-
光纤陀螺仪测试方法
1
范围
本标准规定了作为姿态控制系统
、
角位移测量系统和角速度测量
系统中敏感器使用的单轴干涉性
光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）
的性能测试方法。
2
规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是
注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修
订版均不适
用于本标准，
然而，
鼓励根据本标准达成协议的各方研究
是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，
其最新
版本适用于本标准。
GB 321-1980
优先数和优先系数
CB 998
低压电器基本实验方法
GJB
585A-1998
惯性技术术语
GJB 151
军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求
3
术语、定义和符号
GJB
585A-1998
确立的以
及下列术语、定义和符号适用于本标
准。
3.1
术语和定义
3.1.1
干涉型光纤陀螺仪
interferometric
fiber
optic
gyroscope
仪萨格奈克（
S
agnac
）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型
角速度测
量装置。
当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，
在环圈中
以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，
其大小正比于该装置
相对于惯性空间的旋转角速度，
通过检测输出光干涉强度即反映
出角
速度的变化。
3.1.2
陀螺输入轴
input axis of gyro
垂直于光纤环圈等效平面的轴。
当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速
度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。
3.1.3
标度因数非线性度
scale factor nonlinearity
在输入角速度范围内，
光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合
直线的最大偏差值与最大输出
量之比。
3.1.4
零偏稳定性
bias stability
当输入角速度为零时，
衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散
程度。以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，
也可称为零
漂。
3.1.5
零偏重复性
bias
repeatability
在同样条件下及规定间隔时间内，
多次通电过程中，
光纤陀螺仪
零偏相对其均值的离散程度。以
多次测试所得零偏的标准偏差表示。
3.1.6
零偏温度灵敏度
bias temperature
sensitivity
相对于室温零偏值，
由温度变化引起
光纤陀螺仪零偏变化量与温
度变化量之比，一般取最大值表示。
3.1.7
随机游走系数
random walk coefficient
表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪
声大小的一项技术指标，
它反
映的是光纤陀螺仪输出的角速度积
分
（角度）
随时间积累的不确定性
（角
度随机误差）
，因此也可称为角随机游走（
ARW
）
。
3.1.8
频带宽度
bandwidth
光纤
陀螺仪频率特性测试中，
规定在测得的幅频特性中幅值降低
3d
B
所对应的频率范围。
3.1.9
输出延迟时间
output delay time
光纤陀螺仪信号输出相对于信号输入的延迟时间中与输入频率
无关的部
分。
3.1.10
启动时间
turn-
on time
光纤陀螺仪在规定的工作条件下，
从加电开始
至达到规定性能所
需要的时间。
3.1.11
预热时间
warm-
up time
针对带温控的高精度光纤陀螺仪的一项技术指标，
光纤陀螺仪在
规定的工作条件下，从加电开始至达到规定性能所需要的时间。
3.2
符号
下列符号适用于本标准：
A
─角度到激光干涉仪输出电压的比例因子；
B
0
─零偏平均值，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
B
0
i
─第
i
次测试的零偏，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
B
0
─零偏，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
B
r
─零偏重复性，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
B
s
─零偏稳定
性，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
B
oi
─第
i
个试验温度点的
光纤陀螺仪零偏，单位为度每小时
（
?
/
h
）
；<
/p>
B
om
─室温
下的光纤陀螺仪零偏，单位为度每小时（
?
/
< br>h
）
；
B
t
─零偏温度灵敏度，单位为度每小时每摄氏度（
?
/
h
/
?
C
）
；
< br>
B
W
─频带宽度，单位为赫兹
（
Hz
）
；
F
(1
?
)<
/p>
、
F
(2
?
)
─分别在第一、二种安装位置上，转台反转若干圈光纤
陀螺仪输出量的平均值；
F
(1
?
)
、
F
(2
?
)
─分别在第一、二种安装位置上，转台正转若干圈
光纤陀螺仪输出量的平均值
；
F
(
t<
/p>
)
─光纤陀螺仪在
t
时刻的输出值；
F
─光纤陀螺仪输出量的平均值；
<
/p>
F
0
─拟合零位；
F
i
(
t
0
)
─光纤陀螺仪在第
i
个采样点的输出值；
F<
/p>
i
─光纤陀螺仪在
t
i
时刻输出的单边幅值；
F
jp
─光纤陀螺仪在第
j
< br>个输入角速度
?
ij
时的第
p
个输出值；
F
j
─第
j
个输
入角速度
?
ij
时光纤陀螺仪输出值；
F
L
─光纤
陀螺仪在角振动台允许最低频率时输出的单边幅值；
F
m
─光纤陀螺仪输出的单边幅值；
F
e
─测试结束时，光纤陀螺仪输出的平均值；
F
s
─测试
开始时，光线陀螺仪输出的平均值；
?
