惯性器件的误差测试方法及测试
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惯性器件的误差测试方法及测试设备
主讲人：吴伟胜 二〇〇九年十二月十六
主要内容
测试对象 测试目的和意义 测试原理 测试设备 测试方法
1 、测试对象
惯性导航和惯性制导系统是自主式的惯性 系统，它依靠系统内按正交坐标系配置的陀 螺仪和加速度计感知运载体的运动信息，通 过计算确定载体的位置、航向和姿态，以此 作为控制参数实现系统功能。
∆N /∆t ：输出脉冲速率 I ：输入角速度 E ：环境敏感误差 D ：漂移误差 ε K ：标度因子误差
S0 ：标度因子
5、测试方法
调温室
环境温度 输出信号
数据采 集与处 理系统
控制信号
工控 计算机
测试转台
测试设备连接图
评定光学陀螺的性能，需要进行两类测试：静态测试与动态测试。 静测试方法：测试转台工作于静止状态，启动陀螺进入稳定工 作状态后，以态一定的频率采集陀螺输出脉冲数。 动态测试方法： 启动陀螺进入稳定工作状态后，输入给定的转 动速率驱动测试转台，并以一定的频率采集陀螺输出脉冲数。
直流放大
力矩反馈法原理
校正
由于地球自转及外力干扰力矩的影响，陀螺仪的信号器将 产生相应的输出信号，该信号经滤波、放大、解调、校正后， 直流电流信号输入到陀螺仪相应的力矩器中，力矩器便产生 与输入的直流电流信号相对应的控制力矩，测量力矩器的标 度因数。
5、测试方法
测试中，将陀螺仪以一定方法一定的角度安装 在固定基座上，并工作在力矩反馈状态，则陀螺 仪输出轴上力矩器输入电流的稳态值便是该轴外 干扰力矩的度量。 考虑地球自转的影响，陀螺仪在该固定方位的 在试验中，通常用这一电流测量值的时间序列 综合漂移率为： 的算术平均值作为它的估计值，即
5、测试方法
加速度计离心试验：
加速度计离心试验是将精密离心机产生的向心加速度 作为输入，测量加速度计个性能参数及误差的试验。主要 是用于标定加速度计在大加速度情况下的性能。
加速度计线振动试验：
加速度计线振动试验是将精密振动台产生的线振动加 速度作为输入，测量加速度计个性能参数及误差的试验。 主要是用于标定加速度计的二阶非线性系数和频率响应特 性，还可用来校验加速度计标度因数和偏值的长期稳定性 及结构强度等。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
加速度计跟陀螺仪都是惯性导航系统中的关键惯性元件。在测试方法 上有相近之处。 加速度计重力场试验是利用重力加速度在加速度计输入轴方向的分量 作为输入量，测量加速度计各项参数的试验。 通常采用等角度分割的多点翻滚程序和加速度增量线性程序来标定加 速度计的静态性能参数。
标度因数误差：标度因数误差就是输出信号的变化与被
测输入速率的变化之间的比值的误差。
角加速度敏感度：这项误差又被称为陀螺仪的惯性误差。
由于转子的惯性，所有机械式陀螺仪都对角加速度敏感。
1、测试对象
加速度计的主要误差源： 固定零偏：当加速度为零时，比力测量距零点的偏离或位移，
该误差的大小与加速度计经受的运动无关。
5、测试方法
重力场试验原理：
进行1g测试时，一般是将加速度计通过卡具安装在 精密光学分度头或精密端齿盘上进行，令加速度计的输 入轴在铅垂平面内相对重力加速度回转，通常是让分度 头在360°范围内旋转，就可以使加速度计敏感轴上所 受的重力加速度呈正弦关系变化，加速度计的输出也呈 正弦关系变化。在知道敏感轴与重力的夹角后，就可以 计算出加速度计所感受的加速度大小。
3、测试原理
惯性器件的测试在专门的惯性测试转台上进 行。惯性器件固定在测试台上，测试台对惯性器 件产生不同的重力加速度、大于1g的高g加速度， 不同的角速度以及震动等的输入，记录不同状态 下的器件输出数据，经过处理，建立器件的误差 模型。
3、测试原理
状态输入
被测惯性器件
状态输出
误差
—
测试原理图
惯性器件的模型建立有两种方法： 加速度计静态误差数学模型： 陀螺仪静态漂移误差数学模型：
1、测试对象
陀螺仪的主要误差源： 固定零偏：固定零偏是指在没有输入转动的情况下敏感器的
