专利名称：一种高效集成光纤陀螺的测试系统及测试方法
技术领域：
本发明涉及测试光纤陀螺的方法，属于光纤陀螺仪性能测试技术领域，具体涉及一种高效集成光纤陀螺的测试系统及测试方法。
背景技术：
在光纤陀螺仪的生产流程中，陀螺性能测试是一个必要的环节，通常是需要在特定的转台上完成，主要测试参数有陀螺全温(_30°C -70°C )下的零偏、标度因数以及消耗功率等，测试的结果可以反映陀螺的准确度与稳定度。同时在光纤陀螺工作过程中，为了保证陀螺的性能和质量以及工作的可靠性，需要对其进行定期的测试和定期校验。现有测试光纤陀螺方法通常为将光纤陀螺放在正弦速率测试转台上，采用压缩机实现对温度的控制，虽然其温度控制精度高，但设定温度点就需要约一个多小时的时间，这样才能使其稳定在一个高精度的温度点上，由于陀螺的测试需要在全温下，即不同的温度点上进行测试，这样就需要很长的时间来进行不同温度点设定。同时，现有测试方法采用闭环反馈的方式进行测试，因此操作复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高效集成光纤陀螺的测试系统及测试方法，能够在短时间内实现对光纤陀螺在全温下进行测量，具体的技术方案如下一种高效集成光纤陀螺的测试系统，包括正弦速率转台、液氮杯、加热膜、电压采集模块、电流采集模块、温度调节控制模块、低通滤波模块、升压差分模块、高精度A/D转换模块以及上位机；所述正弦速率转台用于为光纤陀螺提供正弦速率，包括内置的A/D转换器以及存储器；加热膜位于正弦速率测试转台底部，正弦速率测试转台的上方放置盛放液氮的液氮杯，通过液氮的蒸发降温和控制加热膜的升温调节正弦速率测试转台的温度；电压采集模块，用于按照事先设置的频率采集位于正弦速率转台上的光纤陀螺的零偏电压Vtl和输出电压V"，并传输给低通滤波模块；电流采集模块，用于按照事先设置的频率采集光纤陀螺的输出电流A，并传输给低通滤波模块；温度调节控制模块，用于控制加热膜，使正弦速率转台在液氮杯和加热膜的控制下处于不同的测试温度，并将正弦速率转台温度T输出给低通滤波模块；低通滤波模块，用于对接收的零偏电压Vtl、输出电压V"、输出电流A以及正弦速率转台温度τ滤波，并将Vtl和V"传输给升压差分模块，将A和T传输给所述A/D转换器；A/D转换器，用于对接收A和T进行模数转换后存储于所述存储器中；升压差分模块，用于将接收的Vtl和V"由单路正负信号的形式转换成双路正信号差分的形式输出给A/D转换模块；A/D转换模块，用于对接收的Vtl和V"进行A/D转换，其中直接将Vtl存储于所述存储器中，将V"除以正弦速率测试转台的速率得到陀螺的标度因子F并存储于存储器中；上位机对存储器内存储的数据进行处理和显示，以便工作人员进行判断和处理。一种高效集成光纤陀螺的测试方法，具体步骤为步骤一将光纤陀螺置于正弦速率测试转台上，并使正弦速率测试转台按正弦速率进行旋转，其中正弦速率测试转台底部贴有加热膜且上方放置盛放液氮的液氮杯，通过液氮的蒸发降温和控制加热膜的升温调节正弦速率测试转台使其处于_30°C时；停止正弦速率测试转台的旋转，按照事先设定的频率采集多组光纤陀螺的零偏电压、正弦速率测试转台温度以及光纤陀螺消耗电流，并进行加权平均获得光纤陀螺的零偏电压Vtl、正弦速率测试转台温度T以及光纤陀螺消耗电流A ；步骤二 保持正弦速率测试转台处于-30°C，并使其按照正弦速率旋转，在10秒内按照事先设定的频率采集多组陀螺输出电压，并进行加权平均获得陀螺输出电压V"；步骤三将经过阻抗匹配电路输出的VtlJ"、A以及T输入到有源低通滤波器电路中，消除信号中混有的高频噪声信号；步骤四采用正弦速率测试转台内置的A/D转换器中对A和T进行AD转换，然后存储到正弦速率测试转台内置的存储器中；由于需要高精度的Vtl和V"，因此将Vtl和V"从单路正负信号转换成双路正信号差分信号，再经外部A/D转换芯片来实现模拟/数字转换， 陀螺零偏电压Vtl不经过任何处理直接读取后存储，将V"除以正弦速率测试转台的速率得到陀螺的标度因子F，然后存储所述存储器中；步骤五将存储在正弦速率测试转台存储器内的陀螺零偏电压Vtl、标度因子F、正弦速率测试转台温度T和消耗电流A传输到上位机上，上位机软件获取控制器发送的数据并保存并显示；步骤六调节正弦速率测试转台的温度并重复步骤一至步骤五完成对各温度点信号数据的采集和显示。