光纖陀螺指標參數自動化測試系統及方法
2023-09-20 00:56:25 1
專利名稱：光纖陀螺指標參數自動化測試系統及方法
技術領域：
本發明屬於數據採集與測試技術領域，具體地說是一種光纖陀螺指標參數自動化測試系統及方法，可用於航空航天領域及飛行器控制系統。
背景技術：
光纖陀螺具有精度高、抗幹擾能力強、預熱時間短等一系列優點，在航空航天以及其它各個領域得到了廣泛的應用，它決定著飛行器導航和姿態控制精度，它的品質好壞直接影響飛行器控制系統的可靠性。因此光纖陀螺的性能參數測試對於光纖陀螺佔據著舉足輕重的地位，成為該領域最基本技術之一，所以一套高精度的測試系統成為光纖陀螺參數測試必不可少的設備。目前已有一些光纖陀螺參數採集與測試系統，如基於USB的光纖陀螺測試系統、 基於RS-232的光纖陀螺測試系統等，這些測試系統雖然能夠完成光纖陀螺的基本參數測試，但是都存在著一些不足之處，比如基於RS-232的光纖陀螺測試系統雖然連接簡單，但是數據傳輸速率慢，因而使其成為高速數據傳輸的瓶頸；基於USB的光纖陀螺測試系統雖然可以同時解決傳輸速率、單位時間數據吞吐量的問題，但是其硬體電路相對比較複雜，測試數據精度低。此外，這兩種測試系統還存在著另外一個不足之處自動化程度低，要用手動控制溫箱和轉臺，測試數據的記錄、處理和分析也是由人工完成，需要耗費大量的時間去做數據的分析，導致測試期間操作步驟比較複雜，延長了測試時間，測試結果不直觀。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提出一種光纖陀螺指標參數自動化測試系統及方法，以提高測試數據精度，減少人工操作的複雜度，使得測試操作簡單易行，縮短測試的時間，提高測試系統的自動化程度，直觀顯示測試結果。為實現上述目的，本發明的自動化測試系統包括溫箱轉臺、信號處理單元和計算機三部分，其特徵在於1)溫箱轉臺包括溫度控制儀和轉臺，溫度控制儀用來給光纖陀螺進行加熱，轉臺用來給光纖陀螺提供一定角度的擺動，獲得光纖陀螺的運動軌跡；2)信號處理單元包括四路放大器和一個A/D轉換器，放大器將光纖陀螺的電流信號、零偏信號、轉速信號和溫度信號進行放大處理，A/D轉換器將放大後的四路模擬信號轉換為數位訊號，通過PCI總線將光纖陀螺的所述信號傳輸給計算機；3)計算機利用採集卡接收光纖陀螺信號，完成測試數據的處理、保存、擬合和顯
7J\ ο所述的轉臺設有頻率和觸發轉臺轉動的圈數這兩個參數，根據具體測試需要，轉臺頻率參考數值設置為0. 8Hz，測試周期為20s，在每個測試周期中觸發轉臺一次，每次觸發轉臺轉動的圈數參考數值設置為8. 0。所述的四路放大器採用差分放大電路分別將四路信號進行不同倍數的放大處理，放大後的四路模擬信號利用16位的A/D轉換器轉換為數位訊號，確保了採集數據的精度。為實現上述目的，本發明的自動化測試方法，包括如下步驟1)設置轉臺的頻率為0. 8Hz、觸發圈數為8. 0和溫度控制儀的起始溫度_35°C、停止溫度+80°C及溫度上升速率1. 5° /min ；打開計算機的測試界面，設置光纖陀螺編號、開始升溫溫度和存檔路徑；2)將光纖陀螺固定在轉臺上，放置液氮逐漸使光纖陀螺降溫，以2. 