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1、1惯性仪器测试与数据分析惯性仪器测试与数据分析西北工业大学 自动化学院严恭敏 2015-092第四章第四章 惯性器件的测试设备惯性器件的测试设备 主要内容：水平仪、平板、六面体夹具、分度头、双轴位置转台、速率转台、精密离心机、线振动台、温度控制箱试验场地、方位与水平基准 3一、一、水平仪水平仪常用以调整工作台面的水平位置或精确测定工作台面与水平位置之间的夹角，主要分气泡水平仪或电子水平仪二种类型。（1）气泡水平仪气泡水平仪又分为钳工水平仪框式水平仪合象水平仪等；水平仪主要组成：高级钢料外形架座，底座平面度高，座面中央气泡管；气泡管：充入粘滞系数小的乙醚或酒精，并留有一小气泡，玻璃管两端均有刻度
2、分划。4一、一、水平仪水平仪精度表示：常用气泡水平仪的灵敏度有0.01mm/m、0.02mm/m、0.04mm/m、0.05mm/m、0.1mm/m、0.3mm/m和0.4mm/m等规格。以0.01 mm/m为例，它的含义是，若将水平仪置于 1 m 长的理想平板上，当气泡偏向一边且有一个微调刻度差异时，则表示1 m平板的两端点有0.01 mm的高低差异，即相当于平板存在2的倾斜（0.01 mm/1m2）。将水平仪放在平板上，读取气泡的刻度大小，然后将水平仪反转180置于同一位置，再读取其刻度大小，若两边读数相同，即表示水平仪底座与气泡管相互间的关系是正确的。否则，需用微调螺丝调整直到读数完全相
3、同，才可作测量工作。水平仪用前检查：5一、一、水平仪（2）电子水平仪 电子水平仪的主要原理有电感式和电容式等两种。电感式原理是：当水平仪的基座因待测台面倾斜而倾斜时，其内部摆锤因移动所造成感应线圈的电压变化。电子水平仪 电磁感应式水平仪工作原理 6一、一、水平仪（3）其它形状和用途水平仪 7二、二、平板（1）平板等级 平板是一种平面基准器具，又称平台，平板工作面的平面度是衡量平板质量的最主要精度指标。平面度指的是包容平板实际工作面且距离为最小的两平行平面间的距离（有多种不同的评定准则）。在国家计量检定规程JJG 117-2005 平板检定规程中按准确度级别将平板分为00级、0级、1级、2级和3
4、级五个精度等级，每个等级对应一定的平面度最大允许误差。1）针对全部工作面最大允许误差计算公式：平板工作面对角线长度，单位mm，向上圆整到100mm；（为相应准确度等级）取值为 ；平面度最大允许误差，单位m。8二、二、平板2）局部工作面平面度：指在300mm300mm范围内平板工作面平面度，局部工作面平面度也可用平面波动量判定，其大小规定见表平板准确度等级00级0级1级2级3级平面波动量/m48163280举例：假设某一00级平板水平放置，按平板工作面宽度300mm计，若存在平面波动量4m的误差，则以该平板作为水平基准时，可能带来水平角最大误差：9二、二、平板（2）平板分类 按材质分，常用的平板
5、有铸铁平板和岩石平板（大理石和花岗岩等）。铸铁平板的铸铁质量和热处理质量对平板使用性能产生较大影响。若残存内应力较大会使工作面变形，因此使用铸铁平板必须注意铸铁材料的选择，采用时效处理等方法消除铸铁平板的残余应力。因铸铁材料具有延展性，稳定性稍差，遇碰撞伤痕后，铸铁平板的凹坑周围凸起和毛刺，严重影响平面度及量测精度，但是铸铁平板使用磨损后，可以重新修刮恢复其精度。与铸铁平板相比，岩石平板有其独特的优点。以花岗岩平板为例，花岗岩石取材于地下优质的岩石层，经过亿万年自然时效，形态极为稳定，温度系数低，基本不受温度影响。经过精心挑选的花岗石料，结晶细密，质地坚硬，具有抗压强度大、硬度高、耐磨损、耐腐
