一種高精度動態(tài)測角裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高精度動態(tài)測角技術，涉及一種高精度的動態(tài)測角裝置及方法。
【背景技術】
[0002]角度測量是幾何量計量技術的重要組成部分，目前工業(yè)上主要存在以下幾類測角方法:機械測角方法、電磁測角方法、光學測角方法和光電測角方法。機械測量方法以多齒分度臺為代表，其結構簡單、成本低，但通常存在設備體積大、不能實時動態(tài)測量的缺點；電磁測角方法以感應同步器為代表，其運行速度快、穩(wěn)定可靠，但存在與被測系統(tǒng)耦合度高、裝配精度要求高的缺點；光學測角方法以激光干涉測角儀為代表，其具有高精度、非接觸的優(yōu)點，但同時存在光路復雜、測角范圍小的缺點；光電測角方法以光學碼盤式傳感器測角和圖像傳感器測角為代表，二者都有廣泛的應用，但前者存在測角分辨率受限的缺點，后者則存在環(huán)境適應性差、現(xiàn)場調(diào)試復雜的缺點。
[0003]空間四頻差動激光陀螺是一種高精度、全固態(tài)的慣性角速度傳感器，它能夠敏感投影到其敏感軸上的角速度分量，對該分量進行積分即可得到相應的轉(zhuǎn)角信息。空間四頻差動激光陀螺用于測角具有下列優(yōu)勢:
[0004](I)真正意義上的全固態(tài)激光陀螺，無機械抖動部件，不會給被測載體帶來反力矩作用；
[0005](2)刻度系數(shù)線性度和重復性均優(yōu)于lppm，且溫度系數(shù)極低，環(huán)境適應性好；
[0006](3)可利用分辨率增強技術實現(xiàn)刻度系數(shù)高度細分，角分辨率最高可達到0.0003"；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是:提供一種基于空間四頻差動激光陀螺，測量精度高、動態(tài)范圍大、角分辨率高的動態(tài)測角裝置。
[0008]另外，本發(fā)明還提供一種高精度動態(tài)測角方法。
[0009]本發(fā)明的技術方案是:一種高精度動態(tài)測角裝置，其包括空間四頻差動激光陀螺，柔性電纜，陀螺控制/解調(diào)電路，圓感應同步器，感應同步器解調(diào)電路，角增量信號處理電路，連接總線及測角計算機，其中，所述空間四頻差動激光陀螺經(jīng)由過渡板安裝在待測轉(zhuǎn)軸上，其輸出直接正比于投影到其敏感軸上的慣性空間角速度分量，空間四頻差動激光陀螺、柔性電纜及陀螺控制/解調(diào)電路連接到角增量信號處理電路上，所述圓感應同步器環(huán)繞設置在待測轉(zhuǎn)軸上，圓感應同步器經(jīng)感應同步器解調(diào)電路連接到角增量信號處理電路上，所述角增量信號處理電路利用感應同步器解調(diào)電路的粗精度角位置輸出對陀螺控制/解調(diào)電路的慣性空間角速率分量進行修正，得到轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角速率，并對該角速率進行積分，從而得到轉(zhuǎn)軸當前的精確角位置，并發(fā)送到測角計算機。
[0010]所述過渡板采用不銹鋼加工而成，表面不平整度要求優(yōu)于10 4。
[0011]所述連接總線為422總線。
[0012]一種高精度動態(tài)測角方法，其利用測量空間四頻激光陀螺敏感軸上的慣性空間角速率投影分量，并根據(jù)圓感應同步器的角位置輸出利用插值法來精確地得到當前位置下陀螺敏感軸上的慣性空間角速率分量，并在陀螺輸出中將當前的慣性空間角速率分量減去，從而大幅提聞測角精度。
[0013]所述的高精度動態(tài)測角方法，其包括如下步驟:
[0014]步驟1:陀螺刻度系數(shù)標定
[0015]將陀螺固定到待測轉(zhuǎn)軸的端面上，啟動陀螺，預熱時間不小于10分鐘，掃描并設定好陀螺的工作參數(shù)后，并開始采數(shù)，發(fā)送啟動掃描鏡轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動命令，轉(zhuǎn)軸以確定的角速度逆時針轉(zhuǎn)動η圈并停止，陀螺停止采數(shù)，測角軟件自動計算累計的脈沖數(shù)；在同樣的陀螺工作參數(shù)下，轉(zhuǎn)軸以相同的角速度順時針轉(zhuǎn)動η圈并停止，陀螺停止采數(shù)，測角軟件計算累計的脈沖數(shù)；并根據(jù)確定的公式計算出測角傳感器的刻度系數(shù)ki ；
[0016]步驟2:陀螺慣性空間角速率投影分量標定
[0017]設定好與步驟I相同的陀螺工作參數(shù)，陀螺開始采數(shù)T秒，并計算該T秒內(nèi)陀螺輸出量的均值，即為慣性空間角速率在陀螺敏感軸上的投影；將轉(zhuǎn)臺整圓周以10度間隔等分為36個角位置，測量出其中每個角位置處的慣性空間角速率投影分量，從而得到陀螺敏感軸上的慣性空間角速率投影分量隨轉(zhuǎn)軸角位置的對應關系；
[0018]步驟3:完成動態(tài)角度測量
