4.7. Анализ паспортных характеристик гироскопических дус

может этот текст перенести в раздел 3?

Паспортные данные приборов, в данном случае гироскопических ДУС должны давать по возможности полное представление о возможностях их применения на конкретных подвижных объектах. Ниже приводятся полученные из сайтов сети Интернет открытые паспортные данные ДУС, выпускаемых различными фирмами, и проводится их критический анализ на предмет содержательности, полноты, а иногда и правильности представления о характеристиках и параметров приборов. Во всех случаях паспортные данные воспроизводятся в табличном виде несколько в сокращенном виде, но именно в той форме, в том же порядке и с сохранением терминологии, как в источнике. При анализе приводимых данных обращается внимание на особенности и различия терминологии, способы выражения показателей, смысл и понимание различных свойств и параметров и то, каким показателям явно отдается приоритет. При явных различиях и неясности терминологии при разборе материал овпомогает учет размерностей приводимых показателей. Содержательные фрагменты анализа позволяют делать выводы о значимости отдельных факторов. При этом предполагается, что все приводимые паспортные данные получены и подтверждены результатами испытаний. Конечно, остается в стороне вопрос степени достоверности и точности данных, но обсуждаются их степень полноты; часто констатируется необходимость конкретизации и проведения специальных дополнительных испытаний, чаще всего в плане конкретизации показателей. Конечно, в паспортных данных непосредственно не отражаются вопросы составления программ испытаний, тем более исследовательских, выбора стендового оборудования и обработки получаемых данных. Но по результатам анализа паспортных данных могут быть сформулированы выводы, которые приводятся в конце этого раздела.

Данные приводятся для приборов разных классов различных производителей.

Динамически настраиваемый гироскоп МГ-4 (СКБ «Раменское»)

Случайный дрейф	0,2 º/ч
Дрейф, не зависящий от ускорения	±25 º/ч
Дрейф, пропорциональный ускорению	± 25 º/ (ч g)
Крутизна датчиков момента	400 º/ (с* А)
Время готовности	0,5 сек
Диапазон постоянно	60 º/сек
Диапазон кратковременно	300 º/сек
Случайная вибрация	4,5 g, 20 – 2000 Гц
Линейное ускорение	12 g
Механический удар	15 g (r =15 мсек)
Диапазон температур	От -600С до +600С

Перечень приводимых паспортных данных невелик. Обращают на себя внимание следующие особенности:

- для измеряемой угловой скорости («входная угловая скорость») устанавливаются два симметричных относительно нуля диапазона измерения: длительный («постоянно») и кратковременный, причем смысл такого разделения требует пояснения;

- погрешность по выходу ДУС, измеряемая, естественно, в ⁰/час, именуется дрейфом; можно предполагать, что так называемый «дрейф» представляет собой смещение нуля по выходу, и эта характеристика при испытаниях определяется на неподвижном основании; неясно, характеризует ли этот показатель различия от экземпляра к экземпляру или от пуска к пуску;

- проводится разделение смещения нуля на составляющие, причем из данных следует, что случайная составляющая мала (меньше постоянной составляющей «дрейфа, не зависящего от ускорения» на два порядка);

- значительно влияние линейного ускорения на смещение нуля; из этого следует сильная зависимость смещения нуля от ориентации относительно вертикали, что нужно учитывать при испытаниях и эксплуатации;

- вместо масштабного коэффициента приводится по существу обратная величина, определяемая не по напряжению, а по току; не приводятся данные о стабильности калибровочной характеристики или масштабного коэффициента;

- для таких влияющих факторов, как постоянная перегрузка, вибрация удар, температура неясно, приводятся ли нормативные показатели, при которых следует проводить контрольные испытания на сохранность, или указываются предельные значения, при которых, по-видимому, точность сохраняется на приемлемых уровнях, но не приводятся значения возникающих при этом воздействиях дополнительных погрешностей,

- вибрация, для которой указываются допустимое (по-видимому, среднеквадратичное значение виброускорений) предполагается случайной без уточнения вида спектра;

- не приводятся показатели прочности (сохранности) при механических воздействиях.

