现代导航技术第四章(惯性器件的测试及设备环境要求)

1现代导航测试技术MeasuringandTestingTechniqueforModernNavigationSystem主讲：赖际舟副教授南京航空航天大学导航研究中心办公电话：办公电话：025025--8489230484892304--807807手机：手机：1385147542913851475429导航研究中心网页：导航研究中心网页：：：[e-mail]@nuaa.edu.cn2第四章惯性器件的测试及设备环境要求§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类§4.2惯性器件的试验环境要求§4.3惯性器件测试的常见技术设备3第四章惯性器件的测试及设备环境要求§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类4§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类惯性器件研制完成后都要经过严格的测试，以确定其性惯性器件研制完成后都要经过严格的测试，以确定其性能指标。无论是惯性仪表进入仪器和系统的总装备之前鉴定能指标。无论是惯性仪表进入仪器和系统的总装备之前鉴定其性能是否合格，还是新研制的某型号产品是否达到了预期其性能是否合格，还是新研制的某型号产品是否达到了预期技术指标，都技术指标，都必须必须进行测试。进行测试。惯性仪表的精度决定了惯导系统的精度。提高惯性器件惯性仪表的精度决定了惯导系统的精度。提高惯性器件精度的精度的主要途径主要途径：：（（11）改进仪表的结构工艺和加工工艺，探索新型惯性仪表；）改进仪表的结构工艺和加工工艺，探索新型惯性仪表；（（22）对仪表或系统进行测试和建模，通过误差补偿来提高仪表）对仪表或系统进行测试和建模，通过误差补偿来提高仪表的实际使用精度和系统的导航精度；的实际使用精度和系统的导航精度；5对惯性仪表的测试目的主要有以下三类：对惯性仪表的测试目的主要有以下三类：（（11）鉴定仪表是否合格，避免故障仪表进入总装配；）鉴定仪表是否合格，避免故障仪表进入总装配；（（22）掌握仪表误差规律，从而建立误差模型；）掌握仪表误差规律，从而建立误差模型；（（33）发现仪表内在设计缺陷，为改进提供依据；）发现仪表内在设计缺陷，为改进提供依据；§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类6基本目的：要确定陀螺仪在系统中使用的时间内连续、正常基本目的：要确定陀螺仪在系统中使用的时间内连续、正常工作的性能，同时还要研究陀螺仪对使用环境和工作的性能，同时还要研究陀螺仪对使用环境和工作条件变化的反应。工作条件变化的反应。（可靠性、精度）（可靠性、精度）一、惯性器件测试的目的和意义§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类一般陀螺仪的性能参数都是指经过调整补偿之后的实际试一般陀螺仪的性能参数都是指经过调整补偿之后的实际试验数据。而通常提到的陀螺仪的漂移率，都是指没有规律验数据。而通常提到的陀螺仪的漂移率，都是指没有规律或无法补偿的随机漂移率。或无法补偿的随机漂移率。7意义：意义：••现代惯性系统对陀螺和加速度计的精度提出了更高的要求，现代惯性系统对陀螺和加速度计的精度提出了更高的要求，同时也对可靠性、可操作性、可维护性、体积、重量、成本同时也对可靠性、可操作性、可维护性、体积、重量、成本的要求越来越高。的要求越来越高。••提高硬件的性能是有限的，并且需要花费大量的成本；提高硬件的性能是有限的，并且需要花费大量的成本；••用软件的方法，在一定范围内对惯性器件的误差进行建模和用软件的方法，在一定范围内对惯性器件的误差进行建模和补偿，即可有效提高惯导系统的精度，也减少了硬件成本。补偿，即可有效提高惯导系统的精度，也减少了硬件成本。一、惯性器件测试的目的和意义§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类811、根据不同的测试目的来分类：、根据不同的测试目的来分类：••定型试验：定型试验：又分为设计定型和工艺定型。