[0019]待測轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動，圓感應同步器通過TTL信號與動態(tài)測角裝置同步，陀螺控制/解調(diào)電路對陀螺輸出進行脈沖計數(shù)，乘以步驟I中所標定得到的刻度系數(shù)ki，即得到陀螺相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動角速度，再利用插值法減去步驟2中得到的慣性空間角速率在陀螺敏感軸上的投影量，并對時間進行累計求和，就能夠得到待測轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)過的角度。該測角儀的角度增量數(shù)據(jù)更新率可做到1kHz。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點是:所涉及的高精度動態(tài)測角裝置采用刻度系數(shù)可高度細分的空間四頻差動激光陀螺。該發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對待測轉(zhuǎn)軸的高精度動態(tài)測量，可達到1kHz的數(shù)據(jù)更新率及亞角秒的測角精度，在高精度測角及動態(tài)測角領域具有較佳的實際應用價值。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明所涉及的高精度動態(tài)測角裝置結構示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明所采用的四頻差動激光陀螺的諧振腔中運轉(zhuǎn)的四束激光在頻率軸上的分布示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明中四頻差動激光陀螺的敏感軸與待測轉(zhuǎn)軸之間夾角的示意圖；
[0024]其中，I是空間四頻差動激光陀螺，2是柔性電纜，用于傳輸陀螺控制及輸出信號，3是陀螺控制/解調(diào)電路，4是角增量信號處理電路，5是422串口總線，6是過渡板，7是圓感應同步器，8是感應同步器解調(diào)電路，9是待測轉(zhuǎn)軸，10-測角計算機。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明:
[0026]請參閱圖1，其是本發(fā)明所針對的高精度動態(tài)測角裝置的結構及組成部件。本發(fā)明動態(tài)測角裝置包括空間四頻差動激光陀螺1，柔性電纜2，陀螺控制/解調(diào)電路3，圓感應同步器7，感應同步器解調(diào)電路8，角增量信號處理電路4，422總線5，及測角計算機10，其中，所述空間四頻差動激光陀螺I經(jīng)由過渡板6安裝在待測轉(zhuǎn)軸9上，二者之間采用螺釘或機械緊固裝置進行剛性連接。所述過渡板6采用不銹鋼加工而成，其具有硬度高、穩(wěn)定性好、不導磁等優(yōu)點，其表面不平整度要求優(yōu)于10-4?？臻g四頻差動激光陀螺1、柔性電纜2及陀螺控制/解調(diào)電路3共同實現(xiàn)了慣性空間角速率輸出功能，所述空間四頻差動激光陀螺I是一種高精度、全固態(tài)的激光陀螺，它的輸出直接正比于投影到其敏感軸上的慣性空間角速度分量。圓感應同步器7與感應同步器解調(diào)電路8共同實現(xiàn)了對當前角位置的測量，其精度為角分量級。角增量信號處理電路4利用感應同步器解調(diào)電路8的粗精度角位置輸出對陀螺控制/解調(diào)電路3的慣性空間角速率分量進行修正，從而以較高的精度得到轉(zhuǎn)軸9的轉(zhuǎn)動角速率，并對該角速率進行積分，從而得到轉(zhuǎn)軸當前的精確角位置，并通過422總線5將角位置信息發(fā)送到測角計算機6，該測角儀的精度可達到0.1角秒量級。
[0027]本發(fā)明采用角分辨率最高可達0.0003角秒的空間四頻差動激光陀螺作為測角傳感器，通過測量陀螺在不同角位置處的輸出，得到陀螺敏感軸上的慣性空間角速率投影分量隨角位置的變化曲線，根據(jù)圓感應同步器的角位置輸出經(jīng)過插值法計算出慣性空間角速率分量在陀螺敏感軸上的分量，從而顯著減小了因積分所引入的角度誤差，提高了空間四頻差動激光陀螺的測角精度。這種方法利用了圓感應同步器的角位置功能以及空間四頻差動激光陀螺角分辨率高的特點，從而可實現(xiàn)0.1角秒量級的測角精度。
[0028]其中，所述空間四頻差動激光陀螺是一種高精度、全固態(tài)的慣性角速度傳感器，它能夠敏感投影到其敏感軸上的角速度分量，對該分量進行積分即可得到相應的轉(zhuǎn)角。
[0029]根據(jù)空間四頻差動激光陀螺的測角原理，可知其測角精度主要受以下因素的影響:零漂、比例因子漂移及量化誤差。
[0030]空間四頻差動激光陀螺的輸出與投影到其敏感軸上的角速度成正比，這里的角速度包括被測載體本身的角速度以及慣性空間角速率在該敏感軸上的投影分量。因此，在實際進行轉(zhuǎn)角測量之前，需要在轉(zhuǎn)軸靜止的狀態(tài)下對慣性空間角速率投影分量加以標定，并在角度測量過程中將其減掉。但考慮到實際測量過程中陀螺可能有一定的零漂，且其會隨時間累加，因此該因素是本測角方法的最大影響因素，主要體現(xiàn)在對單次測角時長的限制上。
[0031]激光陀螺的比例因子K指的是陀螺輸入角速度與其輸出脈沖之間的比例系數(shù)，它直接影響著最終的測角精度，不過，空間四頻差動激光陀螺的比例因子漂移(包括但不僅限于比例因子非線性、比例因子重復性、比例因子溫度系數(shù))實測值均優(yōu)于lppm，即測量整周360°時其所導致的最大誤差約I角秒。在實際測角過程中，比例因子漂移能夠通過試驗前的標校手段