6、蚀等特点。由于花岗石系非金属材料，绝无磁性反应，亦无塑性变形。花岗石硬度比铸铁高23倍，岩石平板没有延展性，即使遇碰撞伤痕后，凹坑周围不会凸起，因此精度保持性好。岩石平板主要缺点是，不能承受过大的撞击、敲打，湿度高会变形，吸湿性约为1%。10三、六面体夹具三、六面体夹具 六面体夹具是一种中间过渡装置，通过它将测试对象（陀螺仪、加速度计甚至惯导系统）安装在测试台上。六面体夹具通常为长方体框架结构，中间部分掏空，通过螺栓和定位销等连接将被测试对象固定在六面体内，六面体外边六面的各相邻面之间具有很高的垂直度，作为在测试台上的安装基准。六面体夹具常常与平板配合使用，通过变换六面体与平板的接触面，可改变
7、重力加速度矢量在被测对象上的投影方向（正交或平行反向），主要起着方便和快速测定被测对象主要模型参数的作用。11四、分度头四、分度头 分度头在机床加工中有着广泛和重要的应用，高精密分度头也是小件惯性器件测试的一种重要设备，具有小型轻便、操作简单等优点。通过夹具将惯性器件安装在分度头台面上，调整分度头台面至重力铅直面内，当分度头绕其转轴回转时，可周期性地改变被测试对象各轴向的比力输入。分度头主要有通用分度头和光学分度头两类，光学分度头精度高，分度精度可达1，多用于精密精密加工和角度测量。光学分度头主轴上装有精密的玻璃刻度盘或圆光栅，通过光学或光电系统进行细分、放大，再由目镜、光屏或数显装置读出角度
8、值。光学分度头 12四、分度头四、分度头 多齿分度台也是检测角度的一种精密仪器，它的检测角度基数为360/n（n为齿数，比如360或720等）的高精度角度，检测精度达0.2“0.5”，作重力场翻滚时可为惯性仪器提供高精度的比力输入。因检测角度的离散性特点，多齿分度台一般无法按指定要求准确提供微小变化的比力输入，这使其在测定加速度计敏感度参数时略显不足。多齿分度台 卧式 立式+卧式13五、双轴位置转台五、双轴位置转台 双轴位置转台是惯性器件（乃至惯导系统）测试中最基本的一种设备，它基本能够满足陀螺仪和加速度计1g重力场范围内的试验，以分离各主要项的误差系数。双轴位置转台主要由转台基座、水平轴（或
9、称俯仰轴和耳轴）、转台主轴和工作台面组成。在工作台外侧面上一般有3600条线，每10刻一条长线，其余为短线，作为粗读和定位用。耳轴与主轴互相垂直，由这两轴与同时垂直于它们的第三轴一起可构成转台坐标系。工作台面可连续绕主轴360旋转，台面也可绕耳轴旋转，有些转台旋转范围是连续360，而有些只能在90（一般稍大于90）范围内转动，两旋转轴都有相应锁紧装置和微调旋钮，以便精确定位和固定。14五、双轴位置转台五、双轴位置转台主要性能指标：双轴手动位置转台 2ST-520型双轴手动数显位置转台 15六、速率转台六、速率转台 速率转台是分析、研制、生产惯性器件和惯导系统最重要的测试设备之一。按速率轴数目可
10、分为三轴速率转台、单轴速率单轴位置转台和单轴速率转台，尤其是高精度三轴速率转台，它是大型、多功能惯性测试的理想设备，当然价格也不菲。（1）组成：三轴速率转台包含三个框架，分别为外框、中框和内框（或称外环、中环和内环），一般被测对象安装固定在内框上，由于三框构成万向支架，可对被测对象实施空间任意方向的角速度运动。三轴速率转台主要有立式和卧式两种结构，见图。立式三轴转台的外框为方位框，中框俯仰，内框横滚，多用于常规水平航行运载体惯导系统的试验（外中内框对应欧拉角先后顺序为：方位、俯仰和横滚）；而卧式转台的外框为俯仰框，中框方位，内框横滚，多用于垂直发射运载体惯导系统的试验（外中内框对应欧拉角先后顺
11、序为：俯仰、方位和横滚）。3KTD-565型三轴多功能转台 多功能测试三轴转台（卧式）16六、速率转台六、速率转台三轴速率转台由基座三个框架系统组成，每个框架系统都可单独作速率控制，它们的原理基本相同。以内框系统为例，它主要由内框架、内框轴、力矩电机、测速电机和控制电路等组成。某速率转台速率控制系统原理如图所示，用户指定速率自动转换为精密电压基准信号，测速电机输出信号与框架转速成比例，当转速出现波动时，测速信号也随之波动，测速信号通过反馈与基准信号比较形成误差，再经过直流放大和功率放大，控制力矩电机转动使之精确等于用户给定的速率，通过反馈达到稳速目的。（2）速率控制系统原理：17六、速率转台六
