某型燃气陀螺仪光电特性测试原理分析

某型燃气陀螺仪光电特性测试原理分析

饶海军 汪 钊

国营长虹机械厂 广西桂林 541002

摘要：某型燃气陀螺仪（以下简称“陀螺仪”）是某类控制部件之一，为飞行过程中提供角度姿态信号，经综合处理后形成控制指令，实现飞行姿态控制。本文主要对陀螺仪的光电特性测试进行原理分析，加强陀螺仪工作原理、结构及光电测试原理理解。

关键词：陀螺仪；光电特性；测试

1 引言

目前由于陀螺仪自身具备的定轴特性（jinertia or rigidity）、进动特性（precession）被广泛应用于航空、航天及航海等领域。而本文涉及的燃气陀螺仪则是利用陀螺仪的定轴性，测量出装备飞行中在空间绕其纵轴的旋转相位和旋转转速，产生基准脉冲信号，作为形成控制指令的基准。该型陀螺仪的工作过程较为抽象简化，在地面检测呈现多项独立性检测，与实际使用差异大，导致测试理解难度大、操作困难。本文中针对该型陀螺仪光电特性测试进行具体介绍，使陀螺仪的使用及测试原理更易理解。

2 陀螺仪工作原理

如图1陀螺仪结构示意图，陀螺仪实际工作时，燃气室内药柱燃烧产生高压燃气，通过与工作室连同的气孔进入工作室；当燃气作用在锁紧簧片的压力大于锁紧簧片作用在陀螺仪锁紧销的压力，锁紧簧片解锁；燃气即刻作用在转子，转子以约90000r/min高速转动。高速转子与内外环形成定轴整体，而与弹体相固定的外壳（安装光电组件）随弹体旋转（见图2）。当光电组件存在光信号起始位置旋转一周后再次检测到光信号，依次循环，则在既定基准周期内得到光信号次数（即旋转圈数），换算后即为旋转相位和旋转转速。

在陀螺仪工作过程中，光信号的感应强度、脉宽和定轴性保持的惯转时间为陀螺仪工作的重要指标，也是在研制生产和维修过程中检定陀螺仪合格的项目。

3 测试原理分析

陀螺仪的地面检测光电特性主要检查惯转时间、光电流、暗电流、补偿角及开启角。

说明：

1-壳体；2-外环；3-盖帽；4-锁紧簧片；5-内环；6-转子；7-光电组件；8-挡光板。

图1 陀螺仪结构示意图1

图2 陀螺仪结构示意图2

3.1 特性解析

陀螺仪的光电特性主要依靠陀螺仪定轴性、光电组件实现，光电组件包括挡光板、光信号发生器及感受器。

1、光电流的形成则为光信号通过陀螺挡光板透光孔，感受器形成的电流信号。

2、暗电流则与光电流相反，感受器无法感应到光信号状态下的电流。

3、开启角实际为挡光板透光孔实际宽度，在圆周上以角度表示，如图3中δ2。

4、补偿角为在陀螺仪锁定状态位置逆时针方向与透光孔边缘的角度，如图3的δ1。从图3可知，补偿角为开启角的一部分。

3.2 测试分析

3.2.1 光电流测试

光电流测试是指光电组件的直流通电状态下，光从挡光板的透光孔通过，感受器感受光后形成强度不小于2mA的电流。

图3 光信号形成示意图

测试过程中需观察电流变化为由小变大至稳定，再逐渐变小；对应陀螺仪挡光板转动，光由弱变强从透光孔边缘进入，电流开始增大；当光完全通过透光孔时，光电流应大于2mA，然后光从透光孔另一边缘退出，电流由大减小，直至光完全被挡光板遮挡。

3.2.2 暗电流测试

暗电流测试则与光电流相反，指光电组件的光完全被挡光板完全遮挡，感受器未接收光所形成的电流。由于测试过程在含有陀螺仪工作光谱的光照环境下进行，因此暗电流测试中会有不为零的电流存在，即小于3μA的暗电流。

3.2.3 补偿角测试

补偿角为在锁定状态下，光电组件位于通光孔位置（见图4），测试电压在最大值与向左偏转到电压值为0V或者达到最小值不再变化的角度范围。测试时挡光板上放置测试指示针，锁定状态下（电压最大）指示针指示为0°，转逆时针转动挡光板，当测试电压值为0V或达到最小值，指示针指示的角度范围即为补偿角。

3.2.4 开启角测试

开启角是指陀螺仪通光孔的开孔角度范围。测试时，转动挡光板处于通光孔一侧的边缘（见图5），使显示电压为0V或达到最小值（即无光通过通光孔，指示角度值为θ1）；然后转动挡光板使光逐渐通过通光孔，该过程显示电压逐渐增大；当挡光板另一边缘开始遮挡光源时（见图6），显示电压开始降低，当电压值为0V或达到最小值（指示角度值为θ2）。|θ1|+|θ2|即为开启角。

图4 陀螺仪测试锁定状态

图5 开启角测试状态1 图6 开启角测试状态2

3.3 综合分析

经上述分析，可明确光电流、暗电流、补偿角及开启角性质为静态光电指标；其中光电流、暗电流为光感触发与关闭指标；补偿角、开启角为固有特性指标。检测过程，模拟陀螺仪工作相对性运动；实际陀螺仪工作为光电组件随壳体跟随整体顺时针旋转，挡光板在陀螺仪转子定轴特性下保持相对位置不动，光电组件周期性转动实现周期性开启，得到总体的周期角度信号形成姿态信息。

四、结束语

本文综合叙述了某型燃气陀螺仪光电特性测试的原理和过程，并结合产品实际工作过程进行特性指标的解析，将光电特性深入解释，为该型陀螺仪修理提供基础、深入的分析。

参考文献：

[1]周睿.某型无人机导航系统中陀螺仪信号处理方法与研究[D].国防科技大学,2003.

[2] 甄景涛,余志峰,唐永光,等.基于八位置法的某型陀螺仪漂移的测试[C]//国际一期仪表与测控自动化高峰论坛.中国仪表学会;深圳市仪器仪表学会,2006.

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