光纖慣性測量系統測試參數有效期研究分析

黃家彬， 李 良， 尚學軍， 李 原

（96921 部隊， 北京 100020）

0 引言

光纖慣性測量系統是慣性導航的核心部件， 廣泛應用在現代航空、航海、航天和國防工業中，用于測量其在運動過程中相對于機體坐標系的運動參數， 它的性能好壞將直接影響導航精度， 其測試有效期的長短也在很大程度上決定了實際應用水平和應用范圍， 因此開展慣性測量系統測試有效期研究具有十分重要的意義。 本文以某型光纖慣性測量組合為研究基礎， 通過對其連續1 年的測試參數開展分析， 來論證是否滿足1 年測試參數有效期的要求。

1 某型光纖慣性測量組合組成及技術性能指標分類

1.1 某型光纖慣性測量組合組成

光纖慣性測量組合（以下簡稱“慣組”）用于測量沿機體坐標系三個方向的視加速度和角速度，供控制計算機建立數學平臺進行姿態計算和導航計算。慣組主要由三軸一體光纖陀螺儀、IF 轉換電路、信號接口與處理電路、結構件以及石英加速度 計 等 組 成[1]，慣組組成原理框圖見圖1。

圖1 慣組系統原理框圖

1.2 某型光纖慣性測量組合技術性能指標分類

慣組的要求指標分類可以分為功能指標、 一次通電指標及逐次通電指標。 功能類指標包含產品物理特性（如重量、外觀、機械接口等）、電氣特性（電流、電壓等）以及軟件功能等。 一次通電指標包括光纖陀螺儀及加表的零偏穩定性、加表標定因數穩定性、陀螺標度因數非線性、陀螺隨機游走、安裝誤差、動態特性等指標[2]。 逐次通電指標主要是重復性指標， 主要包括陀螺及加速度計的標度因數、零偏重復性。 以上三類指標中，逐次通電指標主要是對產品進行多次測試的標度因數及零偏的重復性。 為驗證三類指標數據滿足1 年參數有效期標準要求， 對本批次型號的光纖慣組的長期測試參數進行計算分析。

2 光纖陀螺相關測試數據分析

根據技術條件要求，慣組主要測試數據包含：絕緣與特征阻值檢查、通訊協議檢查、位置測試、速率測試、頻率特性測試等測試環節。

2.1 本型號慣組1 年測試數據有效期分析

以本型號一套光纖慣組1 年測試數據展開參數有效期分析[5-6]，該光纖慣組1 年內累計24 次的測試數據，通過Matlab 進行計算分析，結果見圖2～圖5。從圖2～圖5 可以看出光纖陀螺零位偏差、一次通電穩定性、隨機游走系數等數據變化趨勢，光纖陀螺零位相關誤差參數穩定，不存在隨時間漂移的趨勢；陀螺標度因數存在緩慢變化，但變化趨勢很慢。

圖2 陀螺零位測試數據

圖3 陀螺標度因數測試數據

圖4 光纖陀螺一次通電穩定性

圖5 光纖陀螺隨機游走

2.2 某批產多套同型號光纖陀螺測試數據分析

下面以某批產的同型號多套光纖慣組測試數據展開參數有效期分析， 該光纖慣組間隔1 年的測試數據分析計算結果見圖6～圖9。 由圖6 數據可知多只光纖陀螺儀時隔1 年后測試光纖陀螺零位重復性滿足≤0.9°/h（3σ）；由圖7 數據可知光纖陀螺標度因數最大為276.5ppm，100%滿足≤300ppm（3σ）要求；由圖8 數據上述數據可知光纖陀螺在時隔1 年后測試隨機游走系數最大為0.0198，光纖陀螺隨機游走系數100%滿足≤0.09°/h0.5（3σ）的要求；由圖9 數據可知光纖陀螺在時隔1 年后測試一次通電穩定性最大為0.4206， 光纖陀螺一次通電穩定性100%滿足≤0.9（°）/h（3σ）的要求。

圖6 光纖陀螺常值漂移誤差（（°）/h）

圖7 光纖陀螺標定因數誤差（（°）/h）

圖8 光纖陀螺隨機游走（（°）/h0.5，1σ）

圖9 光纖陀螺一次通電穩定性（（°）/h，1σ）

2.3 光纖陀螺主要技術指標穩定性總結

光纖陀螺零偏、 一次通電穩定性及隨機游走系數等相關誤差的主要誤差源來源于光纖陀螺光電子器件的性能不理想等因素[3-4]。這是光電子器件的固有特性，不會隨時間變化。從上述相關誤差指標的分析結果可知，光纖陀螺零偏、一次通電穩定性及隨機游走系數穩定，不存在隨時間漂移的趨勢。由于本型號光纖陀螺采用無骨光纖環，光纖環平均直徑相對傳統有骨陀螺， 其穩定性有較大提高。 另外本慣組的光纖陀螺選用的超輻射發光二極管作為光纖光源，光源平均波長穩定性好，可提高光纖陀螺長期標度因數穩定性， 此外光纖陀螺采用閉環技術來控制相位調制器的電壓使其穩定， 進一步提供標度因數的性能，從而光纖陀螺標度因數穩定性得到改善。

從上述標度因數指標結果分析結果可知， 陀螺標度因數雖然存在緩慢的漂移趨勢， 但指標都能滿足指標要求，本項目光纖陀螺采取了使用無骨光纖環、閉環控制等措施，能夠提高標度因數性能。因此本項目光纖陀螺標度因數能夠滿足1 年參數有效期的指標要求， 且有較大余量。 測試結果可表明本型號光纖慣性測量組合光纖陀螺相關技術指標能夠滿足1 年穩定性要求。