12、、速率转台（3）主要性能指标：速率转台的主要技术指标是速率范围、速率精度和速率均匀性，它们的定义及其它性能指标参见GJB 1801-1993 惯性技术测试设备主要性能测试方法。1）速率范围 速率范围是指速率转台的最高速率与最低速的范围。国外，有的转台最高速率可达10000/s，而有的转台最低速率可达0.00001/s。国内速率转台速率范围一般可达0.0002/s200/s，最高速率与最低速率之比为10e6。2）速率精度 仪器测量精度往往可以从测量误差得到反映，测量误差可分为绝对误差、相对误差和引用误差。A）绝对误差是测量值与理想真值之差；B）相对误差是绝对误差与真值的百分比；C）引用误差是绝对
13、误差与仪表量程的百分比，其中量程范围内绝对误差（取绝对值）的最大者与满量程值的比值百分数，称为最大引用误差。18六、速率转台六、速率转台转台速率精度的表示方法一般有分级表示法与整级表示法。A）分级表示法是把速率转台的整个速率范围划分为若干速率段，每个速率段的测量误差不同，通常情况下速率低时相对测量误差大，而速率高时则小；B）整级表示法指在整个速率范围内的其相对误差都小于某一规定值。有时也将相对误差和绝对误差综合使用。例1：某转台速率精度：速率范围（/s）速率精度（%）0.0050.1 50.180 0.5例2：某转台速率精度：满刻度0.2%+0.0003/s3）速率均匀性（平稳性）速率平稳性是
14、指转台实际速率对其平均速率的波动程度，它的表示法也有两种，与速率精度表示方法类似。19六、速率转台六、速率转台（4）3KTD-565型三轴多功能转台性能一览20六、速率转台六、速率转台（5）速率转台的低成本和多用途发展趋势 目前，速率转台朝着低成本和多用途方向发展，将多种功能集于一身，除基本位置给定和速率功能外，还具备精密温度控制、飞行模拟仿真试验、离心试验、振动试验和伺服试验等能力，将多种测试功能综合在一起有利于从总体上提高转台的性价比。对速率转台具备伺服功能的主要要求，或者说伺服转台区别于普通速率转台的特点是：定位精度、测角精度和伺服跟踪精度高；稳定性和可靠性好。在高精度陀螺仪伺服转台测试
15、中，需精确给出陀螺仪输入轴相对于地球自转矢量的角位置关系；精确的陀螺漂移计算是建立在高精度转台角度和角速率测量基础上的；伺服测试时间一般比较长，这就要求转台必须具备长时间稳定和可靠工作的能力。21六、速率转台六、速率转台（6）双轴速率转台和单轴速率转台双轴速率转台单轴速率转台22七、精密离心机七、精密离心机 精密离心机是考核各种惯性器件在高过载条件下性能的重要测试设备，它能够连续提供恒定的大于1g的加速度值，常常用于精确分离加速度计模型方程中的高次项系数。在重力场1g状态下标定的加速度计高次项系数可信度不高，而在高g条件下可提高它的估计精度，假设某加速度计数学模型为 随机测量误差离心机重力场2
16、3七、精密离心机七、精密离心机 基本组成部分：驱动系统、离心机杆臂、工装/被测件和配重等部分。向心加速度计算公式：（普通用途低精度）24七、精密离心机七、精密离心机 误差分析：转速稳定性相对误差 和杆臂动态结构变形引起相对误差 ，通常为10e-5量级。离心机试验的重点与难点主要集中在被测试件真实工作半径的确定或工作半径变化的误差消除和补偿上。地球自转角速度影响：假设被测件工作半径 ，为了产生加速度 ，计算得旋转角速度 地球自转角速度影响可以忽略。更多详细内容可参见JJF 1116-2004 线加速度计的精密离心机校准规范 25八、线振动台八、线振动台 线振动台就是用于线振动试验的专门的力学试验
17、设备，按振动台的工作原理可以分为电动式、机械式、液压式等多种形式，在惯性技术测试中常常用的是电动振动台。电动振动台主要性能：频率范围23000Hz；最大位移1225mm；最大加速度100g。线振动台运动形式：正弦振动、扫频振动和随机振动。运动方向：垂直运动、水平运动、垂直+水平运动。26八、线振动台八、线振动台 正弦振动加速度计算：在正弦振动方式下，假设振动位移 ，其中 为振幅、为振动频率（角频率 ），则加速度大小为若设 ，则加速度幅值近似为10g。正弦振动的主要性能指标：幅值示值误差与稳定性、频率示值误差与稳定性以及波形失真度。失真度：谐波能量之和与基波能量之比的平方根，如果忽略微小的高次项
