JJF 1537-2015 陀螺仪动态特性校准规范-(高清版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 5 3 72 0 1 5陀螺仪动态特性校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rG y r o s c o p e sw i t hD y n a m i cF e a t u r e s 2 0 1 5-0 6-1 5发布2 0 1 5-0 9-1 5实施国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 发 布陀螺仪动态特性校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rG y r o s c o p e sw i t h
2、D y n a m i cF e a t u r e sJ J F1 5 3 72 0 1 5 归 口 单 位:全国惯性技术计量技术委员会 主要起草单位:中航工业北京长城计量测试技术研究所南京理工大学中航工业西安飞行自动控制研究所 参加起草单位:中国电子科技集团公司第十三研究所 本规范委托全国惯性技术计量技术委员会负责解释J J F1 5 3 72 0 1 5本规范主要起草人:董雪明(中航工业北京长城计量测试技术研究所)裘安萍(南京理工大学)王京献(中航工业西安飞行自动控制研究所)施 芹(南京理工大学)参加起草人:吝海锋(中国电子科技集团公司第十三研究所)余 臻(中航工业北京长城计量测试技术研
3、究所)J J F1 5 3 72 0 1 5目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语(1)3.1 灵敏度(1)3.2 幅值非线性度(1)3.3 相位延迟(1)3.4 零偏振动变化量(1)3.5 振动变化量(1)3.6 零偏冲击变化量(1)4 概述(2)4.1 原理(2)4.2 数学模型(2)5 计量特性(3)6 校准条件(3)6.1 校准环境条件(3)6.2 校准用设备(4)7 校准项目和校准方法(4)7.1 校准项目(4)7.2 校准方法(4)8 校准结果表达(8)9 复校时间间隔(9)附录A 校准证书内页格式(1 0)附录B 陀螺仪的灵敏度和相位延迟测量不确定度评定(1 1)
4、J J F1 5 3 72 0 1 5引 言 陀螺仪广泛应用于国民经济各领域,其静态特性有相关的校准规范或测试方法,而动态特性国内尚没有相应的技术法规,基于这样的考虑,结合陀螺仪动态特性校准的实际情况,参照G J B2 4 2 5 A2 0 0 4 光纤陀螺仪测试方法编写本规范。J J F1 5 3 72 0 1 5陀螺仪动态特性校准规范1 范围本规范规定了陀螺仪的动态特性校准项目和校准方法,适用于单自由度速率陀螺仪,多自由度速率陀螺仪可以参照执行。2 引用文件本规范引用了下列文件:G B3 2 12 0 0 5 优先数和优先数系G J B1 5 0.1 5 A2 0 0 9 军用装备实验室环
5、境试验方法 第1 5部分:加速度试验G J B1 5 0.1 6 A2 0 0 9 军用装备实验室环境试验方法 第1 6部分:振动试验G J B1 5 0.1 8 A2 0 0 9 军用装备实验室环境试验方法 第1 8部分:冲击试验G J B5 8 5 A1 9 9 8 惯性技术术语G J B2 4 2 5 A2 0 0 4 光纤陀螺仪测试方法凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语G J B5 8 5 A1 9 9 8、G J B2 4 2 5 A2 0 0 4确立的以及下列术语、定义和符号适用于本规范。3
6、.1 灵敏度 a m p l i t u d es e n s i t i v i t y在正弦角加速度信号的激励下,陀螺仪输出信号正弦分量峰值与输入角加速度信号峰值之比。3.2 幅值非线性度 a m p l i t u d en o n l i n e a r i t y表征陀螺仪输出信号正弦分量峰值随正弦输入信号峰值改变而变化所呈现的非线性特性。3.3 相位延迟 p h a s ed e l a y在正弦角加速度信号的激励下,陀螺仪输出信号正弦分量与输入角加速度信号正弦分量的相位差。3.4 零偏振动变化量 b i a sc h a n g eb e t w e e nv i b r a t
7、 i o nb e f o r ea n da f t e r振动前陀螺仪零偏均值与振动后陀螺仪零偏均值的绝对差,/h,/s。3.5 振动变化量 b i a sc h a n g e s i nv i b r a t i o n振动过程中陀螺仪零偏均值与陀螺仪零偏在振动前和振动后的平均值的绝对差,/h,/s。3.6 零偏冲击变化量 b i a sc h a n g eb e t w e e ns h o c kb e f o r ea n da f t e r冲击前陀螺仪零偏均值与冲击后陀螺仪零偏均值的绝对差,/h,/s。1J J F1 5 3 72 0 1 54 概述4.1 原理陀螺仪一般由