输出。其产生的原因有多种，其中包括由于敏感器内软导线 所带来的残留力矩、杂散测场及温度梯度。其大小与陀螺仪 可能发生的任何运动无关。
与加速度相关的零偏：即与所承受的加速度的幅值成正
比的零偏。其产生原因是由于转子悬挂的质量不平衡而引起 的。
谢谢大家！
参考文献：
1、毛奔、林玉荣 《惯性器件测试与建模》 年哈尔滨工程大学出版社 2008 2、张天光、王秀萍、王丽霞等译《捷联惯性导航技术》国防工业出版社 2007 3、柳贵福、李洪涛 《光纤陀螺随机噪声研究》导航 2002 4、林玉荣 、邓正隆 《激光陀螺捷联惯导系统中惯性器件误差的系统级标定》 哈尔 滨工业大学学报 5、‘IEEE specification format guide and test procedure for single axis laser gyros ’ANSI IEEE Standard 6、‘IEEE test procedure for single-degree-of-freedom spring restrained rate gyros’ ’ANSI IEEE Standar 7、BOX,G.E.P,HUNTEER,W.G.,and HUNTEER,J.S.:’statistics for experimenters’ 8、TOPPING,J.:’Errors of observation and treatment (Chapman and Hall)
2、测试目的及意义
对器件的测试目的主要有以下三方面：
鉴定仪表是否合格，避免不合格的器件进入总装配，影响系 统总体性能； 通过对器件的严格测试，掌握器件误差规律，从而建立起仪 表的误差模型，供仪表和系统进行补偿，提高仪表的使用精 度； 测试的目的还在于发现惯性器件在设计和加工制造中的缺陷， 从而为改进器件的设计和制造工艺提供重要依据。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
激光陀螺与光纤陀螺同属于光学陀螺，它们具有相同 的工作原理，即Sagnac效应。共同的工作原理使两者具 有相似的性能特点和误差特性。 光学陀螺的数学模型和主要指标：
S（ ∆ N /∆ t）=[I+E+D][1+10 −6ε K ]−1 0
4、测试设备
a、位置转台：为惯性器件仪表提供不同的重力加速度g和地 球自转角速度 Ω 的分量输入，最高的位置精度已达到0.1′′ b、速度转台：可以输出从陀螺仪能敏感的最小角速度到最 大的载体角速度，范围 0.0005o / s 到 800o / s c、伺服台：伺服跟踪陀螺仪的状态 d、仿真平台：仿真陀螺仪的状态 e、振动台：用以分离不等刚度引起的漂移 f、精密离心机：提供高g加速度计的测量输入值。主要用于 制导惯性器件的加速度计测量。
2、测试目的及意义
途径一：改进惯性器件的设计及结构
精度 提高
途径二：测试误差进行补偿
实践证明,单靠不断改进仪表设计来提高惯性器件的精度的做 因此利用软件通过误差系数的标定补偿来提高实际使用 法遇到了愈来愈多的困难,这不仅使仪表结构更加复杂, 而且也给生 精度的趋势变得更有意义。 产、装配、调试带来诸多不便, 另外还大幅度提高了系统的成本, 通过对测试结果的分析, 可以使原来精度较低的产品恢 降低了系统可靠性。 复其应用价值, 也由于这种趋势,使设计人员的指导思想由 原来片面追求仪表的绝对误差, 转为重点保证仪表性能的 稳定, 尽可能减少仪表使用时的随机误差。
根据仪表误差机理的分析，如与加速度无关的项，与加 ωd = kd + kx ax + k y ay + kz az + kxy ax ay 速度g成比例的项，再根据不同定位时，重复测试得到的数 y = kF + kI aI + kOaO + kPaP + kIOaI aO 2 2 据，确定误差模型中的各项参数。xx a2 + k yy ay + kzz az +k yz ay az + kzx az ax + k x2 2 2 +kOPaOaP + kPI aPaI + kII aI + kOOaO + kPPaP 并不需要对仪表运行的物理过程进行分析，只根据输入 和输出之间的关系，通过序列数据分析，建立误差的模型和 确定模型的各项数据。
