光纤陀螺仪基于萨格纳效应,广泛应用于导航和姿态控制中的角速度测量。其关键指标通常包括零偏稳定性、比例因子、随机游走、带宽、噪声、温度特性等。通过测量这些指标,可以对光纤陀螺仪的性能进行全面评估,并基于这些数据优化系统设计和补偿算法。
定义:当没有角速度输入时,光纤陀螺仪的平均等效角速度输出。
测试设备:水平参考装置、光纤陀螺仪输出测量记录装置。
测试方法:将光纤陀螺仪固定在水平参考物上,输入轴(IRA)指向东西方向。上电后至少记录 1 小时的输出数据,采样频率满足奈奎斯特准则(≥ 信号最高频率的 2 倍)。
计算公式:
其中 K 为缩放因子,
是平均输出值。
定义:零偏差输出围绕均值的离散程度反映了短期稳定性。
测试方法:与偏差测试相同,但需要长期数据记录(至少 1 小时)。
计算公式:
在哪里:
零偏稳定性,以度/小时 (°⁄h) 衡量
光纤陀螺仪的单侧振幅输出
当时
.

定义:进行多次功率测试,以确保零偏差的一致性。
测试方法:重复零偏压测试 6 次以上,每次测试之间断电并冷却至室温。
计算公式:
对于每个测试数据,按照公式(1)进行处理,计算零偏差,然后按照以下公式计算Q测试的零偏差重复性。
在哪里,
第 i 次测试的偏差为零;
零偏差
定义:由温度变化引起的零点偏差漂移。
测试方法:在温控箱内设置不同的温度点(覆盖工作温度范围),并在每个温度点保持恒温30分钟。测量每个温度点的零点偏差,并计算其与室温零点偏差的偏差。
计算公式:
根据公式(1)处理测试数据,分别计算光纤陀螺仪在室温和各测试温度点的零偏。光纤陀螺仪的零偏温度灵敏度按以下公式计算:

第 i 次测试温度。
室温

定义:输出信号与输入角速度之间的线性比例关系
测试设备:高精度速率转台(误差)<(测试陀螺仪指数的 1/3)
测试方法:在正向和反向方向上均匀选取≥11个角速度点(包括最大输入角速度点)。记录每个点的平均输出值,并使用最小二乘法拟合直线。
计算公式:
让
设 为光纤陀螺仪在第 j 个输入角速度下的平均输出,比例因子计算方法如下:
建立光纤输入输出关系的线性模型
陀螺仪的工作原理如下:
使用最小二乘法计算K, 

其中∅是速度转盘的转速,以度为单位测量。
每秒(°⁄s)
定义:输出相对于拟合线的最大偏差。
计算公式:
根据上述方法,光纤的输入输出关系
陀螺仪可以用一条直线拟合来表示,如下所示:
逐点计算输出特性的非线性偏差
根据以下公式,可制成光纤陀螺仪:
根据以下公式计算比例因子线性度,并且
创建光纤陀螺仪输出的非线性偏差曲线(
水平轴表示输入角速度,垂直轴表示输入角速度。
(表示非线性偏差)
测试方法:在不同的温度点测试比例因子,并计算温度变化引起的偏差。
计算公式:
测试数据按照比例因子计算方法进行处理,分别计算室温和各测试温度点下光纤陀螺仪的比例因子。比例因子的温度灵敏度按以下公式计算:
定义:由白噪声输出引起的积分角速度误差。
测试方法:短时间(几十秒)高频采样,分析艾伦方差。
计算艾伦方差的公式:
一个)在初始采样间隔时间内,获得了n个光纤陀螺仪输出值的初始样本数据。
根据陀螺仪零偏差的计算公式,计算每个光纤陀螺仪输出值对应的输出角速度,得到输出角速度的初始采样数据,如下式所示:
b)对于 n 个初始样本的连续数据,将 k 个连续数据分组在一起,并将数组的时间长度设置为
其中 τ 等于
,2
计算每个时间段内数组数据的平均值。
c)求两个相邻数组的平均差值:
d)计算一组随机变量的方差:
……(17)
使用不同的值重复上述过程
并获得
在双对数坐标系中,曲线被称为艾伦方差曲线。利用下面的艾伦方差模型,通过最小二乘拟合得到系数,然后计算随机游走系数RWC:
光纤陀螺仪的关键指标测试是连接研发与实际应用的桥梁。通过定量验证性能、确保可靠性并满足标准要求,它保证了其在军工和民用高精度领域的“精度、稳定性和实用性”,同时也为技术创新和成本优化奠定了基础。