8、驱动结构、敏感质量、检测结构和转换线路等构成;工作原理为驱动结构在激励力作用下产生高频振动,当有外界角速率输入时,产生哥氏加速度,敏感质量块在哥氏加速度产生的惯性力作用下产生一定位移,该位移与输入角速率相关,其物理模型可简化为式(1)和式(2):Mdd2ddt2+Dddddt+Kdd=Fd(1)Msd2sdt2+Dsdsdt+Kss=2Msdddt(2)式中:Fd 驱动力,N;Md、Ms 分别为驱动结构质量和敏感结构质量,k g;Dd、Ds 分别为驱动模态和检测模态的阻尼系数,Ns/m;Kd、Ks 分别为驱动模态和检测模态的支撑刚度,N/m;d 敏感质量块在驱动作用下产生的相对位移,m;s 敏
9、感质量块在哥氏加速度作用下产生的相对位移,m;输入角速率,r a d/s。将式(1)和式(2)进行拉普拉斯变换得到陀螺仪的传递函数见式(3)。H(s)=FdsMds2+2dd+2d()1s2+2ss+2s(3)式中:s 为拉普拉斯变换的复变量;d=KdMd、s=KsMs 分别为驱动模态和检测模态的固有角频率,r a d;d=Dd2Mdd、s=Ds2Mss 分别为驱动模态和检测模态的阻尼比。4.2 数学模型陀螺仪轴向与基准轴的关系如图1所示,其中,O X、O Y与陀螺仪输入轴I A(即O Z)垂直,且两两正交,三个轴的正向满足O XO Y=O Z的规定。I R A(即o z)、o x 和o y
10、是由安装确定的基准轴,这三个轴名义上是分别与I A、O X、O Y平行,且三个轴的正向满足o x o y=I R A的规定。2J J F1 5 3 72 0 1 5图1 基准轴与陀螺仪轴向的关系图陀螺仪的动态数学模型为式(4)和式(5):y=Fdd/dKds4s-d-()2+2ss()21+s-d-s-d+2+4s-d-()4s-d+()2+2ss()2(4)s=1 8 0a r c t a ns2Qss-d-()(5)式中:输入角加速度的角频率,r a d;s 敏感质量在哥氏加速度作用下产生位移的相位角,()。5 计量特性陀螺仪的主要动态计量特性如表1所示。表1 陀螺仪的主要动态计量特性序号
11、动态计量特性单位1幅频特性2相频特性3幅值非线性度4带宽H z5振动变化量/s,/h6振动前后零偏变化量/s,/h7冲击前后零偏变化量/s,/h6 校准条件6.1 校准环境条件1)环境温度:(2 05),校准过程中温度波动量不超过2;2)相对湿度:8 5%;3J J F1 5 3 72 0 1 53)周围无强电磁场,无腐蚀性气体或液体,无强震源。6.2 校准用设备校准用设备及其技术指标如表2所示。表2 校准用设备及推荐技术指标序号校准用设备技术指标用 途1角振动台波形失真度:2%幅频特性;相频特性;带宽;幅值非线性度2线振动台加速度谱密度误差:-1.0d B2.0d B;正弦峰值偏差的绝对值不
12、大于5%;频率误差的绝对值不大于1.0%振动变化量;振动前后零偏变化量3冲击台峰值加速度误差的绝对值不大于5%;脉冲持续时间与速度变化量误差的绝对值不大于1 0%冲击前后零偏变化量7 校准项目和校准方法7.1 校准项目校准项目见表3。表3 校准项目一览表序号项目名称校准方法1幅频特性7.2.12带宽7.2.23相频特性7.2.34幅值非线性度7.2.45振动变化量7.2.56振动前后零偏变化量7.2.67冲击前后零偏变化量7.2.77.2 校准方法7.2.1 幅频特性7.2.1.1 校准点的选择幅值点选择:推荐选取被校陀螺仪量程的1 0%3 0%。频率点选择:在被校陀螺仪的工作频率范围内,均匀
13、选择N(N7)个频率点。7.2.1.2 校准结果的获得a)将陀螺仪和振动标准传感器通过安装夹具固定在角振动台上,输入基准轴4J J F1 5 3 72 0 1 5(I R A)的方向与角振动台的振动方向平行,使陀螺仪和校准仪器、设备处于工作状态;b)将角振动台频率调到事先预定的最低频率上,使得角加速度为选定幅值点。启动角振动台,设置采样率和采样时间,其中采样率大于2 0倍带宽,角振动台振动频率稳定后开始测试,同时记录角振动台的输出正弦信号和陀螺仪输出量;c)在每个频率点fi都进行n(n7)次测量。以角频率i=2 fi对每组数据进行三参数的正弦拟合,按式(6)计算拟合结果:y*i j=E*i j
14、c o s(it+*i j)+C*i j(i=1,2,N;j=1,2,n)(6)式中:y*i j 第i个频率点、第j次采样的陀螺仪输出拟合值,V;E*i j 第i个频率点、第j次采样拟合得到的陀螺仪输出信号交流分量峰值,V;i 频率点fi对应的角频率,r a d/s;*i j 第i个频率点、第j次采样拟合得到的相位,r a d;C*i j 第i个频率点、第j次采样拟合得到的直流分量,V。按式(7)计算平均值Ei:Ei=1nnj=1E*i j(i=1,2,N)(7)按式(8)计算灵敏度Si:Si=EiA(i=1,2,N)(8)式中:Si 陀螺仪在频率点fi的灵敏度,V/(/s);Ei 陀螺仪在频
15、率点fi输出信号正弦分量峰值的平均值,V;A 角速率信号正弦分量峰值,/s。按式(9)计算灵敏度的比值:Ki=SiS0(i=1,2,N)(9)式中:Ki 陀螺仪在频率点fi的灵敏度与零频灵敏度的比值;Si 陀螺仪在频率点fi的灵敏度,V/(/s);S0 陀螺仪在零频时的灵敏度,V/(s)。7.2.1.3 校准结果的表示在频率范围f0fN内,对(N+1)个灵敏度比值进行曲线拟合,获得被校陀螺仪的幅频特性曲线。7.2.2 带宽7.2.2.1 校准点的选择校准点的选择同7.2.1.1。5J J F1 5 3 72 0 1 57.2.2.2 校准结果的获得按7.2.1.2的要求进行。7.2.2.3 校
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