前者是为了验证所又分为设计定型和工艺定型。前者是为了验证所设计陀螺的全部性能指标是否达到设计的性能指标要求。后设计陀螺的全部性能指标是否达到设计的性能指标要求。后者是为了验证制造单位是否具有批量生产该种型号陀螺的工者是为了验证制造单位是否具有批量生产该种型号陀螺的工艺能力。艺能力。••验收试验：验收试验：所有陀螺都要做的试验。相当于批量生产中的检所有陀螺都要做的试验。相当于批量生产中的检验。该试验是为了鉴定陀螺的装配调整情况（如线路连接及验。该试验是为了鉴定陀螺的装配调整情况（如线路连接及阻抗检查、转子及其轴承检查等），并为了鉴定陀螺的若干阻抗检查、转子及其轴承检查等），并为了鉴定陀螺的若干性能指标是否达到规定的要求。性能指标是否达到规定的要求。二、惯性器件测试的分类（以陀螺为例）§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类911、根据不同的测试目的来分类：、根据不同的测试目的来分类：••环境试验：环境试验：环境试验是为了鉴定陀螺在各种环境条件下的可环境试验是为了鉴定陀螺在各种环境条件下的可靠性和性能变化情况。从一批陀螺中抽取几个样品，置于各靠性和性能变化情况。从一批陀螺中抽取几个样品，置于各种环境条件下进行试验。如高低温试验、线振动试验、角振种环境条件下进行试验。如高低温试验、线振动试验、角振动试验、冲击试验、离心试验、抗磁动试验、冲击试验、离心试验、抗磁//湿湿//辐射辐射//噪音试验等，噪音试验等，以及上述在高以及上述在高gg环境下的试验。实验室内无法模拟真实环环境下的试验。实验室内无法模拟真实环境，只能是真实环境的一种近似。境，只能是真实环境的一种近似。••诊断试验：诊断试验：检查陀螺的缺陷，以期找出陀螺性能差的原因。检查陀螺的缺陷，以期找出陀螺性能差的原因。§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类二、惯性器件测试的分类（以陀螺为例）1022、根据输入输出的响应情况来判断性能来分类：、根据输入输出的响应情况来判断性能来分类：••静态试验：静态试验：在输入量为常数或变化很小的一段时间内，测定在输入量为常数或变化很小的一段时间内，测定陀螺的输出与输入之间关系的静态特性是否符合要求；陀螺的输出与输入之间关系的静态特性是否符合要求；••动态试验：动态试验：在输入量改变的一段时间内，测定陀螺输入输出在输入量改变的一段时间内，测定陀螺输入输出的动态响应特性是否符合要求。的动态响应特性是否符合要求。••漂移试验：漂移试验：全部输入信号保持不变的一段时间内，测定陀螺全部输入信号保持不变的一段时间内，测定陀螺输出信号发生缓慢变化的漂移特性是否符合要求。输出信号发生缓慢变化的漂移特性是否符合要求。§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类二、惯性器件测试的分类（以陀螺为例）1133、根据陀螺为单个元件或是已处于系统中来分类：、根据陀螺为单个元件或是已处于系统中来分类：••单表测试：单表测试：在测试台上对单个陀螺的性能进行测试。单表测在测试台上对单个陀螺的性能进行测试。单表测试能较好的检验出仪表的性能。试能较好的检验出仪表的性能。••系统测试：系统测试：在实际惯导系统中对陀螺的性能进行测试。该种在实际惯导系统中对陀螺的性能进行测试。该种方式对系统来说具有更好的使用价值。例如：装在系统中的方式对系统来说具有更好的使用价值。例如：装在系统中的陀螺工作环境会与单表测试环境有差异。陀螺工作环境会与单表测试环境有差异。§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类二、惯性器件测试的分类（以陀螺为例）1211、惯性器件漂移测试原理和方法的研究；、惯性器件漂移测试原理和方法的研究；22、漂移误差模型的建立；、漂移误差模型的建立；33、测试设备的研制和使用；、测试设备的研制和使用；44、测试环境的要求和控制；、测试环境的要求和控制；55、测试数据的分析和处理；、测试数据的分析和处理；66、测试工作的自动化；、测试工作的自动化；§4.1惯性器件测试的目的、意义及分类三、惯性器件漂移测试技术的关键因素13第四章惯性器件的测试及设备环境要求§4.2惯性器件测试的常见技术设备14§4.2惯性器件测试的常见技术设备•惯性器件的测试需要专门的测试设备。