光纤惯性测量系统测试参数有效期研究分析

黄家彬， 李 良， 尚学军， 李 原

（96921 部队， 北京 100020）

0 引言

光纤惯性测量系统是惯性导航的核心部件， 广泛应用在现代航空、航海、航天和国防工业中，用于测量其在运动过程中相对于机体坐标系的运动参数， 它的性能好坏将直接影响导航精度， 其测试有效期的长短也在很大程度上决定了实际应用水平和应用范围， 因此开展惯性测量系统测试有效期研究具有十分重要的意义。 本文以某型光纤惯性测量组合为研究基础， 通过对其连续1 年的测试参数开展分析， 来论证是否满足1 年测试参数有效期的要求。

1 某型光纤惯性测量组合组成及技术性能指标分类

1.1 某型光纤惯性测量组合组成

光纤惯性测量组合（以下简称“惯组”）用于测量沿机体坐标系三个方向的视加速度和角速度，供控制计算机建立数学平台进行姿态计算和导航计算。惯组主要由三轴一体光纤陀螺仪、IF 转换电路、信号接口与处理电路、结构件以及石英加速度 计 等 组 成[1]，惯组组成原理框图见图1。

图1 惯组系统原理框图

1.2 某型光纤惯性测量组合技术性能指标分类

惯组的要求指标分类可以分为功能指标、 一次通电指标及逐次通电指标。 功能类指标包含产品物理特性（如重量、外观、机械接口等）、电气特性（电流、电压等）以及软件功能等。 一次通电指标包括光纤陀螺仪及加表的零偏稳定性、加表标定因数稳定性、陀螺标度因数非线性、陀螺随机游走、安装误差、动态特性等指标[2]。 逐次通电指标主要是重复性指标， 主要包括陀螺及加速度计的标度因数、零偏重复性。 以上三类指标中，逐次通电指标主要是对产品进行多次测试的标度因数及零偏的重复性。 为验证三类指标数据满足1 年参数有效期标准要求， 对本批次型号的光纤惯组的长期测试参数进行计算分析。

2 光纤陀螺相关测试数据分析

根据技术条件要求，惯组主要测试数据包含：绝缘与特征阻值检查、通讯协议检查、位置测试、速率测试、频率特性测试等测试环节。

2.1 本型号惯组1 年测试数据有效期分析

以本型号一套光纤惯组1 年测试数据展开参数有效期分析[5-6]，该光纤惯组1 年内累计24 次的测试数据，通过Matlab 进行计算分析，结果见图2～图5。从图2～图5 可以看出光纤陀螺零位偏差、一次通电稳定性、随机游走系数等数据变化趋势，光纤陀螺零位相关误差参数稳定，不存在随时间漂移的趋势；陀螺标度因数存在缓慢变化，但变化趋势很慢。

图2 陀螺零位测试数据

图3 陀螺标度因数测试数据

图4 光纤陀螺一次通电稳定性

图5 光纤陀螺随机游走

2.2 某批产多套同型号光纤陀螺测试数据分析

下面以某批产的同型号多套光纤惯组测试数据展开参数有效期分析， 该光纤惯组间隔1 年的测试数据分析计算结果见图6～图9。 由图6 数据可知多只光纤陀螺仪时隔1 年后测试光纤陀螺零位重复性满足≤0.9°/h（3σ）；由图7 数据可知光纤陀螺标度因数最大为276.5ppm，100%满足≤300ppm（3σ）要求；由图8 数据上述数据可知光纤陀螺在时隔1 年后测试随机游走系数最大为0.0198，光纤陀螺随机游走系数100%满足≤0.09°/h0.5（3σ）的要求；由图9 数据可知光纤陀螺在时隔1 年后测试一次通电稳定性最大为0.4206， 光纤陀螺一次通电稳定性100%满足≤0.9（°）/h（3σ）的要求。

图6 光纤陀螺常值漂移误差（（°）/h）

图7 光纤陀螺标定因数误差（（°）/h）

图8 光纤陀螺随机游走（（°）/h0.5，1σ）

图9 光纤陀螺一次通电稳定性（（°）/h，1σ）

2.3 光纤陀螺主要技术指标稳定性总结

光纤陀螺零偏、 一次通电稳定性及随机游走系数等相关误差的主要误差源来源于光纤陀螺光电子器件的性能不理想等因素[3-4]。这是光电子器件的固有特性，不会随时间变化。从上述相关误差指标的分析结果可知，光纤陀螺零偏、一次通电稳定性及随机游走系数稳定，不存在随时间漂移的趋势。由于本型号光纤陀螺采用无骨光纤环，光纤环平均直径相对传统有骨陀螺， 其稳定性有较大提高。 另外本惯组的光纤陀螺选用的超辐射发光二极管作为光纤光源，光源平均波长稳定性好，可提高光纤陀螺长期标度因数稳定性， 此外光纤陀螺采用闭环技术来控制相位调制器的电压使其稳定， 进一步提供标度因数的性能，从而光纤陀螺标度因数稳定性得到改善。

从上述标度因数指标结果分析结果可知， 陀螺标度因数虽然存在缓慢的漂移趋势， 但指标都能满足指标要求，本项目光纤陀螺采取了使用无骨光纤环、闭环控制等措施，能够提高标度因数性能。因此本项目光纤陀螺标度因数能够满足1 年参数有效期的指标要求， 且有较大余量。 测试结果可表明本型号光纤惯性测量组合光纤陀螺相关技术指标能够满足1 年稳定性要求。