有益效果本发明采用正弦速率转台主控芯片内置的A/D转换器对精度要求较低的消耗电流A以及正弦速率测试转台温度T进行处理，采用外部A/D转换模块对零偏电压Vtl以及输出电压V"，提高信号处理速度；本发明进一步通过液氮和加热垫片对正弦速率测试转台温度进行控制，每个温度定位点时间短，从而大大提供了测试光纤陀螺的速度。其次，本发明采用升压差分模块对输出零偏电压Vtl以及输出电压V"进行处理，有利于在A/D变换时消除温度等引起的共模噪声信号。再次，本发明将输出的W、A以及T经高输入电阻的阻抗匹配电路输入带通滤波器，实现V。、V"、A以及T最大限度的进入输入带通滤波器，减少V。、V"、A以及T在陀螺输出电阻上消耗，将从高阻抗匹配电路输出的\、V"、A以及T。
图1为本发明一种高效集成光纤陀螺的测试系统的示意图；图2为本发明升压差分电路示意3为本发明一种高效集成光纤陀螺的测试方法的流程图；。
具体实施例方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本发明高效集成光纤陀螺的测试系统，包括正弦速率转台、液氮杯、加热膜、电压采集模块、电流采集模块、温度调节控制模块、低通滤波模块、升压差分模块、高精度A/D转换模块及上位机；所述正弦速率转台用于为光纤陀螺提供正弦速率，包括内置的A/D转换器以及存储器，其中所述A/D转换器以及存储器皆位于正弦速率转台内部的主控芯片，主控芯片用于接收上位机的命令，实现对正弦速率转台的控制；加热膜位于正弦速率测试转台底部，正弦速率测试转台的上方放置盛放液氮的液氮杯，通过液氮的蒸发降温和控制加热膜的升温调节正弦速率测试转台的温度；电压采集模块，用于按照事先设置的频率采集位于正弦速率转台上的光纤陀螺的零偏电压Vtl和输出电压V"，并传输给低通滤波模块；电流采集模块，用于按照事先设置的频率采集光纤陀螺的输出电流A，并传输给低通滤波模块；温度调节控制模块，用于控制加热膜，使正弦速率转台在液氮杯和加热膜的控制下处于不同的测试温度，并将正弦速率转台温度T输出给低通滤波模块；低通滤波模块，用于对接收的零偏电压Vtl、输出电压V"、输出电流A以及正弦速率转台温度τ滤波，并将Vtl和V"传输给升压差分模块，将A和T传输给所述A/D转换器；A/D转换器，用于对接收A和T进行模数转换后存储于所述存储器中；升压差分模块，用于将接收的Vtl和V"由单路正负信号的形式转换成双路正信号差分的形式输出给A/D转换模块；A/D转换模块，用于对接收的Vtl和V"进行A/D转换，其中直接将Vtl存储于所述存储器中，将V"除以正弦速率测试转台的速率得到陀螺的标度因子F并存储于存储器中；转台主控芯片用于将每次20s采集的数据临时存储在芯片的内部寄存器里，然后通过串口传输给上位机，同时接收上位机的命令。上位机对存储器内存储的数据进行处理和显示，以便工作人员进行判断和处理。本发明中所述升压差分模块采用两个运算放大器，分别为ARB、ARA，皆采用 AD706运算放大器，运算放大器AD706选型原因具有皮安培级的输入偏置电流、低偏置电流漂移、高直流精度、"40 0C _+85°C的工作温度范围以及贴片的封装；8个电阻，分别为 Rl (IOK)、R2 (IOK)、R3 (80K)、R4 (240K)、R5 (IK)、R6 (20K)、R7 (20K)、R8 (IK)，6 个电容，分别为 Cl (0. OluF)、C2 (2200pF)、C3 (2200pF)、C4 (0. OluF)、C5 (1200pF)、C6 (1200pF)；其中陀螺输出的电压信号有正有负，因此将滤波后的Vtl和V"输入升压差分变换电路，输入信号分别与电阻R3的一端、电容Cl的一端分别相连，电容的另一端与AD706的第一正输入端相连并接地；电阻R3的另一端分别与AD706的第一负输入端、电容C2的一端以及电阻R4的一端相连，电容C2的另一端与AD706的第一输出端以及电阻R5的一端分别相连，电阻R5的另一端分别与电阻R6的一端、电阻R4的另一端、电容C4的一端以及电阻 Rl的另一端相连；电阻R6的另一端与AD706的第二负输入端、电阻R7的一端以及电容C3 的一端分别相连，AD706的第二正输入端接地，电容C3的另一端与AD706的第二输出端以及电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端分别与电阻R7的另一端、电容出C4的另一端以及电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端通过电容C6接地并输出，电阻Rl的另一端通过电容 C5接地并输出。