测量零偏：由剩余弹性力和所用电传感器的零位移动产生
的。
标度因数误差：标度因数误差就是输出信号的变化与被
测输入速率的变化之间的比值的误差。
振摆误差：由于摆的角位移，摆式加速度计会产生动态交
叉耦合，当处于振动运动时，摆的角位移会产生一个整流输 出。这种误差可在任何摆式加速度计中产生，取决于振动与 摆位移之间的相位。
1、测试对象
定轴性：当陀螺仪没有任何外力作用，其主轴在惯
性空间的指向保持稳定不变。
陀螺仪 进动性：提供准确控制陀螺仪运动规律。
但由于陀螺仪本身总是存在各种各样的干 扰，譬如陀螺仪加工制造误差以及结构的变形产 生的陀螺仪质心的偏移，还有结构和材料的不对 称、不均匀所产生的不平衡量形成的干扰力矩， 框架支撑中的摩擦力矩，各种电磁干扰力矩。
n ω dx = K y I1 − ω ex y 1 ωdy = K x I x i =− ωey
I=
∑I n
iLeabharlann Baidu
4、测试方法
ωe
X
信号器X 力 矩 器 X 机械转子 陀螺仪 力矩器Y 信 号 器 Y
转台伺服系统
力矩反馈回路
单轴 转台
单轴转台伺服法 测试原理图
当测量陀螺仪绕x轴漂移时，x轴平行于转台轴安装，这时x轴 值得注意的是，这里所能测量的仅仅是转台 信号器的输出信号经电子线路与转台轴上的伺服电机相联，组成 相对基座的转动角速度，测量时应把转台轴调 一个伺服回路。当干扰力矩绕y轴作用时，陀螺仪将产生绕x轴的 整到与地极轴平行，这时，才能测得转台相对 运动，使之与转台之间出现绕x轴的相对角位移，这时x轴信号器 惯性空间的转动角速度。 就有信号输出，并给转台上的伺服电机施加电流，使之产生伺服 力矩。
测试 平台
为了精确测试各惯性器件的精度及误差，其测试设备自身的精度 必须比测试器件的要高，从理论上其精度要高出一个数量级，至少要 比被测器件的精度高3倍。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
力 矩 器 机械转子 信 陀螺仪 号 器
滤波
前置放大
解调
测量环节
主讲人：吴伟胜 二〇〇九年十二月十六
主要内容
测试对象 测试目的和意义 测试原理 测试设备 测试方法
1 、测试对象
惯性导航和惯性制导系统是自主式的惯性 系统，它依靠系统内按正交坐标系配置的陀 螺仪和加速度计感知运载体的运动信息，通 过计算确定载体的位置、航向和姿态，以此 作为控制参数实现系统功能。
∆N /∆t ：输出脉冲速率 I ：输入角速度 E ：环境敏感误差 D ：漂移误差 ε K ：标度因子误差
S0 ：标度因子
5、测试方法
调温室
环境温度 输出信号
数据采 集与处 理系统
控制信号
工控 计算机
测试转台
测试设备连接图
评定光学陀螺的性能，需要进行两类测试：静态测试与动态测试。 静测试方法：测试转台工作于静止状态，启动陀螺进入稳定工 作状态后，以态一定的频率采集陀螺输出脉冲数。 动态测试方法： 启动陀螺进入稳定工作状态后，输入给定的转 动速率驱动测试转台，并以一定的频率采集陀螺输出脉冲数。
直流放大
力矩反馈法原理
校正
由于地球自转及外力干扰力矩的影响，陀螺仪的信号器将 产生相应的输出信号，该信号经滤波、放大、解调、校正后， 直流电流信号输入到陀螺仪相应的力矩器中，力矩器便产生 与输入的直流电流信号相对应的控制力矩，测量力矩器的标 度因数。
5、测试方法
测试中，将陀螺仪以一定方法一定的角度安装 在固定基座上，并工作在力矩反馈状态，则陀螺 仪输出轴上力矩器输入电流的稳态值便是该轴外 干扰力矩的度量。 考虑地球自转的影响，陀螺仪在该固定方位的 在试验中，通常用这一电流测量值的时间序列 综合漂移率为： 的算术平均值作为它的估计值，即
5、测试方法
加速度计离心试验：
加速度计离心试验是将精密离心机产生的向心加速度 作为输入，测量加速度计个性能参数及误差的试验。主要 是用于标定加速度计在大加速度情况下的性能。
加速度计线振动试验：