3 石英加速度计相关测试数据分析

石英加速度计的主要工作原理为利用摆片的惯性，获得与加速度输入成比例的电流， 通过对电流的采样获得输入加速度信息。 当沿加速度计的输入轴方向有加速度时，检测质量受到惯性力矩的作用，在惯性力矩的作用下，由于挠性梁的支承和约束作用，摆片将连同线圈一同发生移动。差动电容传感器敏感此位移，并通过伺服回路向线圈输出与之相对应的电流， 该电流和力矩器的磁场相互作用， 产生电磁力矩。 电磁力矩和惯性力矩大小相等，方向相反，抵消惯性力矩的作用，使摆片始终保持在零位。此时输出电流的大小和输入的加速度成正比，因此可以作为对加速度的电气测量。

3.1 本型号石英加速度计24 次测试数据分析

通过对本型号的加速度计长达1 年的24 次测试数据进行分析，观察零位变化及其重复性、加表正向标度因数及其重复性和加表负向标度因数及其重复性， 通过Matlab 进行计算分析，结果见图10～图12。

图10 本型号石英加速度计零位变化

图11 本型号加表正向标度因数

图12 本型号加表负向标度因数

3.2 本型号2 套惯组的石英加速度计测试数据分析

通过对本型号2 个惯组的加速度计的测试数据进行分析，观察零位变化和加表标度因数变化。

3.2.1 本型号惯组的石英加速度计零位的影响分析

对加速度计零位精度影响因素包括： ①石英表核心敏感器件石英摆片在机械研磨→激光切割→酸铣→镀膜成型加工过程中会产生应力；②内部金属结构件采用机械加工方式生产，虽经稳定化工艺措施仍存在剩余加工应力；③装配中相互配合的零组件存在尺寸公差和形位公差，使得零件不可能理想地接触， 造成装配后零组件处于变形状态，引入应力；④石英摆片与其周围接触零件轭铁和骨架的膨胀系数不同，温度变化时将引入热应力；⑤石英表内部零组件之间采用胶粘剂连接，胶粘剂材料的分子链网络结构及其运动活性受内部影响因素（自身链结构和凝聚态结构）和外部影响因素（温度、应力和物理老化）的影响，会产生蠕变， 蠕变是通过分子链段的逐渐伸展或相对滑移实现的，结果不仅会造成力学松弛，还会使得被粘接的构件发生相对位移，变形后不能回到原位，胶粘应力通过中心摆传递到挠性平桥，进而敏感结构产生偏转，使得偏值随时间发生漂移；⑥石英表腹带在预紧力作用下通过激光点焊装配，必然会产生焊接变形和残余应力，焊接应力随时间会发生释放，使得轴向预紧力发生变化、应力通过摆片外环传递到挠性平桥，进而敏感结构产生偏转，使得偏值发生漂移。 以上各种应力在仪表使用过程中随着时间积累而缓慢释放，部分关键环节的应力释放将造成石英表偏值漂移。

通过Matlab 进行计算分析，结果见图13～图14。 由图13和图14 可以看出， 加表零位随时间发生缓慢的漂移，但经过长时间的漂移都未超过加速度计的稳定性指标，表示可以利用加速度计短期测试零位代表长期测试零位。

图13 1 号惯组加表零位变化图

图14 2 号惯组加表零位变化

3.2.2 本型号惯组的石英加速度计标度因数数据分析

石英加表的力矩器采用永磁动圈式对顶结构， 两个磁路相互独立形成推挽结构。 永磁材料的重复性直接影响着力矩器系数的重复性进而影响了石英表标度因数K1 的重复性。 磁性材料的局部区域存在热扰动、机械振动、 外磁场和地球磁场等产生的磁场影响了磁性材料的磁状态，这些磁场随着时间会发生缓慢变化，使磁体内部状态不断调整达到新的平衡，最终则表现为标度因数K1随时间缓慢漂移。石英表磁路中采用胶粘剂连接，胶粘剂的重复性缓慢变化会使得敏感质量的质心和电磁力的力心变化，从而使得加速度计标度因数发生漂移。

通过Matlab 对测试结果进行计算分析， 结果见图15～图16。由图15 和图16 可以看出，加表标度因数随时间发生缓慢的漂移， 但经过长时间的漂移都未超过加速度计的稳定性指标， 表示可以利用加速度计短期测试标度因数代表长期测试零位。

图15 1 号惯组加表标度因数变化图

图16 2 号惯组加表标度因数变化

3.3 加速度计数据分析小结

从加表的测试结果可知， 加表零位和标度因数存在缓慢漂移的趋势， 在产品测试初期， 零位和标度因数漂移较快，在后期逐渐趋于稳定，这与加表误差机理分析结果相一致。 结合本型号2 套产品加表测试结果和本项目多只单表测试结果， 可以表明本型号光纤惯性测量组合石英加速度计相关技术指标能够满足1 年稳定性要求。

4 结论

通过本产品及部分批产产品测试数据分析，同时对本型号选用加速度计1 年的稳测数据分析，表明本型号光纤惯性测量组合能够满足1 年的稳定性要求，因此该型号的光纤惯性测量组合具有较宽的应用范围和时间区间供用户使用。