专利名称：光纤陀螺指标参数自动化测试系统及方法
技术领域：
本发明属于数据采集与测试技术领域，具体地说是一种光纤陀螺指标参数自动化测试系统及方法，可用于航空航天领域及飞行器控制系统。
背景技术：
光纤陀螺具有精度高、抗干扰能力强、预热时间短等一系列优点，在航空航天以及其它各个领域得到了广泛的应用，它决定着飞行器导航和姿态控制精度，它的品质好坏直接影响飞行器控制系统的可靠性。因此光纤陀螺的性能参数测试对于光纤陀螺占据着举足轻重的地位，成为该领域最基本技术之一，所以一套高精度的测试系统成为光纤陀螺参数测试必不可少的设备。目前已有一些光纤陀螺参数采集与测试系统，如基于USB的光纤陀螺测试系统、 基于RS-232的光纤陀螺测试系统等，这些测试系统虽然能够完成光纤陀螺的基本参数测试，但是都存在着一些不足之处，比如基于RS-232的光纤陀螺测试系统虽然连接简单，但是数据传输速率慢，因而使其成为高速数据传输的瓶颈；基于USB的光纤陀螺测试系统虽然可以同时解决传输速率、单位时间数据吞吐量的问题，但是其硬件电路相对比较复杂，测试数据精度低。此外，这两种测试系统还存在着另外一个不足之处自动化程度低，要用手动控制温箱和转台，测试数据的记录、处理和分析也是由人工完成，需要耗费大量的时间去做数据的分析，导致测试期间操作步骤比较复杂，延长了测试时间，测试结果不直观。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种光纤陀螺指标参数自动化测试系统及方法，以提高测试数据精度，减少人工操作的复杂度，使得测试操作简单易行，缩短测试的时间，提高测试系统的自动化程度，直观显示测试结果。为实现上述目的，本发明的自动化测试系统包括温箱转台、信号处理单元和计算机三部分，其特征在于1)温箱转台包括温度控制仪和转台，温度控制仪用来给光纤陀螺进行加热，转台用来给光纤陀螺提供一定角度的摆动，获得光纤陀螺的运动轨迹；2)信号处理单元包括四路放大器和一个A/D转换器，放大器将光纤陀螺的电流信号、零偏信号、转速信号和温度信号进行放大处理，A/D转换器将放大后的四路模拟信号转换为数字信号，通过PCI总线将光纤陀螺的所述信号传输给计算机；3)计算机利用采集卡接收光纤陀螺信号，完成测试数据的处理、保存、拟合和显
7J\ ο所述的转台设有频率和触发转台转动的圈数这两个参数，根据具体测试需要，转台频率参考数值设置为0. 8Hz，测试周期为20s，在每个测试周期中触发转台一次，每次触发转台转动的圈数参考数值设置为8. 0。所述的四路放大器采用差分放大电路分别将四路信号进行不同倍数的放大处理，放大后的四路模拟信号利用16位的A/D转换器转换为数字信号，确保了采集数据的精度。为实现上述目的，本发明的自动化测试方法，包括如下步骤1)设置转台的频率为0. 8Hz、触发圈数为8. 0和温度控制仪的起始温度_35°C、停止温度+80°C及温度上升速率1. 5° /min ；打开计算机的测试界面，设置光纤陀螺编号、开始升温温度和存盘路径；2)将光纤陀螺固定在转台上，放置液氮逐渐使光纤陀螺降温，以2. 