王常虹,任順清,陳希軍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間控制與慣性技術(shù)研究中心,哈爾濱 150080)

慣性儀表測(cè)試技術(shù)

王常虹,任順清,陳希軍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間控制與慣性技術(shù)研究中心,哈爾濱 150080)

針對(duì)慣性儀表測(cè)試技術(shù)所涉及的幾個(gè)基本問題進(jìn)行了分析，給出了試驗(yàn)的分類和功能，提出了今后發(fā)展建議。

慣性儀表；測(cè)試；試驗(yàn)

0 引言

科學(xué)始于測(cè)量，沒有測(cè)量便沒有精密的科學(xué)。測(cè)試是測(cè)量和試驗(yàn)的綜合，是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認(rèn)識(shí)客觀事物，并掌握其客觀規(guī)律的一種科學(xué)方法。

慣性儀表包含光、機(jī)、電、液、氣、磁等多種高精密元件，在實(shí)際系統(tǒng)中工作時(shí)除了要承受過載、振動(dòng)、沖擊等作用，還將受到溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和重力場(chǎng)等環(huán)境擾動(dòng)因素的影響，其誤差形成機(jī)理十分復(fù)雜。慣性儀表的性能指標(biāo)是空間和時(shí)間的函數(shù)，研究慣性儀表的穩(wěn)定性、重復(fù)性的機(jī)理顯得非常重要。如果沒有先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)體系作為基礎(chǔ)支撐，就不可能深刻地認(rèn)識(shí)和理解慣性儀表誤差的產(chǎn)生機(jī)理，無(wú)法準(zhǔn)確、客觀、全面地評(píng)估儀表的性能，難以對(duì)儀表的研制、生產(chǎn)和使用提供切實(shí)可行的指導(dǎo)。

慣性儀表的各種類型的試驗(yàn)貫穿于慣性儀表研究、設(shè)計(jì)、制造、存儲(chǔ)和使用前的全過程，涉及儀表技術(shù)指標(biāo)與評(píng)估體系的選擇制定、校準(zhǔn)儀表的模型方程的選取、測(cè)試設(shè)備的機(jī)械編排、試驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)，以及描述各種形式的儀表及某些特殊儀表部件的工作性能的方式方法的選擇等多個(gè)方面，是一項(xiàng)系統(tǒng)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)性工作。

本文對(duì)慣性儀表測(cè)試技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容和重點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)今后的技術(shù)發(fā)展方向提出了展望。

1 慣性儀表的誤差模型與試驗(yàn)

慣性儀表的誤差包含能測(cè)量和補(bǔ)償?shù)牟痪_性的可預(yù)測(cè)分量和僅能用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)的不精確性的隨機(jī)分量?jī)刹糠郑徽`差模型是對(duì)儀表誤差和影響誤差的環(huán)境因素之間的“完整的”數(shù)學(xué)關(guān)系式表述。“完整的”一詞之所以加有引號(hào)，是因?yàn)榻裉炷軡M足應(yīng)用的模型，在未來(lái)的應(yīng)用中有可能是不能滿足的。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)儀表的某些性能要求變得更嚴(yán)苛或當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)，模型中的項(xiàng)數(shù)一定會(huì)增加。具體地說(shuō)，一個(gè)儀表對(duì)某種應(yīng)用而言，使用由誤差的零次項(xiàng)和一次項(xiàng)構(gòu)成的誤差模型即可滿足要求，但在另一種要求更高的應(yīng)用中，可能需要由誤差的零次項(xiàng)、一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、交叉耦合項(xiàng)、交叉二次耦合項(xiàng)、安裝誤差項(xiàng)、正負(fù)不對(duì)稱項(xiàng)和更高階的誤差項(xiàng)等構(gòu)成的誤差模型才能滿足要求。因此，誤差模型的這種完整性是相對(duì)的，與使用要求和環(huán)境條件密切相關(guān)。

儀表誤差的成因一方面與儀表本身的原理、結(jié)構(gòu)、材料和工藝等內(nèi)在因素有關(guān)，另一方面與儀表實(shí)際使用時(shí)所受的外在激勵(lì)作用因素有關(guān)，后者通過前者而起作用。慣性儀表的誤差特性就是慣性儀表在激勵(lì)作用下的響應(yīng)特性。

在慣性儀表的地面試驗(yàn)中，激勵(lì)是對(duì)慣性儀表實(shí)際使用環(huán)境特征進(jìn)行的物理模擬，它通過特定的設(shè)備以一定的規(guī)律產(chǎn)生，并作為輸入量施加在儀表上，用于在試驗(yàn)中測(cè)試和評(píng)估慣性儀表的性能。激勵(lì)的作用就是要能夠有效激發(fā)儀表的內(nèi)在特性，并通過合理設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法重構(gòu)誤差模型，分離和標(biāo)定儀表重構(gòu)誤差模型的系數(shù)。在慣性儀表性能評(píng)估的各種試驗(yàn)中，要求激勵(lì)必須是可控的，并能在儀表的工作范圍內(nèi)為儀表提供盡可能精確的輸入信號(hào)，滿足高精度儀表的測(cè)試要求。