─第
j
个输入角速度
?
ij
所对应拟合直线上计算的光纤陀螺仪
F
j
输出值；
F
r
─转台静止时，光纤陀螺仪输出的平均值；
G
i
─第
i<
/p>
个频率下测试的光纤陀螺仪幅值增益；
K
─标度因数；
K
(
?
)
─反转输入角速度范围内光纤陀螺仪标度因数；
K
(
?
)
─正转输入角速度
范围内光纤陀螺仪标度因数；
<
/p>
K
?
─标度因数不对称性，
单位为百分之
（
%
）
或百万分之
（
ppm
）
；
K
D<
/p>
—直流增益；
K
i
—第
i
次测试的标度因数；
K
m
—室温下，光
纤陀螺仪标度因数；
K
n
—标度因数非线性度，
单位为百分之
（
%
）
或百万分之
（
ppm
）
；
K
r
—标度因数重复性，单位为百分之（
%
）或百万分之（
ppm
< br>）
；
K
t
—标度因数温度灵敏度，单位为百分之每摄氏度（
%/
?
C
）或
百万分之
每摄氏度（
ppm
/
?
C
）
；
K
—标度因数平均值；
M
—输入角速度个数；
n
—采样次数；
；
NER
(
?
)
—噪声等效速率，单位为度每小时
（
?
/
h
）<
/p>
P
i
—相位延迟，单位为度（
?
）
；
Q
—测试次数；
RWC
—随机游走系数；
s
—
Lalapce
算子
；
t
0
—初
始采样间隔时间，单位为秒（
s
）
；<
/p>
T
d
—延迟时
间，单位为秒（
s
）
；
T
i
—第
< br>i
个试验温度，单位为摄氏度（
?
C
）
；
t
j
—第
j
个采
样点时间，单位为秒（
s
）
；
T
m
—室温，单位为
摄氏度（
?
C
）
；
?
—输入轴失准角，单位为度（
?
）
；
?
j
—第
j
个输入角速度
?
ij
时，
输出值的非线性偏差，<
/p>
单位为百分
之（
%
）或百万分之（
ppm
）
；
?
j
—第
j
个输入基准轴（
IRA
）偏北角，单位为度（
?
）
；
?
1
、
?
2
、
?
< br>3
、
?
4
—分别为第一、二、三、四种安装位置时的失准角，
单位为度（
?
）
；
?
F
j
—光纤陀螺仪输出增量；
?
—按拟合直线计算的光纤陀螺仪输出增量；
?
F
j
；
?
—角振动台
在
t
时刻的振动角度，单位为度（
?<
/p>
）
?
&
—光纤陀
螺仪输入的角速度，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
?
m
—角振动的单边幅值，单位为度（
?
）
；
?<
/p>
—采样间隔时间，单位为秒（
s
）
；
v
j
—拟合误差；
?
P
?
1,
P
—第
P
?
1
与第
P
个数组平均的差；
?
F
—光纤陀螺仪输出的初始相位，单位为度（
?
）
；
< br>?
?
—角振动台的初始相位，单位为度（
?
）
；
；
?
—开始
转动时
IRA
的偏北角，单位为度（
?
）
；
?
—试验场所地理纬度角，单位为度（
?
）<
/p>
?
e
—地球自转角速度，单位为度每小时
（
?
/
h
）<
/p>
；
?
—转台转
动角速度，单位为度每秒（
?
/
s
）
；
?
i
—第
i
个输入信号频
率，单位为赫兹（
Hz
）
；
；
?
—速率转台转速，单位为度每秒（
?
/
s
）
?
i
(
t
0
)
—在第
i
个采样点的输出角速率，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
?
ij
—第
j
个输入角速度，单位为度每小时（
?
/
h
）
；
?
j
—输入角速度，单位为度每小时（
?
/
h
）
；<
/p>
?
p
(
?
)
—始于第
p
个数据电并含有
k
个数据的一个数组上的输
出
角速度的数组平均；
?
2
(
?
)
—随机变量集合
?
?
p
?
1,
p
,
p
?
1,
,
n
?
k
?
1
?