5KHz的采样速率对光纤陀螺输出的静态零偏信号、静态电流信号、温度信号以及动态刻度系数进行采集， 在每个测试周期内得到一组测试数据；3)当光纤陀螺的温度降到-30°C时，给光纤陀螺断电并且控制转台停止转动，中断测试，当断电2分钟或者光纤陀螺的温度降到_35°C时，开始给光纤陀螺加热，断电5分钟时，给光纤陀螺恢复供电并且恢复转台转动，重新以20s为周期继续对光纤陀螺输出的静态零偏、静态电流、温度以及动态刻度系数进行采集，并将断电前的测试数据和上电后的测试数据以图形的形式实时的显示在同一界面上，同时保存在存盘路径中；4)当温度升到+70°C时，停止给光纤陀螺加热，继续测试两分钟后，得到整个测试过程中的光纤陀螺的静态零偏、静态电流和动态刻度系数测试数据，并将这些测试数据分别进行拟合，得出光纤陀螺的静态零偏、静态电流和动态刻度系数的拟合值；5)将光纤陀螺的测试数据与其拟合值求差，并用图形表示出来，显示整个测试过程中光纤陀螺静态零偏、静态电流和动态刻度系数的波动大小，测试结束。本发明具有如下优点1)在光纤陀螺数据采集过程中，本发明由于以20s为一个测试周期，在每个测试周期内，完成对光纤陀螺静态和动态数据的采集，各项数据采集多点，最终得出一个平均值作为该周期内的光纤陀螺数据，并且对光纤陀螺的数据进行了三次拟合，提高了测试数据的精度。2)本发明中温箱的升温控制、转台的转动控制、以及光纤陀螺的断电和上电控制全部在软件中实现，光纤陀螺测试数据的保存、处理和分析，全部由计算机完成，减少了人工操作的复杂度，提高了测试系统的自动化程度。3)本发明由于在温箱和转台的设计中，将温箱转台频率和转动圈数设为可调节的，具有与软件配合的更大灵活性，同时由于将温度控制仪的起始温度、停止温度和上升速率也设为可调的，每次设置完成之后自动保存，使得测试操作简单易行，并且缩短了测试时间。4)本发明中光纤陀螺的测试数据和拟合值分别在两副图形中显示，测试结果显示直观。
图1是本发明系统的原理框图；图2是本发明方法的整体流程图；图3是本发明中单个测试周期的流程图；图4是本发明方法的测试主界面；图5是本发明方法的数据拟合界面；
图6是本发明测试编号为09361光纤陀螺的测试结果图；图7是本发明测试编号为09361光纤陀螺数据的拟合图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细描述参照图1，本发明的测试系统包括温箱转台、信号处理单元和计算机三部分。其中温箱转台由温度控制仪和转台组成，转台固定在温度控制仪的上面，用来给光纤陀螺提供一定角度的转动，光纤陀螺的输出电压值与转台的转速成正比的关系，因此采集到的光纤陀螺的电压大小对应着转速的高低，当转速呈正弦变化时，得到的电压也呈正弦变化，当转台每次触发转动完成后，求出正弦曲线的面积，从而得出光纤陀螺的刻度系数，由于加热电机发出的热量通过转台传输给光纤陀螺，转台的温度也就反映出了光纤陀螺的温度，设计中在转台上固定了一个温度传感器，用来采集光纤陀螺的温度值，本实例中的温度传感器采用AD590，但不限于此型号，转台设有频率和触发转台转动的圈数这两个参数，转台的频率控制转台转动一周需要的时间，触发转台转动的圈数决定转台在单个测试周期内转动的圈数，根据光纤陀螺型号的不同和具体测试要求的不同，可以对这两个参数进行调节，本实例中，转台频率数值设置为0. 8Hz，测试周期为20s，在每个测试周期中触发转台一次，每次触发转台转动的圈数设置为8.0圈；温度控制仪主要由一个电机构成，完成给光纤陀螺加热，保证光纤陀螺的温度能够从_35°C上升到+70°C，同时温度控制仪还能显示转台的当前温度值，将该温度值和光纤陀螺的温度测试值进行比较，能随时观看光纤陀螺的温度测试值是否正常，此外，温度控制仪设有起始温度、停止温度和温度上升速率三个参数，起始温度是一个参考值，当开始加热时，这个数值会快速的逼近实际温度，停止温度控制光纤陀螺可以加热到的最高温度，温度上升速率决定整个升温过程中光纤陀螺温度的上升快慢，根据光纤陀螺型号的不同和具体测试要求的不同，可以对这三个参数进行调节，本实例中，温度控制仪的起始温度设置为_35°C，停止温度设置为+80°C，温度上升速率设置为1. 