18、，则可以直接将失真度近似为二次谐波幅值与基波幅值之比的绝对值 。高精度的线振动台波形失真度约为1%。27八、线振动台八、线振动台 随机振动功率谱：试估计随机振动幅值（方差）？28九、温度控制箱九、温度控制箱 惯性器件是精密的仪器，温度的变化是影响其精度性能的最主要因素之一，在高精度的使用场合一般都采用了温度控制措施，温度控制精度达0.1，但是温度控制过程往往延长了系统的准备时间，还增加了体积、功耗和复杂性。利用温度补偿办法是提高惯性器件的在各种温度环境下实际使用精度的重要措施，其中必须使用到模拟各种温度环境的试验工具温箱。温箱的关键控制部分有温度探头、制冷压缩机和热风机。温箱内主要靠空气流动传
19、热，因此空气流动力学干扰可能对温箱内惯性器件测试有影响。常用惯性测试温箱的温度范围为-5085，温度控制精度0.5，常见升降温速率有1、2和2.5/min等档次，最高可达5/min。温箱常常与转台等惯性测试设备配合使用，以便在各种温度下实施运动进而测试惯性器件的模型系数。29十、试验场地、方位与水平基准十、试验场地、方位与水平基准 1、试验场地 理想的试验场地条件是地板绝对稳定，室内恒温，没有磁场干扰，然而由于地下水位变化、土壤性质与季节性变化、环境周日变化、人员活动、实验室附近车辆来往、配电和电子设备磁辐射和发热等影响，这种理想的场地是难以建立，并且对试验场所要求越高，往往建设成本也越大。事
20、实上，对于一定精度的惯性器件，只要试验场所影响小于惯性器件精度一个数量级以上，便可认为是符合要求的，不必苛求。地磁场的强度大小大约为500600mG（1mG=10e-3G，1G=10e-4T，G-高斯，T-特斯拉）,一般小于测试设备和惯性器件的磁辐射，可以予以忽略。一般将实验室和试验台建在坚硬的岩层地基上，或者至少应将试验台安装在由水泥浇灌的大型基座上，尽量减小力学环境干扰的影响。常常还要求实验室内安装空调设备，保持温度和湿度相对稳定，不仅为惯性器件创造良好工作环境，也是发挥高精度测试设备性能所必需的。30十、试验场地、方位与水平基准十、试验场地、方位与水平基准 1、试验场地400t基础50h
21、南北倾斜角运动（摘自“从加速度计测试技术研究看惯性仪表测试技术发展趋势”）。31十、试验场地、方位与水平基准十、试验场地、方位与水平基准2、方位基准 实验室内的方位基准主要用于确定测试台有关轴线的方位，它与陀螺仪的测试关系最为密切。通常使用天文观测的方法观测北极星（事实上北极星并不在真北方向上，误差1左右，需作适当修正）来确定地理子午线，并借助于光学经纬仪将其引入室内，在室内设置固定基座并在其上安装一个高精度光学平面镜（或棱镜），精确测出平面镜法线与地理子午线的夹角，便可见该平面镜的法线作为实验室内的方位基准使用了。高精度的方位基准精度可优于1。如果对方位基准要求不高，510以上也能满足要求的
22、话，利用高精度陀螺经纬仪进行寻北，以此建立北向基准也是方便可行的，它的优点是，不象天文观测寻北一样受天气条件和周围视线的限制。Theo 010光学经纬仪 32十、试验场地、方位与水平基准十、试验场地、方位与水平基准3、水平基准 一般使用水平仪建立当地水平面基准，最高精度可达0.2“。我们都知道，惯性级陀螺精度为0.01/h，加速度计精度为 ，若以测试基准需高一个数量级（10倍）计算，即可精确分离地球自转或重力加速度对惯性器件的影响，则要求陀螺和加速度计测试基准分别应高于 和 但是，如果对110e-8g精度的加速度计作测试，常规方法建立的水平基准和测试设备都满足不了测试要求，需寻找和使用特别的方法来评估该类型超高精度惯性器件的性能。