5KHz的採樣速率對光纖陀螺輸出的靜態零偏信號、靜態電流信號、溫度信號以及動態刻度係數進行採集， 在每個測試周期內得到一組測試數據；3)當光纖陀螺的溫度降到-30°C時，給光纖陀螺斷電並且控制轉臺停止轉動，中斷測試，當斷電2分鐘或者光纖陀螺的溫度降到_35°C時，開始給光纖陀螺加熱，斷電5分鐘時，給光纖陀螺恢復供電並且恢復轉臺轉動，重新以20s為周期繼續對光纖陀螺輸出的靜態零偏、靜態電流、溫度以及動態刻度係數進行採集，並將斷電前的測試數據和上電後的測試數據以圖形的形式實時的顯示在同一界面上，同時保存在存檔路徑中；4)當溫度升到+70°C時，停止給光纖陀螺加熱，繼續測試兩分鐘後，得到整個測試過程中的光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數測試數據，並將這些測試數據分別進行擬合，得出光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數的擬合值；5)將光纖陀螺的測試數據與其擬合值求差，並用圖形表示出來，顯示整個測試過程中光纖陀螺靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數的波動大小，測試結束。本發明具有如下優點1)在光纖陀螺數據採集過程中，本發明由於以20s為一個測試周期，在每個測試周期內，完成對光纖陀螺靜態和動態數據的採集，各項數據採集多點，最終得出一個平均值作為該周期內的光纖陀螺數據，並且對光纖陀螺的數據進行了三次擬合，提高了測試數據的精度。2)本發明中溫箱的升溫控制、轉臺的轉動控制、以及光纖陀螺的斷電和上電控制全部在軟體中實現，光纖陀螺測試數據的保存、處理和分析，全部由計算機完成，減少了人工操作的複雜度，提高了測試系統的自動化程度。3)本發明由於在溫箱和轉臺的設計中，將溫箱轉臺頻率和轉動圈數設為可調節的，具有與軟體配合的更大靈活性，同時由於將溫度控制儀的起始溫度、停止溫度和上升速率也設為可調的，每次設置完成之後自動保存，使得測試操作簡單易行，並且縮短了測試時間。4)本發明中光纖陀螺的測試數據和擬合值分別在兩副圖形中顯示，測試結果顯示直觀。
圖1是本發明系統的原理框圖；圖2是本發明方法的整體流程圖；圖3是本發明中單個測試周期的流程圖；圖4是本發明方法的測試主界面；圖5是本發明方法的數據擬合界面；
圖6是本發明測試編號為09361光纖陀螺的測試結果圖；圖7是本發明測試編號為09361光纖陀螺數據的擬合圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細描述參照圖1，本發明的測試系統包括溫箱轉臺、信號處理單元和計算機三部分。其中溫箱轉臺由溫度控制儀和轉臺組成，轉臺固定在溫度控制儀的上面，用來給光纖陀螺提供一定角度的轉動，光纖陀螺的輸出電壓值與轉臺的轉速成正比的關係，因此採集到的光纖陀螺的電壓大小對應著轉速的高低，當轉速呈正弦變化時，得到的電壓也呈正弦變化，當轉臺每次觸發轉動完成後，求出正弦曲線的面積，從而得出光纖陀螺的刻度係數，由於加熱電機發出的熱量通過轉臺傳輸給光纖陀螺，轉臺的溫度也就反映出了光纖陀螺的溫度，設計中在轉臺上固定了一個溫度傳感器，用來採集光纖陀螺的溫度值，本實例中的溫度傳感器採用AD590，但不限於此型號，轉臺設有頻率和觸發轉臺轉動的圈數這兩個參數，轉臺的頻率控制轉臺轉動一周需要的時間，觸發轉臺轉動的圈數決定轉臺在單個測試周期內轉動的圈數，根據光纖陀螺型號的不同和具體測試要求的不同，可以對這兩個參數進行調節，本實例中，轉臺頻率數值設置為0. 8Hz，測試周期為20s，在每個測試周期中觸發轉臺一次，每次觸發轉臺轉動的圈數設置為8.0圈；溫度控制儀主要由一個電機構成，完成給光纖陀螺加熱，保證光纖陀螺的溫度能夠從_35°C上升到+70°C，同時溫度控制儀還能顯示轉臺的當前溫度值，將該溫度值和光纖陀螺的溫度測試值進行比較，能隨時觀看光纖陀螺的溫度測試值是否正常，此外，溫度控制儀設有起始溫度、停止溫度和溫度上升速率三個參數，起始溫度是一個參考值，當開始加熱時，這個數值會快速的逼近實際溫度，停止溫度控制光纖陀螺可以加熱到的最高溫度，溫度上升速率決定整個升溫過程中光纖陀螺溫度的上升快慢，根據光纖陀螺型號的不同和具體測試要求的不同，可以對這三個參數進行調節，本實例中，溫度控制儀的起始溫度設置為_35°C，停止溫度設置為+80°C，溫度上升速率設置為1. 