5° / min，且只有起始温度逼近实际温度值时，升温速度才会以设置的速率1.5° /min勻速升信号处理单元，包括光纤陀螺信号的放大、模数转换和接口控制电路三个部分， 光纤陀螺信号的放大采用四路差分放大电路实现，本实例中的放大器采用四个差分输入单端输出的仪表运算放大器AD8221，但不限于此型号，其放大倍数是由放大器的2管脚与3管脚之间的电阻值大小决定；数模转换采用16位分辨率，200K以上采样率的A/D转换器将放大后的模拟信号转换为数字信号，16位分辨率保证了电压测量的精度，200K以上的采样率可以满足高速采集多次平均的需求，由于采用一个A/D转换器，设计中增加一个模拟开关， 四路信号分时复用，由模拟开关来选择输入被转换的信号，每次选择一路进行转换；接口控制电路由89C51单片机发出加热和启动转台转动的控制信号，其中发出的转台转动控制信号经过光电隔离后输出给转台，这样保证了转台与产品之间地线的隔离，加热的控制信号传输给温度控制仪控制光纤陀螺的加热，光纤陀螺的上电与断电操作也是通过单片机发送高低电平控制。计算机与信号处理单元之间采用33MHz时钟，32bit的PCI接口总线连接，PCI接口总线数据传输带宽大，相同的数据量总线占用时间短，处理机的利用率高，用采集卡将信光纤陀螺数据进行采集，最终将采集过来的光纤陀螺数据显示在计算机的显示器上，并保存在计算机中。参照图2，本发明的测试包括如下步骤步骤一、设置参数。在开始测试光纤陀螺数据前，为了满足测试的需求，必须在两处设置好参数，一处是温箱参数的设置，点击温箱转台左侧主界面的参数设置按键，根据软件的需要，设置转台频率，本实例设转台频率为0. 8Hz，转台每次触发时，转台摆动圈数为8圈，温度控制仪的起始温度、停止温度和温度上升速率也要进行设置，根据需要可以进行不同数值的设置，本实例设置起始温度为_35°C，停止温度为+70°C，温度上升速率为1. 5° /min ；另一处是在打开的测试主界面上输入光纤陀螺编号、开始升温温度和存盘路径，每个光纤陀螺的采集数据都会在采集结束后保存在己选存盘路径下的一个txt文档里，文档的名字以光纤陀螺的编号和该光纤陀螺开始测试的时间命名，能够进行长时间的保存，也方便以后对光纤陀螺数据的查看。步骤二、以2. 5. KHz的采样速率对光纤陀螺输出的模拟数据进行采集。将光纤陀螺固定在转台上，在温箱上放置好液氮，液氮量的大小根据光纤陀螺降温的需要量取，本实例中要保证光纤陀螺能够降温到_30°C，根据多次试验验证，在温箱上放置容量大小为150ml的四杯液氮即可满足要求，完成好上述所有准备工作后，开始测量， 测量时按照每个周期进行。如附图3所示，在每个测试周期内，用前6s采集光纤陀螺的静态零偏、静态电流和温度值，接下来的IOs测试光纤陀螺的刻度系数值，用高速采样率2. 5KHz进行陀螺输出的采样，每个测试周期内，光纤陀螺的静态零偏、静态电流、温度和刻度系数分别采集2500个点，将这四组2500个点分别求平均值，得到所述的四个数据，分别作为光纤陀螺各项参数在该周期内的数值。步骤三、中断测试5分钟后，开始给光纤陀螺加热，并恢复上电，继续测试。