慣性儀表試驗(yàn)是以能精確地確定慣性儀表性能的模型方程為基礎(chǔ)，試驗(yàn)過程應(yīng)能夠精確地測(cè)量模型方程的系數(shù)。通過試驗(yàn)所獲得的模型方程應(yīng)符合在給定條件下試驗(yàn)所得到的所有數(shù)據(jù)，同時(shí)又能夠精確地預(yù)測(cè)出符合工程實(shí)際的結(jié)果。具有完整性的模型方程用來(lái)精確測(cè)量和確定慣性儀表的品質(zhì)，以便在應(yīng)用于慣性系統(tǒng)時(shí)提供誤差補(bǔ)償?shù)男畔ⅰ?/p>

慣性儀表試驗(yàn)至少包括兩方面不同的工作。一是如何模擬儀表所應(yīng)處的實(shí)際環(huán)境條件,即產(chǎn)生試驗(yàn)所需的激勵(lì)。在這種情況下，慣性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者必須提出儀表在實(shí)際系統(tǒng)中工作時(shí)將要承受的電、機(jī)、熱、磁、振動(dòng)、過載、沖擊和其他環(huán)境條件的詳細(xì)資料。二是儀表試驗(yàn)人員必須提出可信的測(cè)試方法，并在規(guī)定的環(huán)境條件下對(duì)儀表性能進(jìn)行周密的測(cè)量。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)用以實(shí)現(xiàn)誤差激勵(lì)的試驗(yàn)設(shè)備和相應(yīng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行深入的研究，并兼顧可行性和成本兩個(gè)方面。

慣性儀表誤差是儀表內(nèi)在和外在因素綜合作用的結(jié)果，其誤差方程是包含各種激勵(lì)變量的非線性函數(shù)。理想情況下，對(duì)儀表同時(shí)施加多種激勵(lì)來(lái)觀察他們的耦合作用效果，但現(xiàn)實(shí)中，無(wú)論是在1g下的試驗(yàn)或在高g下的試驗(yàn)都很難做到這一點(diǎn)。因此，對(duì)儀表誤差的測(cè)試通常是分時(shí)、分段、序貫施加不同的激勵(lì)。根據(jù)任何連續(xù)的物理過程都可用冪級(jí)數(shù)展開式來(lái)表示這樣一個(gè)一般原理，通常采用由常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)、交叉耦合項(xiàng)、二次項(xiàng)、交叉二次項(xiàng)、安裝誤差項(xiàng)及高次項(xiàng)所組成的冪級(jí)數(shù)展開式來(lái)描述慣性儀表的誤差方程。在試驗(yàn)中，要求序貫激勵(lì)在空間上必須滿足正交性和完備性。通過分析各項(xiàng)誤差系數(shù)對(duì)給定激勵(lì)的靈敏度存在的重要程度，確定誤差方程的項(xiàng)數(shù)；通過序貫施加不同的激勵(lì)，對(duì)儀表誤差方程的各項(xiàng)誤差系數(shù)進(jìn)行分離標(biāo)定；最終進(jìn)行線性疊加，獲得滿足精度和使用要求的誤差方程。

在信任通過這種技術(shù)所獲得的誤差模型之前，必須通過理論和試驗(yàn)證明測(cè)試方法的合理性，給出測(cè)試方法對(duì)誤差系數(shù)的可觀測(cè)度和對(duì)測(cè)試結(jié)果的置信度。在此，合理性是指通過線性疊加所獲得的誤差模型能夠有效地外推到儀表實(shí)際工作中遇到的激勵(lì)變量的全部范圍，可觀測(cè)度是指儀表誤差系數(shù)對(duì)激勵(lì)的靈敏度的精確程度，置信度是對(duì)測(cè)試和外推結(jié)果有效性的度量。

按照測(cè)試設(shè)備進(jìn)行的試驗(yàn)方法分類如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)方法分類Fig.1 Classification of measurement and test method

2 高精度測(cè)試的幾個(gè)關(guān)鍵問題

2.1 激勵(lì)誤差對(duì)測(cè)試的影響

儀表測(cè)試包括試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，涉及測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法兩個(gè)層面。試驗(yàn)時(shí)，由測(cè)試設(shè)備對(duì)儀表施加精確已知的激勵(lì)信號(hào)，并在仔細(xì)控制的環(huán)境條件下，根據(jù)采用的測(cè)試方法獲得相應(yīng)的輸出信號(hào)。由于測(cè)試設(shè)備自身存在誤差，這些誤差作為擾動(dòng)輸入將在儀表測(cè)試過程中傳遞，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響對(duì)測(cè)試結(jié)果的置信度評(píng)價(jià)。當(dāng)測(cè)試設(shè)備所能提供的激勵(lì)信號(hào)精度在儀表的工作范圍內(nèi)遠(yuǎn)高于儀表精度時(shí)，這種影響通?？梢院雎?；但對(duì)于高精度儀表而言，如果測(cè)試設(shè)備所能提供的激勵(lì)信號(hào)精度與儀表精度處于同一量級(jí)，這種影響將不可忽略。因此，在測(cè)試中必須對(duì)激勵(lì)誤差加以考慮，并將這種誤差的影響從結(jié)果中分離出來(lái)。