AD706的V+端接正12V电压，AD706的V-端接正-12V电压，Cl、C4为旁路电容滤除信号中的交流干扰信号，ARB和R3、R4构成反相比例放大器，C2、C3为皮法级的电容，此处用于运放的相位补偿，防止运放自激。R5、R8用于保护运放输出，防止当负载短路时，运放输出的大电流对运放内部的损坏，ARA, R6和R7也是反相比例放大器，由于此处R6和R7阻值相同，这样和运放构成了反相器，RU C5和R2、C6构成两个低通滤波器，对信号进行滤波，滤除信号中的低频噪声；从而实现将陀螺单路输出信号转换为差分信号输出。本发明高效集成光纤陀螺的测试方法，具体步骤为第一步将光纤陀螺置于正弦速率测试转台上，并使正弦速率测试转台按一定的正弦速率进行旋转，调节正弦速率测试转台的初始温度为-30°C ；当正弦速率测试转台的温度达到-30°C后暂停正弦速率测试转台转动，并保温5min后在10秒内按照事先设定的频率采集多组光纤陀螺的零偏电压、正弦速率测试转台温度以及光纤陀螺消耗电流，并进行加权平均获得光纤陀螺的零偏电压Vtl、正弦速率测试转台温度T以及光纤陀螺消耗电流A。 其中，陀螺的消耗电流通过在陀螺供电回路串联一个0. 1 Ω精密电阻检测其压降从而获得回路消耗电流。所述调节正弦速率测试转台的初始温度为利用液氮和加热膜对摇摆台测试环境温度的控制，将测试陀螺仪放置在底部贴有加热膜的正弦速率测试正弦速率测试转台上，在陀螺的上方放置接盛放液氮的液氮杯，通过液氮的蒸发降温和加热膜的升温可以调节陀螺周围环境的温度，其中加热膜上电后温度以2°C/min上升；通过选用精度为士 1°C 的集成温度传感器AD590来测量环境的温度，它的特点是流过器件的电流(μΑ)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数，热力学温度T与摄氏温度t之间的转换公式为 T = t+273. 1，其电流输出1μΑ/ 、输出电阻为710ΜΩ，传感器的供电电源为2. 5V，如温度在-35°C -75°C变化时电流变化范围238. 1 μ Α-348. 1 μ A, AD590就等同于一个高阻抗电流源。因此在其回路里串接一个^Ω电阻皆可实现5mV/K的变化检测此电压值即可获得监测点温度，并完成在监测温度点陀螺性能参数的测量。通过上述的温控方法正弦速率测试转台温度从室温达到_30°C，需要时间约25min。第二步保持正弦速率测试转台处于-30°C，并使其按照正弦速率旋转，在10秒内按照事先设定的频率采集多组采集陀螺输出电压，并进行加权平均获得陀螺输出电压V"； 这样得到了在_30°C温度下的四个初始数据。第三步将正弦速率测试转台静止时陀螺输出的零偏电压Vtl、正弦速率测试转台转动时陀螺输出电压V"、光纤陀螺消耗电流A以及正弦速率测试转台温度T，经过高输入电阻的阻抗匹配电路，实现V。、V"、A以及T最大限度的进入下一个环节，减少V。、V"、八以及T在陀螺输出电阻上消耗；将经过阻抗匹配电路输出的VtlJ"、A以及T输入到有源低通滤波器电路中，消除信号中混有的高频噪声信号，滤波器的截止频率可以根据先验陀螺信号中混有的噪声信号频率来确定。第四步由于％、V"、A以及T皆为模拟信号，而后续陀螺信号需要经过模拟/数字信号的转换才能被正弦速率测试转台控制器存储，采用的AD转换芯片来实现模拟/数字信号的转换。由于对A和T的精度要求比V。和V"低，采用正弦速率测试转台内置的AD转换器中进行AD转换，然后进行存储。同时由于需要高精度的Vtl和V"，因此采用外部AD转换芯片来实现模拟/数字转换，所述AD转换芯片要求差分输入且输入信号必须为正电压，而陀螺输出的电压信号有正有负，因此将滤波后的Vtl和V输入升压差分变换电路，以实现陀螺信号从单路正负信号到双路正信号差分输出，同时差分输出也有利于在A/D变换时消除温度等引起的共模噪声信号。