基于矢量调制法的矢性物理量测量仪器

　　1　引言

　　在高精度测量场合,限制测量系统精度的主要原因,是传感器中难以克服的测量误差,环境扰动是另一个棘手的问题。

　　实际传感器的测量精度主要受误差约束,测量误差包括偏置、漂移、噪声和干扰,标度因数的非线性因素对测量精度也存在不利影响,但经常是次要因素。对测量误差进行频谱分析,可以知道误差分布在频域各点,其中低频部分的量值最大也最难消除。

　　偏置又称失调,描述零点偏移量,是传感器输出信号中的直流恒定分量。

　　漂移反映系统参数的缓慢变化,是传感器输出信号中的低频交流分量。传感器的漂移特性可以分为相加漂移和相乘漂移两部分,相加漂移描述偏置的缓慢变化,相乘漂移描述标度因数的缓慢变化。与偏置比较,偏置的漂移比偏置本身更加复杂,也更加难以处理。

　　噪声是传感器内部多种误差因素综合作用的结果,是传感器输出信号中的高频交流量,而广义环境对传感器的影响表现为干扰。噪声和扰动的统计性质是随机的,平均值趋近于零。

　　传感器内部普遍存在偏置、漂移、噪声,并受到外界干扰引起测量误差。由于测量误差的影响,传感器的输出信号是一个随机函数,测量精度受到误差限制。有多种方法减小测量误差,减小测量误差的最佳方案是在输入量进入传感器之前进行调制。

　　对于线性矢量传感器,矢量调制法(vector modula2tion method,VMM)应用调制解调原理,在矢量传感器之前对输入信号调制,在传感器之后对输出信号解调,可以显著减小传感器内部偏置、偏置的漂移、各种噪声和外界干扰引起的测量误差,显著提高测量精度,适用于矢性物理量精确测量。

　　2　矢量调制法

　　减少传感器测量误差的常用方法有:隔离、保护、屏蔽、调制、滤波、最优估计、反馈、补偿。一旦干扰或噪声进入信号并变成信号的一部分,就再也不能从根本上加以区别,只能进行近似的估计、滤波或补偿。所以,在信号进入传感器之前进行调制最有效。正弦波有内在的连续性和抗干扰能力,适宜用作调制载波。矢量调制法将输入量调制在正弦波上成为正弦调幅波,输入信号恒定时则为幅值不变的正弦波。

　　以使用光纤陀螺测量地速北向分量为例,测量方法如下:

　　当水平面内仅有地速北向分量输入时,如图1所示,Ω为陀螺的测量轴,将光纤陀螺绕垂直Ω轴的ω轴(此时指天)以某一速率(如20r/s)旋转(调制),传感器旋转速率即载波频率。在陀螺输出信号中,20Hz谐波的幅值和初相位,即是地速北向分量响应的幅值和初相位(Ω轴的初始方向角)。