Микромеханический гироскоп ММГ

Диапазон измерения	±100 º/с
Погрешность масштабного коэффициента в диапазоне температур	± 3,0 %
Нелинейность масштабного коэффициента	± 1,0 %
Изменение постоянной составляющей в диапазоне температур	± 2,0 º/с
Постоянная составляющая дрейфа	± 0,3 º/с

Перечень приводимых паспортных очень короткий. Основные особенности по сравнению с ГВК-18 следующие:

- указаны пределы допустимых изменений масштабного коэффициента, причем с учетом изменений температуры (неясно, в каких пределах);

- указано, в каких пределах изменяется смещение нуля («постоянная составляющая дрейфа») при изменении температуры в установленных пределах.

Двухосный датчик угловой скорости INL-CVG-GU200

Показатель	Единица	Варианты модели прибора
Формат данных	измерения	Аналоговый	Цифровой
Температурная компенсация (на смещение нуля,  масштабный коэффициент)		Есть	Есть
Диапазон измерения	град/сек	До ±250	До ±250
Полоса пропускания	Гц	> 150	> 150
Начальное смещение нуля	град/ч	< 1	< 1
Случайный дрейф в запуске (в режиме  термостатирования, 1 сигма)	град/ч	< 0,1	< 0,1
Систематическая составляющая скорости дрейфа  (в диапазоне температур, 1 сигма)	град/ч	< 15	< 15
Повторяемость смещения нуля от включения к  включению (1 сигма)	град/ч	< 10	< 10
Случайное блуждание (устойчивое состояние)	град/√ч	0,01	0,01
Шум покоя (0,1 – 100 Гц), RMS	град/сек	< 0,01	< 0,01
Шум при вибрации (0.1 - 100 Гц),   (12g rms - 0 до 2000 Гц)	град/ч/grms	< 30	< 30
Ошибка масштабного коэффициента на  температурном диапазоне	%	< 0,35	< 0,35
Нелинейность масштабного коэффициента	%	< 0,1	< 0,1
Время запуска	сек	< 1	< 1
Время выхода на режим	сек	< 50	< 50
Несоосность	мрад	< 10	< 10
Виброустойчивость	g RMS, Гц	12g, 1 – 2000 Гц, 10 мин/ось	12g, 1 – 2000 Гц, 10 мин/ось
Вибропрочность при транспортировке	g RMS, Гц	3g, 1 – 2000 Гц, 1 ч/ось	3g, 1 – 2000 Гц, 1 ч/ось
Удароустойчивость	g, мсек	300g, 2 – 5 мсек	300g, 2 – 5 мсек
Среднее время наработки на отказ,   (MIL-HDBK 217F)	часов	500	500

Перечень показателей достаточно большой, что свидетельствует о больших объемах исследовательских испытаний. Важно, что большое внимание уделяется показателям стойкости по отношению к механическим воздействиям. Однако представляется, что при описании характеристик отсутствует единая концепция, и взаимосвязь отдельных показателей неясна. Основные особенности следующие:

- гироскоп, как ДУС относится к числу гироскопов средней точности (при отсутствии воздействий погрешность составляет 1 – 10 град/час, именно в этих единицах указываются все ошибки, обусловленные различными воздействиями;

- гироскоп выпускается в двух модификациях: с аналоговым и цифровым выходами, данные параллельно приводятся для обеих модификаций, многие данные совпадают;

- указывается наличие автономных средств компенсации по разным факторам (часто таких средств нет и компенсация осуществляется программно в составе комплекса), предусмотрено для уменьшения влияния фактора переменности температура предусмотрено термостатирование ;

- приводятся данные о начальном смещении нуля, случайная составляющая (неясно, постоянная по времени или переменная), задаваемая только среднеквадратичным значением, - дрейфом; случайная составляющая на порядок ниже и ее уровень не изменяется от пуска к пуску;

- проводится разделение начального смещения нуля и на порядок большей в заданном диапазоне температур составляющей, по-видимому при отсутствии термостабилизации;

- отдельно выделен рассматриваемый, как случайный показатель разброса от пуска к пуску («повторяемость от включения к включению»), он на порядок больше показателя «начальное смещение нуля»;