的方差。
注：光纤陀螺仪的输出单位为安培（
A
）
、毫伏（
mV
）或脉冲数
等。
4
测试条件与测试设备
4.1
测试条件
4.1.1
环境条件
4.1.1.1
大气条件
标准大气条件如下：
a
）
环境温
度：
15
?
C
~35
?
C
；
b
）
相对湿
度：
20
％
~80
％；
c
）
大气压力：测试场所的气压。
仲裁试验的标准大气条件如下：
a
）
环境温
度：
23
?
C
±
2
?
C
；<
/p>
b
）
相对湿度：
50
％±
5
％；
c
）
大气压
力：
86
kPa
~106
kPa
。
4.1.1.2
磁场
<
/p>
测试场地的磁场，
其最大垂直分量和水平分量应符合产品专用技<
/p>
术条件要求。
试验时电路廉洁的电磁兼容性应满足
GJB
151
要求。
4.1.1.3
振动
试验基座安装在独立的地基上，
基座振动的频率和幅值应符合产
品技术条件的要求。
4.1.2
安装条件
4.1.2.1
概述
光纤陀螺仪安装在测试工作台上的夹具中，
宜与实际使用的安装
条件一致。
各项测试中的定位精度，
由测试
工作台及安装夹具的精度
来保证，应符合产品专用技术条件的要求。
必要时应考虑安装部件的热设计与机械设计等的影响。
如
果需要
对其进行温度控制，应规定：
a
）
设备工作温度；
b
）
温度测定方法；
c
）
确定热平衡的标准。
必要时，测试设备应提供测量和控制温度梯度的手段。
4.1.2.2
机械条件
安装光纤陀螺仪时，输入基准轴
IRA
相对于测
试夹具的对准精度
应符合产品专用技术条件的要求。
4.1.2.3
热条件
所有需要稳定温度的测试均需要在
光纤陀螺仪处于热平衡状态
下进行，
安装夹具按使用中的热平衡
条件进行热设计，
安装界面温度
要求与使用中的界面温度相一致
。
4.1.3
供电条件
光纤陀螺仪所有供电电源的
阻抗、电压、频率、纹波、预热及工
作电流都应符合产品专用技术条件的要求。
4.1.4
陀螺仪输出极性规定
按右手螺旋定则
以四指指向光纤陀螺仪旋转方向，
拇指指向光纤
陀螺仪输入轴正
方向。
光纤陀螺仪绕其输入轴正向旋转时，
其输出信
号为正。
4.1.5
光纤陀螺仪轴的规定
OX
、
OY
是光纤环圈平面内两个相互垂直的轴，
OX
和
OY
与光纤
陀螺仪输入轴
IA
（即
OZ
）
正交，
且三个轴的正方
向满足
OX
?
OY
?
IA
的
规定；
< br>
、
ox
和
oy
是安装基准轴，这三个轴名义上分别与
IRA
（即
oz
）
IA
、
OX
、
OY
平行，且三个轴的正方向满足
ox
?
oy
?
IRA
的规定，
应在光
纤陀螺仪壳体上用标记标明基准轴。
4.2
测试设备
4.2.1
一般要求
测试设备的精度和频率特性
应与光纤陀螺仪性能规范的要求相
匹配，测试设备的随机误差应小于光纤陀螺仪随即误差
的
至
。测
试设备的性能应稳定可靠，<
/p>
应装有安全限制装置，
以免光纤陀螺仪在
电、机械、热等方面过载或输入量过大。
所有测试设备均应有规定期限内的检定合格证。
4.2.2
温度试验箱要求
对温度试验箱应有如下要求：
a
）
在温度
试验箱内光纤陀螺仪处于工作状态时，
其定位条件应
满足相应精
度要求；
b
）
当使用专用安装夹具时，应具有良好热传导性；
c
）
温度试
验箱内的温度由其内部的温度传感器检测。
除另有规
定外，
在光纤陀螺仪处于工作状态时，
当其内部热容量最大部件在规
定试验温度下，
每小时温度变化不大于
2
?