5° / min，且只有起始溫度逼近實際溫度值時，升溫速度才會以設置的速率1.5° /min勻速升信號處理單元，包括光纖陀螺信號的放大、模數轉換和接口控制電路三個部分， 光纖陀螺信號的放大採用四路差分放大電路實現，本實例中的放大器採用四個差分輸入單端輸出的儀表運算放大器AD8221，但不限於此型號，其放大倍數是由放大器的2管腳與3管腳之間的電阻值大小決定；數模轉換採用16位解析度，200K以上採樣率的A/D轉換器將放大後的模擬信號轉換為數位訊號，16位解析度保證了電壓測量的精度，200K以上的採樣率可以滿足高速採集多次平均的需求，由於採用一個A/D轉換器，設計中增加一個模擬開關， 四路信號分時復用，由模擬開關來選擇輸入被轉換的信號，每次選擇一路進行轉換；接口控制電路由89C51單片機發出加熱和啟動轉臺轉動的控制信號，其中發出的轉臺轉動控制信號經過光電隔離後輸出給轉臺，這樣保證了轉臺與產品之間地線的隔離，加熱的控制信號傳輸給溫度控制儀控制光纖陀螺的加熱，光纖陀螺的上電與斷電操作也是通過單片機發送高低電平控制。計算機與信號處理單元之間採用33MHz時鐘，32bit的PCI接口總線連接，PCI接口總線數據傳輸帶寬大，相同的數據量總線佔用時間短，處理機的利用率高，用採集卡將信光纖陀螺數據進行採集，最終將採集過來的光纖陀螺數據顯示在計算機的顯示器上，並保存在計算機中。參照圖2，本發明的測試包括如下步驟步驟一、設置參數。在開始測試光纖陀螺數據前，為了滿足測試的需求，必須在兩處設置好參數，一處是溫箱參數的設置，點擊溫箱轉臺左側主界面的參數設置按鍵，根據軟體的需要，設置轉臺頻率，本實例設轉臺頻率為0. 8Hz，轉臺每次觸發時，轉臺擺動圈數為8圈，溫度控制儀的起始溫度、停止溫度和溫度上升速率也要進行設置，根據需要可以進行不同數值的設置，本實例設置起始溫度為_35°C，停止溫度為+70°C，溫度上升速率為1. 5° /min ；另一處是在打開的測試主界面上輸入光纖陀螺編號、開始升溫溫度和存檔路徑，每個光纖陀螺的採集數據都會在採集結束後保存在己選存檔路徑下的一個txt文檔裡，文檔的名字以光纖陀螺的編號和該光纖陀螺開始測試的時間命名，能夠進行長時間的保存，也方便以後對光纖陀螺數據的查看。步驟二、以2. 5. KHz的採樣速率對光纖陀螺輸出的模擬數據進行採集。將光纖陀螺固定在轉臺上，在溫箱上放置好液氮，液氮量的大小根據光纖陀螺降溫的需要量取，本實例中要保證光纖陀螺能夠降溫到_30°C，根據多次試驗驗證，在溫箱上放置容量大小為150ml的四杯液氮即可滿足要求，完成好上述所有準備工作後，開始測量， 測量時按照每個周期進行。如附圖3所示，在每個測試周期內，用前6s採集光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流和溫度值，接下來的IOs測試光纖陀螺的刻度係數值，用高速採樣率2. 5KHz進行陀螺輸出的採樣，每個測試周期內，光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流、溫度和刻度係數分別採集2500個點，將這四組2500個點分別求平均值，得到所述的四個數據，分別作為光纖陀螺各項參數在該周期內的數值。