加速度计线振动试验是将精密振动台产生的线振动加 速度作为输入，测量加速度计个性能参数及误差的试验。 主要是用于标定加速度计的二阶非线性系数和频率响应特 性，还可用来校验加速度计标度因数和偏值的长期稳定性 及结构强度等。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
加速度计跟陀螺仪都是惯性导航系统中的关键惯性元件。在测试方法 上有相近之处。 加速度计重力场试验是利用重力加速度在加速度计输入轴方向的分量 作为输入量，测量加速度计各项参数的试验。 通常采用等角度分割的多点翻滚程序和加速度增量线性程序来标定加 速度计的静态性能参数。
标度因数误差：标度因数误差就是输出信号的变化与被
测输入速率的变化之间的比值的误差。
角加速度敏感度：这项误差又被称为陀螺仪的惯性误差。
由于转子的惯性，所有机械式陀螺仪都对角加速度敏感。
1、测试对象
加速度计的主要误差源： 固定零偏：当加速度为零时，比力测量距零点的偏离或位移，
该误差的大小与加速度计经受的运动无关。
5、测试方法
重力场试验原理：
进行1g测试时，一般是将加速度计通过卡具安装在 精密光学分度头或精密端齿盘上进行，令加速度计的输 入轴在铅垂平面内相对重力加速度回转，通常是让分度 头在360°范围内旋转，就可以使加速度计敏感轴上所 受的重力加速度呈正弦关系变化，加速度计的输出也呈 正弦关系变化。在知道敏感轴与重力的夹角后，就可以 计算出加速度计所感受的加速度大小。
3、测试原理
惯性器件的测试在专门的惯性测试转台上进 行。惯性器件固定在测试台上，测试台对惯性器 件产生不同的重力加速度、大于1g的高g加速度， 不同的角速度以及震动等的输入，记录不同状态 下的器件输出数据，经过处理，建立器件的误差 模型。
3、测试原理
状态输入
被测惯性器件
状态输出
误差
—
测试原理图
惯性器件的模型建立有两种方法： 加速度计静态误差数学模型： 陀螺仪静态漂移误差数学模型：
1、测试对象
陀螺仪的主要误差源： 固定零偏：固定零偏是指在没有输入转动的情况下敏感器的
输出。其产生的原因有多种，其中包括由于敏感器内软导线 所带来的残留力矩、杂散测场及温度梯度。其大小与陀螺仪 可能发生的任何运动无关。
与加速度相关的零偏：即与所承受的加速度的幅值成正
比的零偏。其产生原因是由于转子悬挂的质量不平衡而引起 的。
谢谢大家！
参考文献：
1、毛奔、林玉荣 《惯性器件测试与建模》 年哈尔滨工程大学出版社 2008 2、张天光、王秀萍、王丽霞等译《捷联惯性导航技术》国防工业出版社 2007 3、柳贵福、李洪涛 《光纤陀螺随机噪声研究》导航 2002 4、林玉荣 、邓正隆 《激光陀螺捷联惯导系统中惯性器件误差的系统级标定》 哈尔 滨工业大学学报 5、‘IEEE specification format guide and test procedure for single axis laser gyros ’ANSI IEEE Standard 6、‘IEEE test procedure for single-degree-of-freedom spring restrained rate gyros’ ’ANSI IEEE Standar 7、BOX,G.E.P,HUNTEER,W.G.,and HUNTEER,J.S.:’statistics for experimenters’ 8、TOPPING,J.:’Errors of observation and treatment (Chapman and Hall)
2、测试目的及意义
对器件的测试目的主要有以下三方面：
鉴定仪表是否合格，避免不合格的器件进入总装配，影响系 统总体性能； 通过对器件的严格测试，掌握器件误差规律，从而建立起仪 表的误差模型，供仪表和系统进行补偿，提高仪表的使用精 度； 测试的目的还在于发现惯性器件在设计和加工制造中的缺陷， 从而为改进器件的设计和制造工艺提供重要依据。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
激光陀螺与光纤陀螺同属于光学陀螺，它们具有相同 的工作原理，即Sagnac效应。共同的工作原理使两者具 有相似的性能特点和误差特性。 光学陀螺的数学模型和主要指标：