- отдельно выделен показатель «случайное блуждание», смысл которого не вполне ясен; по размерности можно догадаться, что это – показатель дрейфа в строгом смысле, т.е. он характеризует случайным образом нарастающую во времени составляющую (типа интеграла от белого шума);

- стационарный шум при отсутствии воздействий, по-видимому, считается белым, его интенсивность может быть оценена по среднеквадратичному значению в полосе частот до 100 Гц;

- виброиспытания, по-видимому, проводились в режиме воспроизведения стационарных широкополосных процессов виброускорений; при этом в выходном сигнале датчика проявляется также широкополосный шум, приводится его относительное среднеквадратичное значение (отнесенное к среднеквадратичному значению виброускорения);

-наряду с этим приводится показатель виброустойчивости, который, не определен, но, по-видимому, характеризует виброускорения (также широкополосные случайные), при которых происходит нарушение режима нормальной работы датчика;

- отдельно приводится характеристика сохранности (вибропрочности) при действии вибраций в процессе транспортировки, соответствующие значения виброускорений в несколько раз меньше, чем в предыдущем пункте;

- по удароустойчивости задаются большие уровни ускорений, на порядок большие, чем виброускорения, но приращения скорости при ударе малы (примерно 15 м/с);

- для масштабного коэффициента приводится пределы допустимых отклонений; приведенное значение (0,1 %) часто встречается в паспортных данных многих микромеханических приборов, правильность этого показателя часто подвергается сомнению;

- для отклонений от линейной характеристики приводятся допуски (как часто встречается, это неправильно называется нелинейностью;

- наряду с временем запуска приводится на два порядка большее время выхода на режим, в котором обеспечивается получение на требуемыйвсех метрологических характеристик;

- как основной показатель надежности приводится средняя наработки на отказ (500 часов), однако неясно, является этот показатель, очень редко фигурирующий в паспортных характеристиках, просто нормативно установленным, или он должен подтверждаться долговременными испытаниями.

Гироскоп Sensor ADIS16136 (фирма Analog Devices)

Диапазон измерений ±450°/с

Шум (среднеквадратическое значение): 0,0036 ^o/с/√Гц

Стабильность смещения нуля в установившихся рабочих условиях: 3,5 °/час

Случайный уход по углу: 0,16 ^o/√час

Температурный коэффициент смещения: +0,00125 ^o/с/^oC

Температурный коэффициент чувствительности: +/-35 ppm/^oC

Ширина полосы: 380 Гц

Время запуска при включении питания: 180 мс

Это один из немногих примеров перечня показателей для гироскопов низкой точности, для которых главное – работоспособность. Основные особенности следующие:

- приводятся данные о нестабильности смещения нуля, но нет сведений о начальных смещениях;

- по шуму (по-видимому, широкополосному, принимаемому за белый в пределах полосы пропускания) приводится среднеквадратичное значение в пределах этой полосы;

- приводятся данные о скорости дрейфа, который считается случайным («случайный уход по углу»);

- применительно к оцениванию влияния температуры приводятся два коэффициента влияния на один градус;

- какие-либо сведения о масштабном коэффициенте не приводятся.

Технические характеристики гироскопа (?)

Параметр	Предельный диапазон значений	Номинальное или типовое значение
Напряжение питания	2,7 —3,6 В	3 В
Диапазон измерения	75, 150, 300, 900 град/сек	-
Чувствительность (аналоговый выход)	13,3, 6,7, 3,3, 1,0 мВ/град/сек	-
Температурное смещение чувствительности	+/- 3%	+/- 1 %
«Ноль» Ѕ напряжения питания – ср. 133В. отклонение (температурное отклонение)	+/- 3 град/сек	+/- 1 %
Нестабильность ср. 133В. погрешности	-	±1,5 град/сек
Ширина полосы (ослабление -3 дБ)	75 Гц – задается пользователем при использовании внешнего конденсатора	Аналоговый выход до 160 Гц Цифровой выход 150 Гц
Плотность шума	0,025 град/сек/√ (Гц)	0,01 град/сек/√ (Гц)
Случайный временной уход	-	0,28 град/сек/√ (Гц)
Рабочая температура	-40…+85 град Цельсия -40 … +100 (при ограниченной работоспособн.)	-
Температура хранения	-55 … +125 град Цельсия	-
Удары	3500 g в течение до 500 мкс 500 g в течение 1 мс 1 полуволна при включенном 100 g 6 мс при включенном	- - -
Вибрация	3,5 g в диапазоне 10 Гц – 5 кГц при включенном	-
Время включения	0,5 с	< 0,3 с

