一種高精度動態測角裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高精度動態測角技術，涉及一種高精度的動態測角裝置及方法。
【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、穩定可靠，但存在與被測系統耦合度高、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，后者則存在環境適應性差、現場調試復雜的缺點。
[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角信息。空間四頻差動激光陀螺用于測角具有下列優勢:
[0004](I)真正意義上的全固態激光陀螺，無機械抖動部件，不會給被測載體帶來反力矩作用；
[0005](2)刻度系數線性度和重復性均優于lppm，且溫度系數極低，環境適應性好；
[0006](3)可利用分辨率增強技術實現刻度系數高度細分，角分辨率最高可達到0.0003"；
【發明內容】
[0007]本發明的目的是:提供一種基于空間四頻差動激光陀螺，測量精度高、動態范圍大、角分辨率高的動態測角裝置。
[0008]另外，本發明還提供一種高精度動態測角方法。
[0009]本發明的技術方案是:一種高精度動態測角裝置，其包括空間四頻差動激光陀螺，柔性電纜，陀螺控制/解調電路，圓感應同步器，感應同步器解調電路，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由過渡板安裝在待測轉軸上，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/解調電路連接到角增量信號處理電路上，所述圓感應同步器環繞設置在待測轉軸上，圓感應同步器經感應同步器解調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電路的粗精度角位置輸出對陀螺控制/解調電路的慣性空間角速率分量進行修正，得到轉軸的轉動角速率，并對該角速率進行積分，從而得到轉軸當前的精確角位置，并發送到測角計算機。
[0010]所述過渡板采用不銹鋼加工而成，表面不平整度要求優于10 4。
[0011]所述連接總線為422總線。
[0012]一種高精度動態測角方法，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]所述的高精度動態測角方法，其包括如下步驟:
[0014]步驟1:陀螺刻度系數標定
[0015]將陀螺固定到待測轉軸的端面上，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后，并開始采數，發送啟動掃描鏡轉軸轉動命令，轉軸以確定的角速度逆時針轉動η圈并停止，陀螺停止采數，測角軟件自動計算累計的脈沖數；在同樣的陀螺工作參數下，轉軸以相同的角速度順時針轉動η圈并停止，陀螺停止采數，測角軟件計算累計的脈沖數；并根據確定的公式計算出測角傳感器的刻度系數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，陀螺開始采數T秒，并計算該T秒內陀螺輸出量的均值，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軸角位置的對應關系；
[0018]步驟3:完成動態角度測量
[0019]待測轉軸開始轉動，圓感應同步器通過TTL信號與動態測角裝置同步，陀螺控制/解調電路對陀螺輸出進行脈沖計數，乘以步驟I中所標定得到的刻度系數ki，即得到陀螺相對于慣性空間的轉動角速度，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，就能夠得到待測轉軸所轉過的角度。該測角儀的角度增量數據更新率可做到1kHz。
[0020]本發明的優點是:所涉及的高精度動態測角裝置采用刻度系數可高度細分的空間四頻差動激光陀螺。該發明能夠實現對待測轉軸的高精度動態測量，可達到1kHz的數據更新率及亞角秒的測角精度，在高精度測角及動態測角領域具有較佳的實際應用價值。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明所涉及的高精度動態測角裝置結構示意圖；
[0022]圖2為本發明所采用的四頻差動激光陀螺的諧振腔中運轉的四束激光在頻率軸上的分布示意圖；
[0023]圖3為本發明中四頻差動激光陀螺的敏感軸與待測轉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是感應同步器解調電路，9是待測轉軸，10-測角計算機。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明作進一步的說明:
[0026]請參閱圖1，其是本發明所針對的高精度動態測角裝置的結構及組成部件。本發明動態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/解調電路3，圓感應同步器7，感應同步器解調電路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經由過渡板6安裝在待測轉軸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、穩定性好、不導磁等優點，其表面不平整度要求優于10-4。空間四頻差動激光陀螺1、柔性電纜2及陀螺控制/解調電路3共同實現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與感應同步器解調電路8共同實現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電路8的粗精度角位置輸出對陀螺控制/解調電路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軸9的轉動角速率，并對該角速率進行積分，從而得到轉軸當前的精確角位置，并通過422總線5將角位置信息發送到測角計算機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，根據圓感應同步器的角位置輸出經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角。
[0029]根據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，在實際進行轉角測量之前，需要在轉軸靜止的狀態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，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)實測值均優于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