激光陀螺测角仪测角误差来源研究

引 言

角度是计量科学所要测量的一个重要的物理量，它广泛地运用于生产和生活的各个方面，如物体方位与姿态的确定、精密机械加工中刀片方位的控制、舰船甲板变形的测量等［1-3］。随着科技与工业的发展，传统的测角方法越来越不能满足实际应用的要求。研究最早的机械式和电磁式测角方法不容易实现自动化且测量精度受到一定的限制，一般的光学测角方法也存在系统不稳定、结构原理比较复杂或者只局限于小范围测角等方面的不足，而无法在要求高精度、高稳定度和整周测量的条件下使用［4］。

激光陀螺是一种高灵敏度、高精度、性能稳定的理想惯性传感器［5］。激光陀螺动态测角仪充分利用了激光陀螺的优点，在转角测量上不仅能够进行高速实时非接触式动态测量，还能够将测角仪与控制系统有机结合，在提高测角精度和灵敏度的同时实现自动化的测量［6-7］。国外基于激光陀螺的测角仪研究得比较早，测角精度也比较高，如俄罗斯研制的测角仪的精度已经达到约 0. 05″［8-9］。而我国长期以来受激光陀螺制造工艺的限制，从公开报道来看，只有计量科学研究院和清华大学等少数单位进行过研究［10-13］。近年来，国内在激光陀螺制造工艺的某些关键技术上实现了突破，研制测角仪的条件日益成熟。但目前国内研制的激光陀螺测角仪的精度和国外相比还有不小的差距，因此，对测角仪的误差来源进行分析说明，对探索进一步提升测角仪的测角精度的方法具有指导性的重要意义。

1 测角原理简介

激光陀螺测角仪( dynamic ring laser goniometer，DLG) 的结构简图如图 1 所示。转动平台在电机、控制卡和计算机软件的控制下匀速转动。激光陀螺和待测棱镜安放在转台上与其同步转动。转台的转速应该使陀螺能够工作在远离锁区的区域。陀螺输出信号经过前置放大，整形成方波后滤波，然后送入计数器。指零仪向待测棱镜的方向发射一束激光束，每当入射激光束与待测棱镜的侧表面垂直时指零仪就发出一个零位脉冲并送入计数器。由于陀螺输出信号脉冲数一般比较大，所以一般采用两个计数器依次工作。当第 1 个零位脉冲到达时，计数器 1 开始计数，而计数器 2 处于停止状态; 第 2 个零位脉冲来临时，计数器 1 停止工作，并将计数值送入计算机保存然后将计数值清零，同时计数器 2 开始计数。如此循环。最后根据所要测的角度，将对应的计数值换算成角度值输出。由激光陀螺的原理可知，其输出的差频信号［14］为:

式中，Ω 为陀螺敏感的角速率; A 为激光环路的面积;〈L〉为静止时光绕环路传播1 周的光程; λ 为激光波长;θ为转轴与陀螺敏感轴之间的夹角; K =4A/( 〈L〉·λ)为陀螺的比例因子。