guò)擺片外環(huán)傳遞到撓性平橋，進(jìn)而敏感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使得偏值發(fā)生漂移。 以上各種應(yīng)力在儀表使用過(guò)程中隨著時(shí)間積累而緩慢釋放，部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)的應(yīng)力釋放將造成石英表偏值漂移。

通過(guò)Matlab 進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見圖13～圖14。 由圖13和圖14 可以看出， 加表零位隨時(shí)間發(fā)生緩慢的漂移，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的漂移都未超過(guò)加速度計(jì)的穩(wěn)定性指標(biāo)，表示可以利用加速度計(jì)短期測(cè)試零位代表長(zhǎng)期測(cè)試零位。

圖13 1 號(hào)慣組加表零位變化圖

圖14 2 號(hào)慣組加表零位變化

3.2.2 本型號(hào)慣組的石英加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)數(shù)據(jù)分析

石英加表的力矩器采用永磁動(dòng)圈式對(duì)頂結(jié)構(gòu)， 兩個(gè)磁路相互獨(dú)立形成推挽結(jié)構(gòu)。 永磁材料的重復(fù)性直接影響著力矩器系數(shù)的重復(fù)性進(jìn)而影響了石英表標(biāo)度因數(shù)K1 的重復(fù)性。 磁性材料的局部區(qū)域存在熱擾動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、 外磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)等產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響了磁性材料的磁狀態(tài)，這些磁場(chǎng)隨著時(shí)間會(huì)發(fā)生緩慢變化，使磁體內(nèi)部狀態(tài)不斷調(diào)整達(dá)到新的平衡，最終則表現(xiàn)為標(biāo)度因數(shù)K1隨時(shí)間緩慢漂移。石英表磁路中采用膠粘劑連接，膠粘劑的重復(fù)性緩慢變化會(huì)使得敏感質(zhì)量的質(zhì)心和電磁力的力心變化，從而使得加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)發(fā)生漂移。

通過(guò)Matlab 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析， 結(jié)果見圖15～圖16。由圖15 和圖16 可以看出，加表標(biāo)度因數(shù)隨時(shí)間發(fā)生緩慢的漂移， 但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的漂移都未超過(guò)加速度計(jì)的穩(wěn)定性指標(biāo)， 表示可以利用加速度計(jì)短期測(cè)試標(biāo)度因數(shù)代表長(zhǎng)期測(cè)試零位。

圖15 1 號(hào)慣組加表標(biāo)度因數(shù)變化圖

圖16 2 號(hào)慣組加表標(biāo)度因數(shù)變化

3.3 加速度計(jì)數(shù)據(jù)分析小結(jié)

從加表的測(cè)試結(jié)果可知， 加表零位和標(biāo)度因數(shù)存在緩慢漂移的趨勢(shì)， 在產(chǎn)品測(cè)試初期， 零位和標(biāo)度因數(shù)漂移較快，在后期逐漸趨于穩(wěn)定，這與加表誤差機(jī)理分析結(jié)果相一致。 結(jié)合本型號(hào)2 套產(chǎn)品加表測(cè)試結(jié)果和本項(xiàng)目多只單表測(cè)試結(jié)果， 可以表明本型號(hào)光纖慣性測(cè)量組合石英加速度計(jì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)能夠滿足1 年穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)論

通過(guò)本產(chǎn)品及部分批產(chǎn)產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)分析，同時(shí)對(duì)本型號(hào)選用加速度計(jì)1 年的穩(wěn)測(cè)數(shù)據(jù)分析，表明本型號(hào)光纖慣性測(cè)量組合能夠滿足1 年的穩(wěn)定性要求，因此該型號(hào)的光纖慣性測(cè)量組合具有較寬的應(yīng)用范圍和時(shí)間區(qū)間供用戶使用。