[發明專利]靜電陀螺儀極軸光電傳感器分辨率標定系統

有效

• 申請號: 201110415098.3
• 申請日: 2011-12-13
• 公開（公告）號: CN102721423B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 惠梅;鄧年茂
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

■技術領域

本發明是靜電陀螺儀中極軸光電傳感器分辨率的標定系統。由于靜電陀螺的漂移和地球表觀運動的存在，極軸光電傳感器的分辨率和精度無法在陀螺本體或陀螺漂移測試臺上測得。為測量極軸光電傳感器分辨率的真實值，需要探究極軸光電傳感器分辨率的標定方法，在陀螺儀光電測角系統進行正常測量前對極軸光電傳感器的分辨率進行標定。本發明以空氣靜壓支承模擬靜電陀螺儀中的靜電懸浮支懸轉子的狀態，使極軸光電傳感器的光軸相對固聯于地理坐標系的轉子作切線運動，得到光電傳感器的輸出和所對應的角度偏移關系，在小角度范圍內測出與靜電陀螺實際工作狀態相當的極軸光電傳感器分辨率。由于靜電陀螺的漂移和地球表觀運動的存在，極軸光電傳感器的分辨率和精度無法在陀螺本體或陀螺漂移測試臺上測得。在光電測角系統測量前對其測試精度進行標定。

背景技術

以陀螺儀為敏感元件的慣性導航系統為完全自主式系統。不依賴外界任何信息，也不向外發射任何能量，具有隱蔽性、全天候和全球導航能力。目前，慣性導航技術在空間遙感、地球物理勘探、大地測量等方面得到了廣泛的應用。

靜電陀螺儀是利用靜電力使球形轉子在自由懸浮狀態下高速旋轉的高精度慣性元件，與其它陀螺儀相比，具有獨特的特點，結構上由一個具有數對金屬 電極的陶瓷殼體和一個球形金屬轉子組成，轉子與支承之間沒有機械接觸，減少了干擾來源，具有一般框架陀螺難以達到的高精度。其漂移率小，性能穩定，結構簡單。靜電陀螺儀主要是通過測量出其相對于當地水平面的表觀運動角度，來估計當地的子午線方向，達到尋北的目的。陀螺儀不可避免地存在有干擾力并使之產生漂移，從而引起自轉軸相對慣性空間改變方位，影響靜電陀螺的精度。

靜電陀螺儀在轉子的極軸位置和赤道位置設置了兩個光電傳感器，稱極軸傳感器和赤道傳感器。在陀螺轉子表面極軸處和赤道處蒸鍍上圖譜，分別用極軸、赤道傳感器讀取圖譜信息，經信號處理環節得到轉子極軸相對于殼體的位置信號。這種方法適用于轉子極軸相對于陀螺殼體偏轉角較小的情況，在球形轉子的極軸和赤道上刻上不反光的矩形漫反射圖形，圖譜對光呈漫反射，極軸光電傳感器輸出陀螺動量矩的位置信號，赤道光電傳感器輸出轉速脈沖信號，作為極軸位置分離的基準。極軸傳感器與陀螺極軸一致時，極軸光電傳感器光斑中心對準極點，光斑的一半與極軸刻線重合，光線被散射，另一半被轉子面反射，被傳感器接受元件轉化為電信號。此時，轉子轉動一周中此信號為一常量。當殼體相對于轉子的位置發生變化時，光斑與轉子反射面重合的面積也不斷變化，傳感器輸出的信號被轉速調制，輸出為類似于正弦的信號。同時，赤道光電傳感器接收到陀螺轉子轉速脈沖信號，將此信號放大、整形、正交分離得到兩路正交的方波信號。將這兩路方波信號和極軸信號進行鑒相比較，可以得到轉子極軸相對于殼體兩正交軸的位置偏轉角度。極軸傳感器輸出陀螺位置信號，赤道傳感器輸出陀螺轉速脈沖信號。極軸傳感器的分辨率直接影響著陀螺的測角精度。

靜電陀螺極軸光電傳感器小角度讀取一般都采用光電檢測方法，就國內外現 有的小角度光電測量方法來看，所采用的光學系統可分為以下幾類：顯微放大系統；準直(望遠)系統；三角測量系統；光纖傳輸系統。

顯微放大系統的檢測方式為，光源發出的光經過分光棱鏡、聚光透鏡，把光聚集成一個光點，射到轉子表面上，通過探測反射回來光強的變化，來檢測轉子的偏角。這種方式存在的問題是，光能利用率低、發熱大、結構復雜，但安裝調整還比較方便，可以滿足極軸信號性能要求。

準直(望遠)系統的檢測方式是把光源發出的光經過準直、分光棱鏡、射到轉子極軸，反射光經過分光棱鏡直接進入光電探測器。自準直式的光斑相對比較大，如果用在小陀螺上，反射回來光的發散角比較大，影響精度。因為光路中存在分光棱鏡，光能損耗較大，總體利用效率比較低。另外，準直儀式傳感器結構復雜，體積也比較大，但安裝調整比較方便。

三角測量方式就是從光源發射出來的光直接照射在轉子極點，光電探測器接收反射回來的光。光源、光電探測器、反射面，三者呈三角形構造。這種方式最大的優點是光能利用率高，精心調整反射角，光能利用率能達到90％以上。另外，它的結構比較簡單，所需元件很少，可靠性比較高。但是它的光路不可能以垂直的角度入射到轉子極點，即使發出的光斑的圓度很好，照到極點上的光斑也是個橢圓，因而信號質量差，零位噪聲大。