光纤陀螺仪若干关键指标的测试方法 | 零偏稳定性、比例因子非线性及RWC分析

探索光纤陀螺仪关键指标的全面测试方法，包括零点偏差稳定性、比例因子非线性以及随机游走系数（RWC）。学习精密导航和姿态控制应用的分步流程、公式和设备要求。

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。

1.零偏差系列测试

1.1偏见

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。

1.2偏差稳定性

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 .

1.3偏差重复性

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

1.4偏置温度敏感性

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

2.尺度因子系列测试

2.1比例因子

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）

2.2尺度因子非线性

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）

2.3尺度因子温度敏感性

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：

3.随机游走系数（RWC）

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：

结论：

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。