S（ ∆ N /∆ t）=[I+E+D][1+10 −6ε K ]−1 0
4、测试设备
a、位置转台：为惯性器件仪表提供不同的重力加速度g和地 球自转角速度 Ω 的分量输入，最高的位置精度已达到0.1′′ b、速度转台：可以输出从陀螺仪能敏感的最小角速度到最 大的载体角速度，范围 0.0005o / s 到 800o / s c、伺服台：伺服跟踪陀螺仪的状态 d、仿真平台：仿真陀螺仪的状态 e、振动台：用以分离不等刚度引起的漂移 f、精密离心机：提供高g加速度计的测量输入值。主要用于 制导惯性器件的加速度计测量。
2、测试目的及意义
途径一：改进惯性器件的设计及结构
精度 提高
途径二：测试误差进行补偿
实践证明,单靠不断改进仪表设计来提高惯性器件的精度的做 因此利用软件通过误差系数的标定补偿来提高实际使用 法遇到了愈来愈多的困难,这不仅使仪表结构更加复杂, 而且也给生 精度的趋势变得更有意义。 产、装配、调试带来诸多不便, 另外还大幅度提高了系统的成本, 通过对测试结果的分析, 可以使原来精度较低的产品恢 降低了系统可靠性。 复其应用价值, 也由于这种趋势,使设计人员的指导思想由 原来片面追求仪表的绝对误差, 转为重点保证仪表性能的 稳定, 尽可能减少仪表使用时的随机误差。
根据仪表误差机理的分析，如与加速度无关的项，与加 ωd = kd + kx ax + k y ay + kz az + kxy ax ay 速度g成比例的项，再根据不同定位时，重复测试得到的数 y = kF + kI aI + kOaO + kPaP + kIOaI aO 2 2 据，确定误差模型中的各项参数。xx a2 + k yy ay + kzz az +k yz ay az + kzx az ax + k x2 2 2 +kOPaOaP + kPI aPaI + kII aI + kOOaO + kPPaP 并不需要对仪表运行的物理过程进行分析，只根据输入 和输出之间的关系，通过序列数据分析，建立误差的模型和 确定模型的各项数据。
测量零偏：由剩余弹性力和所用电传感器的零位移动产生
的。
标度因数误差：标度因数误差就是输出信号的变化与被
测输入速率的变化之间的比值的误差。
振摆误差：由于摆的角位移，摆式加速度计会产生动态交
叉耦合，当处于振动运动时，摆的角位移会产生一个整流输 出。这种误差可在任何摆式加速度计中产生，取决于振动与 摆位移之间的相位。
1、测试对象
定轴性：当陀螺仪没有任何外力作用，其主轴在惯
性空间的指向保持稳定不变。
陀螺仪 进动性：提供准确控制陀螺仪运动规律。
但由于陀螺仪本身总是存在各种各样的干 扰，譬如陀螺仪加工制造误差以及结构的变形产 生的陀螺仪质心的偏移，还有结构和材料的不对 称、不均匀所产生的不平衡量形成的干扰力矩， 框架支撑中的摩擦力矩，各种电磁干扰力矩。
n ω dx = K y I1 − ω ex y 1 ωdy = K x I x i =− ωey
I=
∑I n
iLeabharlann Baidu
4、测试方法
ωe
X
信号器X 力 矩 器 X 机械转子 陀螺仪 力矩器Y 信 号 器 Y
转台伺服系统
力矩反馈回路
单轴 转台
单轴转台伺服法 测试原理图
当测量陀螺仪绕x轴漂移时，x轴平行于转台轴安装，这时x轴 值得注意的是，这里所能测量的仅仅是转台 信号器的输出信号经电子线路与转台轴上的伺服电机相联，组成 相对基座的转动角速度，测量时应把转台轴调 一个伺服回路。当干扰力矩绕y轴作用时，陀螺仪将产生绕x轴的 整到与地极轴平行，这时，才能测得转台相对 运动，使之与转台之间出现绕x轴的相对角位移，这时x轴信号器 惯性空间的转动角速度。 就有信号输出，并给转台上的伺服电机施加电流，使之产生伺服 力矩。
测试 平台
为了精确测试各惯性器件的精度及误差，其测试设备自身的精度 必须比测试器件的要高，从理论上其精度要高出一个数量级，至少要 比被测器件的精度高3倍。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
力 矩 器 机械转子 信 陀螺仪 号 器
滤波
前置放大
解调
测量环节