2.2 誤差分離標(biāo)定與模型重構(gòu)

慣性儀表的誤差方程通常采用與比力相關(guān)的常數(shù)項(xiàng)(零次項(xiàng))、一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及高次項(xiàng)所組成的冪級(jí)數(shù)展開式來(lái)描述，誤差系數(shù)可看成是其他各種激勵(lì)變量的非線性函數(shù)。不同的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法產(chǎn)生的激勵(lì)不同，對(duì)誤差系數(shù)的可觀測(cè)度不同，所獲得的測(cè)試結(jié)果的置信度也不同。因此，不同的誤差系數(shù)需要采用不同的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法進(jìn)行分離標(biāo)定。

儀表測(cè)試試驗(yàn)通?？煞譃?g下的雙軸臺(tái)試驗(yàn)、三軸臺(tái)試驗(yàn)、分度頭試驗(yàn)，高g下的離心機(jī)試驗(yàn)、角振動(dòng)試驗(yàn)、線振動(dòng)試驗(yàn)、角振動(dòng)與線振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、火箭橇試驗(yàn)等，通過這些試驗(yàn)可對(duì)誤差模型中的誤差系數(shù)進(jìn)行分離標(biāo)定,對(duì)儀表的性能進(jìn)行細(xì)致考核。

為了實(shí)現(xiàn)在特定試驗(yàn)設(shè)備上對(duì)某項(xiàng)誤差系數(shù)準(zhǔn)確分離標(biāo)定，所采用的測(cè)試方法必須保證對(duì)測(cè)試模型中的其他誤差項(xiàng)不敏感，這是采用特定試驗(yàn)設(shè)備分離特定誤差系數(shù)的基礎(chǔ)。對(duì)儀表誤差系數(shù)分離標(biāo)定方法的研究包括儀表的安裝方式、測(cè)試順序、數(shù)據(jù)處理和參數(shù)辨識(shí)方法等內(nèi)容。

2.3 模型的有效性驗(yàn)證與評(píng)估

慣性儀表誤差產(chǎn)生的物理因素不同，對(duì)導(dǎo)彈精度的影響也不一樣。同一誤差因素的影響也因射程大小、彈道形狀、環(huán)境條件變化而變化。通過單表級(jí)標(biāo)定得到的結(jié)果與其在系統(tǒng)中實(shí)際工作的情況是否契合，各誤差項(xiàng)在系統(tǒng)中的顯著性如何，需要最終將單表模型放到系統(tǒng)級(jí)導(dǎo)航解算中進(jìn)行驗(yàn)證。

將單表測(cè)試獲得的誤差模型代入系統(tǒng)級(jí)導(dǎo)航解算中，通過基于方差分析、Monte Carlo仿真、硬件在回路中測(cè)試、火箭橇測(cè)試和模擬飛行測(cè)試等系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，揭示儀表誤差與系統(tǒng)誤差之間的關(guān)聯(lián)性內(nèi)涵，確定顯著性誤差，可為慣性儀表的實(shí)際使用奠定基礎(chǔ)。

3 發(fā)展趨勢(shì)及展望

隨著新型慣性儀表的不斷涌現(xiàn)，對(duì)測(cè)試技術(shù)的要求將越來(lái)越高。多學(xué)科相互借鑒和滲透發(fā)展，將極大地推動(dòng)測(cè)試技術(shù)水平的提升，從而形成綜合各學(xué)科成果的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。未來(lái)在高精度慣性儀表測(cè)試技術(shù)方面，需要研究新的測(cè)試方法，并由新的測(cè)試方法指導(dǎo)新型測(cè)試設(shè)備的研制，通過新型測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用促進(jìn)新型高精度慣性儀表的研究；在大批量慣性儀表測(cè)試技術(shù)方面，需要進(jìn)一步提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本；同時(shí)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平的提高也將是慣性測(cè)試技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

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Measurement Technology for Inertial Instrument

WANG Chang-hong, REN Shun-qing，CHEN Xi-jun

(Space Control and Inertial Technology Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Some problems with respect to the measurement and test technology of the inertial instruments were analyzed, the classification and the function of the measurement and test were given, finally proposals for the development of the measurement and test were offered.

Inertial instrument；Measurement；Test

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.05.001

2016-07-25；

2016-08-05。

王常虹(1961 - )，男，教授，研究方向?yàn)閼T導(dǎo)測(cè)試設(shè)備，導(dǎo)航與控制。E-mail:cwang@hit.edu.cn

U666.12

A

2095-8110(2016)05-0001-04