步驟三、中斷測試5分鐘後，開始給光纖陀螺加熱，並恢復上電，繼續測試。在測試過程中，軟體一直檢測光纖陀螺的溫度是否到達開始測試之前設定好的-30°C，一旦檢測到光纖陀螺的溫度降到-30°C，控制電路發送一個低電平給繼電器，繼電器停止給光纖陀螺的供電，並且停止轉臺的轉動，當斷電2分鐘或者溫度降到_35°C時， 啟動加熱，是為了在斷電時間達到5分鐘的時候，使得光纖陀螺溫度能夠回升到-30°C左右，儘量保證繼續測量的光纖陀螺靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數值與斷電前的測量值連續，使得後續的擬合結果更加精確，當斷電5分鐘的時候，給光纖陀螺恢復供電並且恢復轉臺轉動，重新以20s為周期繼續對光纖陀螺輸出的靜態零偏、靜態電流、溫度以及動態刻度係數進行採集，在斷電的5分鐘時間內，只採集和保存光纖陀螺的溫度值；顯示測試數據的界面如附圖4所示，由於光纖陀螺的直接參數並不是查看的主要內容，要關注的是光纖陀螺靜態參數和動態參數在整個測試過程中的波動大小，圖如中曲線1、2、3、4分別代表整個測試過程中光纖陀螺動態刻度係數、靜態零偏、靜態電流、溫度的實時值與初始值的差值相對於時間的變化規律，圖4b中的曲線1、2、3分別代表整個測試過程中光纖陀螺動態刻度係數、靜態零偏、靜態電流的實時值和初始值的差值相對於溫度的變化規律，在圖如和圖4b的左右兩側顯示的是光纖陀螺各項參數差值的大小，其中W，mV、 I，mA、T，°C、S，mV八/s分別代表光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流、溫度和動態刻度係數，存檔路徑下文檔裡保存的是光纖陀螺各項數據的原始值。步驟四、數據擬合。當光纖陀螺溫度上升到+70°C時，為了讓光纖陀螺的測試數據更加準確，我們設計在到達+70°C時停止對光纖陀螺的加熱，繼續保溫兩分鐘並對光纖陀螺數據進行測試，兩分鐘後得到整個測試過程中的光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數測試數據，並將這些測試數據分別進行擬合，擬合公式如下Y1 = aiX^biX^CiX+diy2 = a2x3+b2x2+c2x+d2y3 = a3x3+b3x2+c3x+d3其中χ代表溫度，Y1代表靜態零偏，B1, bp C1, Cl1分別代表靜態零偏擬合時溫度的三階、二階、一階、零階次數，Y2代表靜態電流，％、b2、c2、d2分別代表靜態電流擬合時溫度的三階、二階、一階、零階次數，Y3代表刻度係數，％、b3、c3、d3分別代表刻度係數擬合時溫度的三階、二階、一階、零階次數；擬合後的結果如附圖5所示，圖fe中的第1、2、3組曲線中的虛線分別代表光纖陀螺的動態刻度係數、靜態零偏、靜態電流與各自初始值的差值相對於溫度的變化，第1、2、 3組曲線中的實線分別代表光纖陀螺的動態刻度係數、靜態零偏、靜態電流與各自初始值差值的擬合結果相對於溫度的變化，圖恥中的1、2、3條曲線分別代表光纖陀螺靜態電流、 靜態零偏、動態刻度係數擬合前和擬合後的差值大小相對於溫度的變化，圖中的Bias，SF, Isld分別代表光纖陀螺的靜態零偏、動態刻度係數和靜態電流。步驟六、重現已測光纖陀螺數據。如圖4所示，在開始測試光纖陀螺數據前，測試主界面有載入文件按鍵，增加此功能的主要作用是將測試過的光纖陀螺數據已經完整的保存下來，只要有某個光纖陀螺的測試數據，就可以隨時載入進來以圖形的形式對該光纖陀螺數據進行觀察，以確定其是否達到要求的性能指標，也可以重複步驟5對其數據進行擬合處理。本發明的效果可通過以下測試實例結果進一步說明。