Основные особенности следующие

- указано напряжение питание и допустимые пределы его изменения

- прибор выпускается в четырех модификациях соответственно на четыре диапазона измерения, они различаются масштабным коэффициентом (назван чувствительностью);

- предусмотрено два варианта выхода: аналоговый и цифровой;

- частотный диапазон устанавливается по снижению амплитудно-частотной характеристики (на 3 дБ), причем предусматривается использование низкочастотного фильтра;

- проводится неясное разделение случайной составляющей погрешности: шум (белый) низкого уровня и стационарный временной уход высокого уровня; они представляются в одной форме;

- допустимые ударные воздействия представляются в нескольких вариантах соотношений между пиковыми значениями и длительностями, причем уточняется, когда определяется сохранность (при выключенном приборе), а когда сохранение рабочего режима (при включенном);

- виброиспытания предусмотрены для синусоидального закона.

По результатам анализа и сопоставления данных, относящихся к различным датчикам, могут быть сделаны следующие выводы:

- в номенклатуре паспортных данных имеются значительные различия, объемы перечней характеристик для разных приборов различаются в несколько раз, тем не менее во всех случаях метрологические (точностные) характеристики составляют значительную часть; для более точных гироскопов обычно данные более подробные;

- порядок перечисления показателей для различных приборов сильно различается, иногда первые важнейшие показатели (диапазон измерения, масштабный коэффициент) приводятся в конце перечня;

- у некоторых приборов имеются модификации, различающиеся типом выходных сигналов (аналоговые или цифровые), по ним данные обычно приводятся раздельно;

- в качестве динамической характеристики чаще всего приводится ширина полосы пропускания по частоте, что, по-видимому, объясняется простотой проведения необходимых для этого испытаний на вибростенде (регистрируется частота, на которой амплитуда выходного сигнала быстро спадает), но не приводятся никакие сведения о диапазонах относительно малых динамических погрешностей и о фазо-частотных характеристиках;

- не всегда приводятся данные о важнейшем показателе – о масштабном коэффициенте, он иногда называется иначе, обычно отсутствуют сведения о диапазоне его изменения по экземплярам;

- во всех случаях обращается внимание на случайные составляющие погрешностей, как правило приводится уровень спектральной плотности (по-видимому, средний в полосе пропускания;

- почти во всех случаях приводятся сведения о постоянной составляющей погрешности, которая обычно отождествлятся со смещением нуля, но лишь иногда проводится более полный разбор (начальное смещение нуля, разброс по экземплярам, его изменения от пуска к пуску и пр.);

- в немногих случаях оценивается влияние ориентации прибора относительно вертикали, действия постоянных перегрузок, вибрации и пр.;

- по отношению к испытаниям на вибрации и удары, если эти сведения приводятся, ограничиваются приведением параметров этих воздействий, при которых гарантированно сохраняется работоспособность;

- там, где приводятся сведения о виброустойчивости, часто имеется в виду задание при испытаниях случайного закона виброускорений, для чего необходимы специальные стенды, при том, то информация о свойствах испытуемого прибора от проведения таких испытаний гораздо труднее содержательно интерпретируется;

- почти везде приводятся какие-то сведения о влиянии изменений температуры, но в одних случаях это коэффициент влияния, а в других случаях – изменение показателя точности при изменениях температуры во всем диапазоне;

- нигде не приводятся сведения о резонансных эффектах, нарушающих нормальный режим работы;

- нигде не фигурирует такой показатель, как порог чувствительности;

- имеются значительные различия в используемой терминологии, вследствие чего не всегда ясно применительно к разным приборам, идет ли речь об одних и тех же, но по-разному названных, или о различных показателях; некоторые термины просто неправильны (например, «нелинейность масштабного коэффициента».