C
时，
认为光纤
陀螺仪工作
温度达到稳定状态。或者在规定试验温度下，恒温规定时间后，开始
测试。
1
3
1
5
5
测试项目与方法
5.1
概述
对本标准所列各测试项目，可根据需要，将若干测试设备相同，
测试程序详尽的项目统
一进行测试，
然后再按各项目相应的计算方法
对测试数据进行处
理。
5.2
外观检查
光纤陀螺仪应通过外观和尺
寸的检验，确认其是否有适当的标
识、表面光洁度，有无生产过程中的缺陷，是否符合产
品的专用技术
条件的要求。
5.3
电气检查
5.3.1
绝缘电阻
5.3.1.1
测试目的
测量隔离电路之间及光纤陀
螺仪外壳与同外壳隔离的电路之间
的绝缘电阻。
5.3.1.2
测试设备
兆欧表。
5.3.1.3
测试方法
在
100
V
的试验电压下，
按
GB 998
中
6.1
的
规定，
用兆欧表检查
规定试验点之间的绝缘电阻值。
其结果应符合产品的专用技术条件的
要求。
5.3.2
阻抗
5.3.2.1
测试目的
测量指定光纤陀螺仪电路的阻抗。
5.3.2.2
测试设备
阻抗电桥，其频率发生器可调至规定频率；
直流电阻电桥或其它适于测量电阻的系统。
5.3.2.3
测试方法
光纤陀螺仪应在规定的温度下达到热平衡，
以使最终结果不受温
度变化的影响。
测量所有光纤陀螺仪电路的阻
抗。
为了保护光纤陀螺仪，
通过电
路的
测试电流应尽量小，测试电流应在一定时间内不间断。
5.3.3
绝缘介电强度
5.3.3.1
测试目的
确定电路元件或光纤陀螺仪组件可以在额定电压下安全地工作，
并且可经
受在隔离的电路之间和光纤陀螺仪外壳与其隔离的电路之
间由切换、浪涌等而产生的瞬间
过电压。
5.3.3.2
测试设备
交流高压电源，带有电压与电流测量仪表。
5.3.3.3
测试方法
光纤陀螺仪处于非工作状态
，
试验电压由产品技术条件规定，
试
验
方法按
GB 998
中
6.1
和
6.3
的规定进行。
其结果应符合产品的专用
技术条件的要求。
5.4
功耗
5.4.1
测试目的
测量光纤陀螺仪的每种电源需要的输入功率。
5.4.2
测试设备
电压、电流测试设备。
5.4.3
测试方法
接入电压、电流测试设备，按
4.1.3
供电条件规定施加功率，记
录每
种电源提供的输入功率。
5.5
启动时间
5.5.1
测试目的
确定光纤陀螺仪在规定的工
作条件下，
从加电开始至达到规定性
能所需要的时间间隔。
5.5.2
测试设备
主要测试设备如下：
a
）
速率转台及位置转台；
b
）
光纤陀
螺仪输出测量及记录装置（具有陀螺加电启动记录
功能。
5.5.3
测试方法
将光纤陀螺仪安装于速率台的夹具上，使
IRA
于速
率台的旋转轴
平行。误差在规定值内。将光纤陀螺仪与输出测量设备接好。启动速
率台，建议将速度分别设定在全量程、
0.1
倍全量程、
0.01
倍全量程
值或其它
合适之上。
光纤陀螺仪通电，
记录时间和对应的光纤陀螺仪
输出。
光纤陀螺仪输入轴指向东、西或其
它方向，光纤陀螺仪通电，记
录时间和对应的光纤陀螺仪输出。
5.5.4
计算方法
速率试验中，
根据纪录的数据，
确定每次从加电到光
纤陀螺仪指
示速率满足速率误差要求为止的时间间隔
tr
1
、
tr
2
、
tr
3
、
、
trm
。
光纤陀
螺输出中要扣除地球速率和事先标定的零位。
位置试验中，
光纤陀螺仪输出中扣除事先标定的零位，
确定每
次
从加电到光纤陀螺仪指示达到要求零偏值的时间
tp
1
、
tp
2
、
tp
3
、
、
tpn
。
取
tri
(
i
?
1,2,
,
m
)
、
tpi
(
i
?