1)設置轉臺的頻率為0. 8Hz、觸發圈數為8. 0，溫度控制儀的起始溫度_35°C、停止溫度+80°C、溫度上升速率1. 5° /min，打開計算機的測試界面，輸入光纖陀螺編號09361、 開始升溫溫度-30°C、存檔路徑D: \dat\ ；2)將編號為的09361光纖陀螺固定在轉臺上，在溫箱上放置四杯150ml的液氮，開始對光纖陀螺以20s為一個周期進行測試，每個測試周期得到一組測試數據；3)當溫度降到-30°C時，給光纖陀螺斷電，停止測試除溫度以外的光纖陀螺數據， 當斷電兩分鐘或者溫度降到_35°C時，給光纖陀螺開始加熱，當斷電5分鐘時，恢復光纖陀螺的供電，重新以20s為周期繼續對光纖陀螺進行測試；4)當溫度到達70°C時，停止光纖陀螺的加熱，繼續測試數據兩分鐘，結束本次測試，得到如圖6所示的測試結果，其中圖6a是光纖陀螺的靜態零偏、動態刻度係數、靜態電流、溫度在整個測試過程中與初始值的差值相對於時間的變化，圖6b是光纖陀螺的靜態零偏、動態刻度係數、靜態電流與初始值差值相對於溫度的變化。由圖6可以看出光纖陀螺斷電五分鐘的控制和啟動加熱、恢復供電，以及最後停止加熱後的兩分鐘測試都與本發明的設計相吻合。
將圖6中所示的光纖陀螺的測試數據進行擬合，得到如圖7所示數據擬合結果，其中圖7a中的曲線1、2、3分別顯示光纖陀螺動態刻度係數、靜態零偏、靜態電流的擬合結果， 圖7b中的曲線1、2、3分別顯示出光纖陀螺靜態零偏、靜態電流、動態刻度係數擬合前後的差值。由圖7可以看出光纖陀螺靜態零偏波動為0. 051311mV、動態刻度係數波動為 0. 176379mV/° /s、靜態電流波動為22. 533486，靜態零偏差值為0. 036585mV、動態刻度係數差值為0. 028609mV/° /s、靜態電流差值為1. 065293,由上述數值可以得出光纖陀螺在整個測試過程中各項參數的波動大小在允許範圍之內，該光纖陀螺性能達標；綜合以上，本發明無論在客觀指標還是主觀效果上，都表現出了較好的性能，準確的採集光纖陀螺數據的同時，直觀的將各項參數以圖形的形式表現出來，實現了高自動化的測試系統。
權利要求
1.一種光纖陀螺指標參數自動化測試系統，包括溫箱轉臺、信號處理單元和計算機三部分，其特徵在於1)溫箱轉臺包括溫度控制儀和轉臺，溫度控制儀用來給光纖陀螺進行加熱，轉臺用來給光纖陀螺提供一定角度的擺動，獲得光纖陀螺的運動軌跡；2)信號處理單元包括四路放大器和一個A/D轉換器，放大器將光纖陀螺的電流信號、 零偏信號、轉速信號和溫度信號進行放大處理，A/D轉換器將放大後的四路模擬信號轉換為數位訊號，通過PCI總線將光纖陀螺的所述信號傳輸給計算機；3)計算機利用採集卡接收光纖陀螺信號，完成測試數據的處理、保存、擬合和顯示。
2.根據權利要求1所述的光纖陀螺指標參數自動化測試系統，其特徵在於溫度控制儀設有起始溫度、停止溫度和溫度上升速率三個參數，根據具體的測試需要，溫度控制儀的起始溫度參考數值設置為_35°C，停止溫度參考數值設置為+80°C，溫度上升速率參考數值為1.5° /min，且只有起始溫度逼近實際溫度值時，升溫速度才會以設置的速率1.5° /min 勻速升溫。
3.根據權利要求1所述的光纖陀螺指標參數自動化測試系統，其特徵在於轉臺設有頻率和觸發轉臺轉動的圈數這兩個參數，根據具體測試需要，轉臺頻率參考數值設置為 0. 8Hz，測試周期為20s，在每個測試周期中觸發轉臺一次，每次觸發轉臺轉動的圈數參考數值設置為8.0。
4.根據權利要求1所述的光纖陀螺指標參數自動化測試系統，其特徵在於四路放大器採用差分放大電路分別將四路信號進行不同倍數的放大處理，放大後的四路模擬信號利用16位的A/D轉換器轉換為數位訊號，確保了採集數據的精度。
