Faseroptische Gyroskope (FOGs) sind eine Art von Winkelgeschwindigkeitssensoren, die in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und dem Transportwesen weit verbreitet sind. Sie nutzen den Sagnac-Effekt zur Erkennung von Winkeldrehungen und liefern genaue Bewegungsmessungen, was sie ideal für Anwendungen wie Navigationssysteme, Plattformstabilisierung und taktische Führung macht.
Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, müssen FOGs regelmäßig kalibriert werden. In diesem Artikel werden wir den Kalibrierungsprozess für einachsige faseroptische Gyroskope (SAFOGs), die häufig in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich eingesetzt werden.
Überblick über die Kalibrierung
Unter Kalibrierung versteht man den Vergleich der Ausgabe eines Messgeräts mit einem bekannten Referenzwert, um seine Genauigkeit zu bestimmen. Für SAFOGs aus der chinesischen Fabrik ist eine Kalibrierung notwendig, da selbst geringfügige Änderungen der Umgebungsbedingungen oder Fertigungsabweichungen ihre Genauigkeit beeinträchtigen können.
SAFOGs messen die Winkelrotation um eine einzige Achse, d. h. sie haben ein Sensorelement, das Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit erfasst. Die Kalibrierung ist wichtig, um sicherzustellen, dass das Ausgangssignal des SAFOG die tatsächliche Rotationsgeschwindigkeit genau wiedergibt.
Vor-Kalibrierungs-Schritte
Vor Beginn des Kalibrierungsprozesses müssen mehrere Vorbereitungsschritte durchgeführt werden. Der erste Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass sich der SAFOG in einer stabilen Umgebung mit konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit befindet. Jede Änderung dieser Parameter kann die Genauigkeit des SAFOG und damit die Kalibrierungsergebnisse beeinträchtigen.
Zweitens müssen die Eingangs- und Ausgangsbedingungen des SAFOG überprüft werden. Dabei ist zu prüfen, ob die Eingangsspannung und der Strom im richtigen Bereich liegen und ob das Ausgangssignal ordnungsgemäß an das Messsystem angeschlossen ist.
Kalibrierungstechniken
Bei der SAFOG-Kalibrierung kommen hauptsächlich zwei Techniken zum Einsatz: die Open-Loop- und die Closed-Loop-Kalibrierung. Bei der Open-Loop-Kalibrierung wird der SAFOG mit einer konstanten Rate gedreht, während das Ausgangssignal überwacht wird. Das Signal wird dann mit einem bekannten Referenzsignal verglichen, um die Genauigkeit des SAFOG zu bestimmen. Bei der Closed-Loop-Kalibrierung wird eine Rückkopplungsschleife verwendet, um die Drehgeschwindigkeit zu stabilisieren, was eine genauere Kalibrierung ermöglicht.
Die Open-Loop-Kalibrierung ist ein relativ einfacher Prozess und kann schnell durchgeführt werden. Sie ist jedoch möglicherweise nicht so genau wie die Closed-Loop-Kalibrierung, deren Durchführung länger dauern kann, die aber präzisere Ergebnisse liefert.
Am Kalibrierungsprozess beteiligte Schritte
Der Kalibrierungsprozess für SAFOGs umfasst in der Regel mehrere Schritte. Der erste Schritt besteht darin, eine Basismessung des SAFOG-Ausgangssignals ohne Eingangsdrehung vorzunehmen. Dies wird als Bias-Offset bezeichnet und repräsentiert alle statischen Fehler im SAFOG.
Anschließend wird der SAFOG mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht und das Ausgangssignal gemessen. Diese Messung wird mit einem Referenzsignal verglichen, um den Skalierungsfaktor zu bestimmen, der die Empfindlichkeit des SAFOG gegenüber der Drehbeschleunigung darstellt.
Der dritte Schritt ist die Messung der Driftrate des SAFOG. Dazu wird der SAFOG über einen längeren Zeitraum mit konstanter Geschwindigkeit gedreht und das Ausgangssignal über die Zeit beobachtet. Jede Änderung des Ausgangssignals stellt einen Driftfehler dar, der bei der Kalibrierung berücksichtigt werden muss.
Nach Abschluss dieser Messungen werden der Bias-Offset und die Driftrate vom Ausgangssignal subtrahiert und der Skalierungsfaktor angewendet, um das kalibrierte Ausgangssignal zu erhalten.
Herausforderungen im Kalibrierungsprozess
Die Kalibrierung von SAFOGs kann aufgrund verschiedener Faktoren, die ihre Genauigkeit beeinträchtigen können, eine Herausforderung darstellen. Ein kritischer Faktor sind die Umgebungsbedingungen. Jegliche Änderungen der Temperatur oder Luftfeuchtigkeit können zu Driftfehlern oder Bias-Offset führen, was ungenaue Messwerte zur Folge hat.
Eine weitere Herausforderung ist das Instrumentenrauschen, das das Ausgangssignal des SAFOG stören kann. Dies kann durch den Einsatz hochwertiger Messgeräte und Filtertechniken gemildert werden.
Auch Fertigungsabweichungen können sich auf die Kalibrierungsgenauigkeit auswirken, da jeder SAFOG leicht unterschiedliche Merkmale aufweist. Aus diesem Grund kalibrieren die Hersteller ihre SAFOGs oft einzeln, bevor sie sie an die Kunden ausliefern.
Prüfung nach der Kalibrierung
Nach der Kalibrierung ist es wichtig, den SAFOG zu testen, um sicherzustellen, dass er die Leistungsspezifikationen erfüllt. Dazu wird der SAFOG verschiedenen Drehgeschwindigkeiten ausgesetzt und das Ausgangssignal mit bekannten Referenzwerten verglichen.
Wenn der SAFOG diese Tests nicht besteht, muss er möglicherweise neu kalibriert oder ausgetauscht werden. Regelmäßige Nachkalibrierungsprüfungen können helfen, Probleme mit dem SAFOG frühzeitig zu erkennen und kostspielige Fehler zu vermeiden.
Schlussfolgerung
Die Kalibrierung ist ein entscheidender Prozess zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit von SAFOGs. Durch Befolgung der in diesem Artikel beschriebenen Schritte können Hersteller und Anwender sicherstellen, dass ihre SAFOGs zuverlässige und genaue Messungen der Winkelgeschwindigkeit liefern.
Auch wenn die Kalibrierung aufgrund von Umweltfaktoren und Gerätegeräuschen schwierig sein kann, können regelmäßige Tests und Qualitätskontrollmaßnahmen dazu beitragen, Fehler zu vermeiden und eine optimale Leistung zu gewährleisten. Da SAFOGs weiterhin in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, wird die ordnungsgemäße Kalibrierung ein entscheidender Aspekt zur Gewährleistung ihrer Genauigkeit und Zuverlässigkeit bleiben.