3 石英加速度計相關測試數據分析

石英加速度計的主要工作原理為利用擺片的慣性，獲得與加速度輸入成比例的電流， 通過對電流的采樣獲得輸入加速度信息。 當沿加速度計的輸入軸方向有加速度時，檢測質量受到慣性力矩的作用，在慣性力矩的作用下，由于撓性梁的支承和約束作用，擺片將連同線圈一同發生移動。差動電容傳感器敏感此位移，并通過伺服回路向線圈輸出與之相對應的電流， 該電流和力矩器的磁場相互作用， 產生電磁力矩。 電磁力矩和慣性力矩大小相等，方向相反，抵消慣性力矩的作用，使擺片始終保持在零位。此時輸出電流的大小和輸入的加速度成正比，因此可以作為對加速度的電氣測量。

3.1 本型號石英加速度計24 次測試數據分析

通過對本型號的加速度計長達1 年的24 次測試數據進行分析，觀察零位變化及其重復性、加表正向標度因數及其重復性和加表負向標度因數及其重復性， 通過Matlab 進行計算分析，結果見圖10～圖12。

圖10 本型號石英加速度計零位變化

圖11 本型號加表正向標度因數

圖12 本型號加表負向標度因數

3.2 本型號2 套慣組的石英加速度計測試數據分析

通過對本型號2 個慣組的加速度計的測試數據進行分析，觀察零位變化和加表標度因數變化。

3.2.1 本型號慣組的石英加速度計零位的影響分析

對加速度計零位精度影響因素包括： ①石英表核心敏感器件石英擺片在機械研磨→激光切割→酸銑→鍍膜成型加工過程中會產生應力；②內部金屬結構件采用機械加工方式生產，雖經穩定化工藝措施仍存在剩余加工應力；③裝配中相互配合的零組件存在尺寸公差和形位公差，使得零件不可能理想地接觸， 造成裝配后零組件處于變形狀態，引入應力；④石英擺片與其周圍接觸零件軛鐵和骨架的膨脹系數不同，溫度變化時將引入熱應力；⑤石英表內部零組件之間采用膠粘劑連接，膠粘劑材料的分子鏈網絡結構及其運動活性受內部影響因素（自身鏈結構和凝聚態結構）和外部影響因素（溫度、應力和物理老化）的影響，會產生蠕變， 蠕變是通過分子鏈段的逐漸伸展或相對滑移實現的，結果不僅會造成力學松弛，還會使得被粘接的構件發生相對位移，變形后不能回到原位，膠粘應力通過中心擺傳遞到撓性平橋，進而敏感結構產生偏轉，使得偏值隨時間發生漂移；⑥石英表腹帶在預緊力作用下通過激光點焊裝配，必然會產生焊接變形和殘余應力，焊接應力隨時間會發生釋放，使得軸向預緊力發生變化、應力通過擺片外環傳遞到撓性平橋，進而敏感結構產生偏轉，使得偏值發生漂移。 以上各種應力在儀表使用過程中隨著時間積累而緩慢釋放，部分關鍵環節的應力釋放將造成石英表偏值漂移。

通過Matlab 進行計算分析，結果見圖13～圖14。 由圖13和圖14 可以看出， 加表零位隨時間發生緩慢的漂移，但經過長時間的漂移都未超過加速度計的穩定性指標，表示可以利用加速度計短期測試零位代表長期測試零位。

圖13 1 號慣組加表零位變化圖

圖14 2 號慣組加表零位變化

3.2.2 本型號慣組的石英加速度計標度因數數據分析

石英加表的力矩器采用永磁動圈式對頂結構， 兩個磁路相互獨立形成推挽結構。 永磁材料的重復性直接影響著力矩器系數的重復性進而影響了石英表標度因數K1 的重復性。 磁性材料的局部區域存在熱擾動、機械振動、 外磁場和地球磁場等產生的磁場影響了磁性材料的磁狀態，這些磁場隨著時間會發生緩慢變化，使磁體內部狀態不斷調整達到新的平衡，最終則表現為標度因數K1隨時間緩慢漂移。石英表磁路中采用膠粘劑連接，膠粘劑的重復性緩慢變化會使得敏感質量的質心和電磁力的力心變化，從而使得加速度計標度因數發生漂移。

通過Matlab 對測試結果進行計算分析， 結果見圖15～圖16。由圖15 和圖16 可以看出，加表標度因數隨時間發生緩慢的漂移， 但經過長時間的漂移都未超過加速度計的穩定性指標， 表示可以利用加速度計短期測試標度因數代表長期測試零位。

圖15 1 號慣組加表標度因數變化圖

圖16 2 號慣組加表標度因數變化

3.3 加速度計數據分析小結

從加表的測試結果可知， 加表零位和標度因數存在緩慢漂移的趨勢， 在產品測試初期， 零位和標度因數漂移較快，在后期逐漸趨于穩定，這與加表誤差機理分析結果相一致。 結合本型號2 套產品加表測試結果和本項目多只單表測試結果， 可以表明本型號光纖慣性測量組合石英加速度計相關技術指標能夠滿足1 年穩定性要求。

4 結論

通過本產品及部分批產產品測試數據分析，同時對本型號選用加速度計1 年的穩測數據分析，表明本型號光纖慣性測量組合能夠滿足1 年的穩定性要求，因此該型號的光纖慣性測量組合具有較寬的應用范圍和時間區間供用戶使用。