在测试过程中，软件一直检测光纤陀螺的温度是否到达开始测试之前设定好的-30°C，一旦检测到光纤陀螺的温度降到-30°C，控制电路发送一个低电平给继电器，继电器停止给光纤陀螺的供电，并且停止转台的转动，当断电2分钟或者温度降到_35°C时， 启动加热，是为了在断电时间达到5分钟的时候，使得光纤陀螺温度能够回升到-30°C左右，尽量保证继续测量的光纤陀螺静态零偏、静态电流和动态刻度系数值与断电前的测量值连续，使得后续的拟合结果更加精确，当断电5分钟的时候，给光纤陀螺恢复供电并且恢复转台转动，重新以20s为周期继续对光纤陀螺输出的静态零偏、静态电流、温度以及动态刻度系数进行采集，在断电的5分钟时间内，只采集和保存光纤陀螺的温度值；显示测试数据的界面如附图4所示，由于光纤陀螺的直接参数并不是查看的主要内容，要关注的是光纤陀螺静态参数和动态参数在整个测试过程中的波动大小，图如中曲线1、2、3、4分别代表整个测试过程中光纤陀螺动态刻度系数、静态零偏、静态电流、温度的实时值与初始值的差值相对于时间的变化规律，图4b中的曲线1、2、3分别代表整个测试过程中光纤陀螺动态刻度系数、静态零偏、静态电流的实时值和初始值的差值相对于温度的变化规律，在图如和图4b的左右两侧显示的是光纤陀螺各项参数差值的大小，其中W，mV、 I，mA、T，°C、S，mV八/s分别代表光纤陀螺的静态零偏、静态电流、温度和动态刻度系数，存盘路径下文档里保存的是光纤陀螺各项数据的原始值。步骤四、数据拟合。当光纤陀螺温度上升到+70°C时，为了让光纤陀螺的测试数据更加准确，我们设计在到达+70°C时停止对光纤陀螺的加热，继续保温两分钟并对光纤陀螺数据进行测试，两分钟后得到整个测试过程中的光纤陀螺的静态零偏、静态电流和动态刻度系数测试数据，并将这些测试数据分别进行拟合，拟合公式如下Y1 = aiX^biX^CiX+diy2 = a2x3+b2x2+c2x+d2y3 = a3x3+b3x2+c3x+d3其中χ代表温度，Y1代表静态零偏，B1, bp C1, Cl1分别代表静态零偏拟合时温度的三阶、二阶、一阶、零阶次数，Y2代表静态电流，％、b2、c2、d2分别代表静态电流拟合时温度的三阶、二阶、一阶、零阶次数，Y3代表刻度系数，％、b3、c3、d3分别代表刻度系数拟合时温度的三阶、二阶、一阶、零阶次数；拟合后的结果如附图5所示，图fe中的第1、2、3组曲线中的虚线分别代表光纤陀螺的动态刻度系数、静态零偏、静态电流与各自初始值的差值相对于温度的变化，第1、2、 3组曲线中的实线分别代表光纤陀螺的动态刻度系数、静态零偏、静态电流与各自初始值差值的拟合结果相对于温度的变化，图恥中的1、2、3条曲线分别代表光纤陀螺静态电流、 静态零偏、动态刻度系数拟合前和拟合后的差值大小相对于温度的变化，图中的Bias，SF, Isld分别代表光纤陀螺的静态零偏、动态刻度系数和静态电流。步骤六、重现已测光纤陀螺数据。如图4所示，在开始测试光纤陀螺数据前，测试主界面有载入文件按键，增加此功能的主要作用是将测试过的光纤陀螺数据已经完整的保存下来，只要有某个光纤陀螺的测试数据，就可以随时载入进来以图形的形式对该光纤陀螺数据进行观察，以确定其是否达到要求的性能指标，也可以重复步骤5对其数据进行拟合处理。本发明的效果可通过以下测试实例结果进一步说明。1)设置转台的频率为0. 8Hz、触发圈数为8. 0，温度控制仪的起始温度_35°C、停止温度+80°C、温度上升速率1. 