5.一種光纖陀螺指標參數自動化測試方法，包括如下步驟1)設置轉臺的頻率為0.8Hz、觸發圈數為8. 0和溫度控制儀的起始溫度_35°C、停止溫度+80°C及溫度上升速率1. 5° /min ；打開計算機的測試界面，設置光纖陀螺編號、開始升溫溫度和存檔路徑；2)將光纖陀螺固定在轉臺上，放置液氮逐漸使光纖陀螺降溫，以2.5kHZ的採樣速率對光纖陀螺輸出的靜態零偏信號、靜態電流信號、溫度信號以及動態刻度係數進行採集，在每個測試周期內得到一組測試數據；3)當光纖陀螺的溫度降到-30°C時，給光纖陀螺斷電並且控制轉臺停止轉動，中斷測試，當斷電2分鐘或者光纖陀螺的溫度降到_35°C時，開始給光纖陀螺加熱，斷電5分鐘時， 給光纖陀螺恢復供電並且恢復轉臺轉動，重新以20s為周期繼續對光纖陀螺輸出的靜態零偏、靜態電流、溫度以及動態刻度係數進行採集，並將斷電前的測試數據和上電後的測試數據以圖形的形式實時的顯示在同一界面上，同時保存在存檔路徑中；4)當溫度升到+70°C時，停止給光纖陀螺加熱，繼續測試兩分鐘後，得到整個測試過程中的光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數測試數據，並將這些測試數據分別進行擬合，得出光纖陀螺的靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數的擬合值；5)將光纖陀螺的測試數據與其擬合值求差，並用圖形表示出來，顯示整個測試過程中光纖陀螺靜態零偏、靜態電流和動態刻度係數的波動大小，測試結束。
6.根據權利要求5所述的光纖陀螺指標參數自動化測試方法，其特徵在於在每個20s 的測試周期內，用前6s採集光纖陀螺靜態零偏、靜態電流和溫度值，接下來IOs控制溫箱轉臺轉動8圈，轉動結束後得到動態刻度係數值，最後的4s由於處理數據。
7.根據權利要求5所述的光纖陀螺指標參數自動化測試方法，其特徵在於步驟(4) 所述的對測試數據分別進行擬合，是根據下列公式進行 Y1 = a1x3+b1x2+c1x+d1 Y2 = a2x3+b2x2+c2x+d2 y3 = a3x3+b3x2+c3x+d3其中χ代表溫度，Y1代表靜態零偏，B1^b1, C1, Cl1分別代表靜態零偏擬合時溫度的三階、 二階、一階、零階次數，I2代表靜態電流， 、b2、c2、d2分別代表靜態電流擬合時溫度的三階、 二階、一階、零階次數，Y3代表刻度係數， 、b3、c3、d3分別代表刻度係數擬合時溫度的三階、 二階、一階、零階次數。
全文摘要
本發明公開了一種光纖陀螺指標參數自動化測試系統及方法，主要解決現有技術測試精度低、操作複雜、測試結果不直觀和自動化程度低的問題。其實現過程是(1)設置轉臺和溫度控制儀的參數；(2)放置好液氮，以20s為一個周期對光纖陀螺的靜態數據和動態數據分別進行採集；(3)降溫到-30℃時對光纖陀螺進行斷電5分鐘；(3)重新啟動測試，將整個測試過程中採集到的數據進行處理，以圖形的形式顯示並保存；(4)對光纖陀螺的數據進行擬合併顯示擬合結果。本發明能得到光纖陀螺精確的測試數據，設備操作簡單易行，減少了人工操作的複雜度，縮短了測試的時間，實現了高自動化的測試系統，可用於航空航天領域及飛行器控制系統。
文檔編號G01C25/00GK102353387SQ20111024518
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者初秀琴, 孔聰, 曹陽, 王飛, 範振軍 申請人:西安電子科技大學