其中根据陀螺输出电压信号的最小输出幅度和最大输出幅度， 来选择相应的AD转换芯片的位数。将升压差分电路输出的Vtl和V"差分输入到AD芯片中，完成陀螺输出的模拟信号到数字信号的转换，最终AD芯片输出信号被正弦速率测试转台控制芯片读取，存储在芯片中；这里陀螺零偏电压Vtl不经过任何处理直接读取后存储，而输出电压V"需要除以正弦速率测试转台的速率得到的新的数据即陀螺的标度因子F，然后进行存储。这样只需要20s时间内就可以全部获得在-30°C温度下的所需的数据。第五步存储在正弦速率测试转台控制器内的四个信号数据为陀螺零偏电压％、 标度因子F、正弦速率测试转台温度T和消耗电流A。接下来正弦速率测试转台控制器通过内部的通用异步接收/发送装置UART采用RS-232串口通信标准与上位机进行通信。 RS-232是美国电子工业协会EDUElectronidndustry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号。正弦速率测试转台控制器将_30°C下获取的数据传输到上位机上，上位机软件获取控制器发送的数据并保存。第六步上位机软件将正弦速率测试转台控制器发送的数据(陀螺零偏电压\、 标度因子F、正弦速率测试转台温度T和消耗电流A)不经过处理就以时间为横轴，零偏电压 Vo、标度因子F、正弦速率测试转台温度T和消耗电流A为纵轴的图形方式实时现实在上位机上，以供测试人员查看。第七步上位机软件除了直接将数据显示外，经过程序处理，从而建立陀螺随温度变化输出变化的模型，并以温度T为横轴，零偏电压Vtl、标度因子F为纵轴的图形显示，以供查看，而陀螺的消耗电流A用于判断当前陀螺的工作是否正常，如果消耗电流A大于陀螺正常的工作值，则上位机通过串口通信告知正弦速率测试转台控制器停止工作。第八步完成一个温度点的数据获取和显示处理后，正弦速率测试转台以2°C / min左右的升温速度上升到下一下温度点，并采集下一个温度点陀螺输出的零偏电压Vtl、正弦速率测试转台转动时陀螺输出电压V"、光纤陀螺消耗电流A以及正弦速率测试转台温度T，其中不同温度点W、A以及T的采集方法与-30°C的采集方法相同，这里不进行累述。正弦速率测试转台温度以2°C/min上升，最终从-30°C达到70°C时，大约需要50min，这样完成了所有的数据获取、处理和显示，这样待测陀螺的性能测试完成。通过上述时间的计算可以看出整个测试过程需要时间约80min，而采用高精度的正弦速率测试转台如中国船舶工业集团63M所制造的温控单轴多功能测试正弦速率测试转台所需时间约为4-6个小时，两者相比较可以比较看出，采用本测试方法效率提高了近3倍。大大缩小了测试时间。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种高效集成光纤陀螺的测试系统，其特征在于，包括正弦速率转台、液氮杯、加热膜、电压采集模块、电流采集模块、温度调节控制模块、低通滤波模块、升压差分模块、高精度A/D转换模块及上位机；所述正弦速率转台用于为光纤陀螺提供正弦速率，包括内置的A/D转换器以及存储器；加热膜位于正弦速率测试转台底部，正弦速率测试转台的上方放置盛放液氮的液氮杯， 通过液氮的蒸发降温和控制加热膜的升温调节正弦速率测试转台的温度；电压采集模块，用于按照事先设置的频率采集位于正弦速率转台上的光纤陀螺的零偏电压VO和输出电压V"，并传输给低通滤波模块；电流采集模块，用于按照事先设置的频率采集光纤陀螺的输出电流A，并传输给低通滤波模块；温度调节控制模块，用于控制加热膜，使正弦速率转台在液氮杯和加热膜的控制下处于不同的测试温度，并将正弦速率转台温度T输出给低通滤波模块；低通滤波模块，用于对接收的零偏电压V0、输出电压V"、输出电流A以及正弦速率转台温度T滤波，并将VO和 V"传输给升压差分模块，将A和T传输给所述A/D转换器；A/D转换器，用于对接收A和T进行模数转换后存储于所述存储器中；升压差分模块， 用于将接收的VO和V"由单路正负信号的形式转换成双路正信号差分的形式输出给A/D转换模块；A/D转换模块，用于对接收的VO和V"进行A/D转换，其中直接将VO存储于所述存储器中，将V"除以正弦速率测试转台的速率得到陀螺的标度因子F并存储于存储器中；上位机对存储器内存储的数据进行处理和显示，以便工作人员进行判断和处理。