5° /min，打开计算机的测试界面，输入光纤陀螺编号09361、 开始升温温度-30°C、存盘路径D: \dat\ ；2)将编号为的09361光纤陀螺固定在转台上，在温箱上放置四杯150ml的液氮，开始对光纤陀螺以20s为一个周期进行测试，每个测试周期得到一组测试数据；3)当温度降到-30°C时，给光纤陀螺断电，停止测试除温度以外的光纤陀螺数据， 当断电两分钟或者温度降到_35°C时，给光纤陀螺开始加热，当断电5分钟时，恢复光纤陀螺的供电，重新以20s为周期继续对光纤陀螺进行测试；4)当温度到达70°C时，停止光纤陀螺的加热，继续测试数据两分钟，结束本次测试，得到如图6所示的测试结果，其中图6a是光纤陀螺的静态零偏、动态刻度系数、静态电流、温度在整个测试过程中与初始值的差值相对于时间的变化，图6b是光纤陀螺的静态零偏、动态刻度系数、静态电流与初始值差值相对于温度的变化。由图6可以看出光纤陀螺断电五分钟的控制和启动加热、恢复供电，以及最后停止加热后的两分钟测试都与本发明的设计相吻合。
将图6中所示的光纤陀螺的测试数据进行拟合，得到如图7所示数据拟合结果，其中图7a中的曲线1、2、3分别显示光纤陀螺动态刻度系数、静态零偏、静态电流的拟合结果， 图7b中的曲线1、2、3分别显示出光纤陀螺静态零偏、静态电流、动态刻度系数拟合前后的差值。由图7可以看出光纤陀螺静态零偏波动为0. 051311mV、动态刻度系数波动为 0. 176379mV/° /s、静态电流波动为22. 533486，静态零偏差值为0. 036585mV、动态刻度系数差值为0. 028609mV/° /s、静态电流差值为1. 065293,由上述数值可以得出光纤陀螺在整个测试过程中各项参数的波动大小在允许范围之内，该光纤陀螺性能达标；综合以上，本发明无论在客观指标还是主观效果上，都表现出了较好的性能，准确的采集光纤陀螺数据的同时，直观的将各项参数以图形的形式表现出来，实现了高自动化的测试系统。
权利要求
1.一种光纤陀螺指标参数自动化测试系统，包括温箱转台、信号处理单元和计算机三部分，其特征在于1)温箱转台包括温度控制仪和转台，温度控制仪用来给光纤陀螺进行加热，转台用来给光纤陀螺提供一定角度的摆动，获得光纤陀螺的运动轨迹；2)信号处理单元包括四路放大器和一个A/D转换器，放大器将光纤陀螺的电流信号、 零偏信号、转速信号和温度信号进行放大处理，A/D转换器将放大后的四路模拟信号转换为数字信号，通过PCI总线将光纤陀螺的所述信号传输给计算机；3)计算机利用采集卡接收光纤陀螺信号，完成测试数据的处理、保存、拟合和显示。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺指标参数自动化测试系统，其特征在于温度控制仪设有起始温度、停止温度和温度上升速率三个参数，根据具体的测试需要，温度控制仪的起始温度参考数值设置为_35°C，停止温度参考数值设置为+80°C，温度上升速率参考数值为1.5° /min，且只有起始温度逼近实际温度值时，升温速度才会以设置的速率1.5° /min 勻速升温。
3.根据权利要求1所述的光纤陀螺指标参数自动化测试系统，其特征在于转台设有频率和触发转台转动的圈数这两个参数，根据具体测试需要，转台频率参考数值设置为 0. 8Hz，测试周期为20s，在每个测试周期中触发转台一次，每次触发转台转动的圈数参考数值设置为8.0。
4.根据权利要求1所述的光纤陀螺指标参数自动化测试系统，其特征在于四路放大器采用差分放大电路分别将四路信号进行不同倍数的放大处理，放大后的四路模拟信号利用16位的A/D转换器转换为数字信号，确保了采集数据的精度。