1,2,
,
n
)
的最大值为启动时间。
5.6
预热时间
5.6.1
测试目的
确定带温控的光纤陀螺仪在
规定的工作条件下，
从加电开始至达
到规定性能所需要的时间间
隔。
5.6.2
测试设备
测试设备同
5.5.2
。
5.6.3
测试方法
测试方法同
5.5.3
。
5.6.4
计算方法
计算方法同
5.5.4
。
5.7
极性
5.7.1
测试目的
确定相对于
4.1.5
定义的轴的光纤陀螺仪的输出极性。
5.7.2
测试设备
主要测试设备如下：
a
）
速率转台；
b
）
光纤陀螺仪输出测量及记录装置。
5.7.3
测试方法
将光纤陀螺仪安装于速率台上，
IRA
平行于速率台
轴线。将光纤
陀螺仪与输出测量设备相连。按
4.1
的标准测试条件准备光纤陀螺仪
测试。将速率台加速至一定的角速度值，使
输入矢量与
IRA
的正方向
相同，记录
光纤陀螺仪输出极性。以相同的方式反向旋转速率台，并
再次纪录光纤陀螺仪输出极性。
5.8
标度因数系列测试
5.8.1
标度因数
5.8.1.1
测试目的
测量光纤陀螺仪的标度因数。
5.8.1.2
测试设备
主要测试设备如下：
a
）
具有角度或速率输出的速率转台；
b
）
光纤陀螺仪输出测量及记录装置。
5.8.1.3
测试方法
将速率台的旋转轴置为垂直，与当地垂线间误差不超过规定值。
将光纤陀
螺仪安装在转台上，使
IRA
平行于旋转轴，误差不超过规定<
/p>
值。
将光纤陀螺仪与输出测量设备连接好。
使测试设备记录经过的时
间与光纤陀螺仪输出。在速率台旋转的情况下，按
4.1
的标准测试条
间与光纤陀螺仪输出。在速率台旋转的情况下，按
4.1
的标准测试条
件操作光纤陀螺仪。在输入角速度范围内，按照
GB
321
规定的
R
5
系列，适当园整，均匀删除后选取输入角速度，在正转、反转方向输
< br>入角速度范围内，分别不能少于
11
个角速度档，包括最
大输入角速
度。
测试程序如下：
a
）
按专用
技术条件设定光纤陀螺仪输出数据的采样间隔
时间及采样次数；
b
）
转台加
电，设定转台的转动角速度和转动方向，先设正
转，启动转台，角速度平稳后，接通光纤
陀螺仪电源，
测试光纤陀螺仪输出，完成采样次数后，光纤陀螺仪断
电，转台停转，将光纤陀螺仪输出数据扣除启动时间之
前的数据后，求出该输入角速
度下光纤陀螺仪输出的平
均值；
c
）
设定同
样的角速度，使转台反转，方法与
b
）相同，得
到反转输入角速度下光纤陀螺仪输出的平均值，转台输
入角速度按从小到大的顺
序改变；
d
）
测试开
始和结束时，按相同方法分别测试当转台静止
时，光纤陀螺仪输出的平均值，并从测试输
入角速度点
的光纤陀螺仪输出平均值中扣除，得出各输入角速度下
的光纤陀螺仪输出值。
5.8.1.4
计算方法
设
F
j
为第<
/p>
j
个输入角速度时光纤陀螺仪输出的平均值，标度因
1
F
j
?
< br>N
数计算方法见公式（
1
）
~
（
6
）
：
?
F
p
?
1
N
< br>jp
………………………………
………（
1
）
1
F
r
?
(
F
s
?
F
e<
/p>
)
…………………………
2
…………（
2
）
F
j
?
F
j
?
F
r
< br>……………………………
…………
（
3
）
建立光纤陀螺仪输入输出关系的线性模型：
F
j
?
K
??
ij
?
F
0
?
v
j
………………………………
< br>…（
4
）
用最小二乘法求
K
、
F
0
：
M
1
M
?
ij
?
F
j
?
?
?
ij
?
?
F
j
?
M
j
?
< br>1
j
?
1
j
?
1
K
?
M
M
1
2
2
?
?
(
?
)
?
?
ij
ij
M
j
?
1
j
?
< br>1
M
…………………………
（
5
）
1
F
0
?
M
…………（<
/p>
6
）
K
F
j
?
?
M
j
?
1
M
?
?
j
?
1
M
ij
…………………
5.8.2
标度因数非线性度
5.8.2.1
测试目的
测量光纤陀螺仪的标度因数非线性度。
5.8.2.2
测试设备
测试设备同
5.8.1.2
。
< br>
5.8.2.3
测试方法
测试方法同
5.8.1.3
。
5.8.2.4
计算方法
测试数据按
5.8.1.4
处理，用拟合直线表示光纤陀螺仪输入输出
关系，见公式（
7
）
：
?
?
K
??
?
F
………………………
……………（
7
）
F
j
ij<
/p>
0
按公式（
8
）
计算光纤陀螺仪输出特性的逐点非线性偏差：
?
j
?
?
?
F
F
j
j
F
m
………………………
………………
（
8
）
< br>
按公式（
9
）计算标度因数非
线性度：
-
-
-
-
-
-
-
-
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