测试设备是评定惯性器件性能的工具，没有高精度的测试设备，就不能实现前面介绍的测试目的。•为了精确测试惯性仪表的精度，其测试设备的自身精度必须比被测件更高，一般来说，测试设备的精度要高一个数量级，或者说测试设备的误差应该是被测仪表误差的10%。并且要求测试设备具有高的分辨率、重复性和稳定性。15§4.2惯性器件测试的常见技术设备在进行惯性器件测试时，要根据测试项目、测试原理和测试方法的不同，来选择相应的测试设备。通常使用的主要测试设备有：精密分度头或精密位置转台：为陀螺提供相对于地球的各种精确位置；速率转台：为陀螺提供测试所需的精确转动速度；16§4.2惯性器件测试的常见技术设备伺服转台：用于精确跟踪陀螺漂移，同时一般具有精密机械转台和速率转台的功能，是陀螺漂移测试的重要设备。带有温控箱的二自由度伺服转台17§4.2惯性器件测试的常见技术设备线振动台：为陀螺测试所需的简谐变化的加速度，通常的频率范围为5~2000Hz，最大幅值可达100~150g线振动台18§4.2惯性器件测试的常见技术设备离心机：为陀螺测试提供所需的大的常值加速度。例如当离心机的转动速度为400deg/s，臂长为2米，向心加速度可以达到10g。离心机19§4.2惯性器件测试的常见技术设备地理子午线基准：进行陀螺漂移测试时，转台各轴需要进行初始对准。要求在实验室内建立地理子午线基准（或称地理南北线基准），精度一般要求达到1角秒。必须采用一级天文测量的方式来建立基准。地理子午线基准20第四章惯性器件的测试及设备环境要求§4.3惯性器件的试验环境要求21§4.3惯性器件的试验环境要求惯性器件测试的精度除了受测试设备精度的影响之外，还受到环境因素的影响。尤其是随着惯性器件精度的进一步提高，过去被人们忽略的大量环境因素在测试过程中造成了不可忽视的测量误差。因此在进行高精度惯性器件的性能测试时，必须对环境因素进行仔细的分析和严格的控制，才能达到所要求的测试精度。22§4.3惯性器件的试验环境要求环境因素的影响，主要是指被测惯性器件外部所有的物理的、电气的、机械的或其他参量。可以分为三类：实验室供电电源；实验室环境条件；基座振动；23§4.3惯性器件的试验环境要求一、供电电源与供电电源有关的参量包括交流电压/电流/频率、直流电压/电流以及接地方式等。电源性能的不稳定将可能会直接影响到惯性器件的输电源性能的不稳定将可能会直接影响到惯性器件的输出；出；采用稳压、稳频高性能电源供电，必要时需要使用采用稳压、稳频高性能电源供电，必要时需要使用电源监测装置电源监测装置。。电源的突然停止将会给测试器件和过程带来无法弥补的电源的突然停止将会给测试器件和过程带来无法弥补的损失。如静电陀螺的测试。损失。如静电陀螺的测试。采用备用蓄电池采用备用蓄电池。。24§4.3惯性器件的试验环境要求二、环境条件与环境条件有关的参量如室内温度、温度梯度、压力、湿度、磁场、尘埃、音响、重力、射频干扰及人员活动情况等。另外还有室外的环境因素等温度变化对测试精度的影响最为明显；将会给测试器件和测温度变化对测试精度的影响最为明显；将会给测试器件和测试设备带来影响。试设备带来影响。磁场会对装有电气元件和电子线路的惯性器件和转台带来影磁场会对装有电气元件和电子线路的惯性器件和转台带来影响。响。室内人员走动会扰乱室内气流流型而改变室内温度场分布。室内人员走动会扰乱室内气流流型而改变室内温度场分布。25§4.3惯性器件的试验环境要求二、环境条件室外温度、大气压力、地下水位和交通车辆等情况会引起实室外温度、大气压力、地下水位和交通车辆等情况会引起实验室地基的震动或倾斜。验室地基的震动或倾斜。美国麻省理工惯导实验室曾进行了专门的分析，结果表明两美国麻省理工惯导实验室曾进行了专门的分析，结果表明两人在实验室周围走动就有影响，下午阳光照射的影响比上午人在实验室周围走动就有影响，下午阳光照射的影响比上午大等。大等。改进方法：