5.一种光纤陀螺指标参数自动化测试方法，包括如下步骤1)设置转台的频率为0.8Hz、触发圈数为8. 0和温度控制仪的起始温度_35°C、停止温度+80°C及温度上升速率1. 5° /min ；打开计算机的测试界面，设置光纤陀螺编号、开始升温温度和存盘路径；2)将光纤陀螺固定在转台上，放置液氮逐渐使光纤陀螺降温，以2.5kHZ的采样速率对光纤陀螺输出的静态零偏信号、静态电流信号、温度信号以及动态刻度系数进行采集，在每个测试周期内得到一组测试数据；3)当光纤陀螺的温度降到-30°C时，给光纤陀螺断电并且控制转台停止转动，中断测试，当断电2分钟或者光纤陀螺的温度降到_35°C时，开始给光纤陀螺加热，断电5分钟时， 给光纤陀螺恢复供电并且恢复转台转动，重新以20s为周期继续对光纤陀螺输出的静态零偏、静态电流、温度以及动态刻度系数进行采集，并将断电前的测试数据和上电后的测试数据以图形的形式实时的显示在同一界面上，同时保存在存盘路径中；4)当温度升到+70°C时，停止给光纤陀螺加热，继续测试两分钟后，得到整个测试过程中的光纤陀螺的静态零偏、静态电流和动态刻度系数测试数据，并将这些测试数据分别进行拟合，得出光纤陀螺的静态零偏、静态电流和动态刻度系数的拟合值；5)将光纤陀螺的测试数据与其拟合值求差，并用图形表示出来，显示整个测试过程中光纤陀螺静态零偏、静态电流和动态刻度系数的波动大小，测试结束。
6.根据权利要求5所述的光纤陀螺指标参数自动化测试方法，其特征在于在每个20s 的测试周期内，用前6s采集光纤陀螺静态零偏、静态电流和温度值，接下来IOs控制温箱转台转动8圈，转动结束后得到动态刻度系数值，最后的4s由于处理数据。
7.根据权利要求5所述的光纤陀螺指标参数自动化测试方法，其特征在于步骤(4) 所述的对测试数据分别进行拟合，是根据下列公式进行 Y1 = a1x3+b1x2+c1x+d1 Y2 = a2x3+b2x2+c2x+d2 y3 = a3x3+b3x2+c3x+d3其中χ代表温度，Y1代表静态零偏，B1^b1, C1, Cl1分别代表静态零偏拟合时温度的三阶、 二阶、一阶、零阶次数，I2代表静态电流， 、b2、c2、d2分别代表静态电流拟合时温度的三阶、 二阶、一阶、零阶次数，Y3代表刻度系数， 、b3、c3、d3分别代表刻度系数拟合时温度的三阶、 二阶、一阶、零阶次数。
全文摘要
本发明公开了一种光纤陀螺指标参数自动化测试系统及方法，主要解决现有技术测试精度低、操作复杂、测试结果不直观和自动化程度低的问题。其实现过程是(1)设置转台和温度控制仪的参数；(2)放置好液氮，以20s为一个周期对光纤陀螺的静态数据和动态数据分别进行采集；(3)降温到-30℃时对光纤陀螺进行断电5分钟；(3)重新启动测试，将整个测试过程中采集到的数据进行处理，以图形的形式显示并保存；(4)对光纤陀螺的数据进行拟合并显示拟合结果。本发明能得到光纤陀螺精确的测试数据，设备操作简单易行，减少了人工操作的复杂度，缩短了测试的时间，实现了高自动化的测试系统，可用于航空航天领域及飞行器控制系统。
文档编号G01C25/00GK102353387SQ20111024518
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者初秀琴, 孔聪, 曹阳, 王飞, 范振军 申请人:西安电子科技大学