2.根据权利要求1所述的高效集成光纤陀螺的测试系统，其特征在于，所述升压差分模块采用AD706芯片，8个电阻，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，6个电容，分别为Cl、 C2、C3、C4、C5、C6 ；输入信号分别与电阻R3的一端、电容Cl的一端分别相连，电容的另一端与AD706的第一正输入端相连并接地；电阻R3的另一端分别与AD706的第一负输入端、电容C2的一端以及电阻R4的一端相连，电容C2的另一端与AD706的第一输出端以及电阻R5 的一端分别相连，电阻R5的另一端分别与电阻R6的一端、电阻R4的另一端、电容C4的一端以及电阻Rl的另一端相连；电阻R6的另一端与AD706的第二负输入端、电阻R7的一端以及电容C3的一端分别相连，AD706的第二正输入端接地，电容C3的另一端与AD706的第二输出端以及电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端分别与电阻R7的另一端、电容出C4的另一端以及电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端通过电容C6接地并输出，电阻Rl的另一端通过电容C5接地并输出。
3.根据权利要求1所述的高效集成光纤陀螺的测试系统，其特征在于，进一步包括阻抗匹配模块，将电压采集模块零偏电压VO和输出电压V"、电流采集模块输出的输出电流A 以及温度调节控制模块输出的正弦速率转台温度T，经过高输入电阻的阻抗匹配模块，实现 V0, V"、A以及T最大限度的进入输入带通滤波器。
4.一种高效集成光纤陀螺的测试方法，其特征在于，具体步骤为步骤一将光纤陀螺置于正弦速率测试转台上，并使正弦速率测试转台按正弦速率进行旋转，其中正弦速率测试转台底部贴有加热膜且上方放置盛放液氮的液氮杯，通过液氮的蒸发降温和控制加热膜的升温调节正弦速率测试转台使其处于-30°C时；停止正弦速率测试转台的旋转，按照事先设定的频率采集多组光纤陀螺的零偏电压、正弦速率测试转台温度以及光纤陀螺消耗电流，并进行加权平均获得光纤陀螺的零偏电压V0、正弦速率测试转台温度T以及光纤陀螺消耗电流A ；步骤二 保持正弦速率测试转台处于-30°C，并使其按照正弦速率旋转，在10秒内按照事先设定的频率采集多组陀螺输出电压，并进行加权平均获得陀螺输出电压V"；步骤三将经过阻抗匹配电路输出的V0、V"、A以及T输入到有源低通滤波器电路中， 消除信号中混有的高频噪声信号；步骤四采用正弦速率测试转台内置的A/D转换器中对A和T进行AD转换，然后存储到正弦速率测试转台内置的存储器中；由于需要高精度的VO和V"，因此将VO和V"从单路正负信号转换成双路正信号差分信号，再经外部A/D转换芯片来实现模拟/数字转换，陀螺零偏电压VO不经过任何处理直接读取后存储，将V"除以正弦速率测试转台的速率得到陀螺的标度因子F，然后存储所述存储器中；步骤五将存储在正弦速率测试转台存储器内的陀螺零偏电压V0、标度因子F、正弦速率测试转台温度T和消耗电流A传输到上位机上，上位机软件获取控制器发送的数据并保存并显示；步骤六调节正弦速率测试转台的温度从_30°C _+70°C并重复步骤一至步骤五完成对各温度点信号数据的采集和显示。
全文摘要
本发明公开了一种高效集成光纤陀螺的测试系统及测试方法，所述测试系统包括正弦速率转台、液氮杯、加热膜、电压采集模块、电流采集模块、温度调节控制模块、低通滤波模块、升压差分模块、高精度A/D转换模块以及上位机。所述测试方法具体步骤为，一、测量光纤陀螺的零偏电压V0、正弦速率测试转台温度T以及光纤陀螺消耗电流A；二、测量光纤陀螺的输出电压V"；三、V0、V"、A以及T输入到有源低通滤波器电路中，消除信号中混有的高频噪声信号；四、V0、V"、A以及T进行A/D转换并存储。使用本发明的测试系统及测试方法对光纤陀螺进行测试可以大大提高了测试光纤陀螺的速度。
文档编号G01C25/00GK102183264SQ20111000866
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者姜明, 姜 硕, 汪湛清, 王献周 申请人:北京理工大学