CN105021180B - 一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺，包括光源、光电探测器、光纤耦合器、信号处理器、光学调制器和干涉部件，干涉部件包括两个光纤环和隔热装置，隔热装置包括内腔和外腔，内腔和外腔上下之间安装有硬质绝缘圈，内腔内安装有导热槽，两个光纤环对称安装在导热槽的两侧，导热槽上开有小孔，两个光纤环相对应的一端拼接并且拼接点位于导热槽的小孔处，两个光纤环的引出端从导热槽上的其他小孔引出，分别穿过内腔和外腔，一个光纤环的引出端和光学调制器的第一输出端相连，另一个光纤环的引出端和光学调制器的第二输出端相连，密封导热槽上的小孔，密封内腔和外腔。本发明具有温度稳定性高的优点。

Description

一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤传感、光纤陀螺、绕纤技术、热分析领域，尤其涉及适用于温度条件苛刻的一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格奈克效应的新一代的角速度传感器。较传统的机械式转子陀螺，光纤陀螺具有全固态、启动时间短、无转动部件、寿命长、结构简单等优点，基于此光纤陀螺已成为惯性领域需求的主流仪器。因此，进一步提高光纤陀螺精度和可靠性，对惯性器件领域至关重要。而光纤陀螺的精度和可靠性极大的依赖于其重要组成部分光纤环的性能及可靠性。在光纤中，温度的变化能导致折射率、长度、侧压力的变化，这些依次会影响光纤中光传播的相位。这种效应对光纤陀螺非常不利。因此必须采取相关技术手段来抑制温度引起的漂移。通常情况下会采用改进光纤环的绕制技术、算法补偿等手段来降低温度效应引起的光纤陀螺漂移。这些措施虽然在一定程度上抑制了温度漂移，但效果不太理想。单个光纤环采用复杂的绕环工艺理论上能实现光纤中点两侧的热扰动相同，但实际绕制几乎无法实现，智能算法在离线情况下虽然能够很好的温漂补偿，但是数据量大实时性太差几乎无法使用。

从温度对光纤环影响机理分析，难点主要在于要在一个光纤环上实现中点两侧光纤空间对称，同时又要实现光纤环温度分布对称。如果能将此两种因素分离开，那么温度对光纤环的影响将迎刃而解。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度稳定性强的，光纤环采用双环设计的光纤陀螺。

一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺，包括光源、光电探测器、光纤耦合器、信号处理器、光学调制器和干涉部件，

干涉部件包括两个光纤环和隔热装置，隔热装置包括内腔和外腔，内腔和外腔上下之间安装有硬质绝缘圈，内腔内安装有导热槽，两个光纤环对称安装在导热槽的两侧，导热槽上开有小孔，两个光纤环相对应的一端拼接并且拼接点位于导热槽的小孔处，两个光纤环的引出端从导热槽上的其他小孔引出，分别穿过内腔和外腔，一个光纤环的引出端和光学调制器的第一输出端相连，另一个光纤环的引出端和光学调制器的第二输出端相连，密封导热槽上的小孔，密封内腔和外腔。

本发明一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺，还可以包括：

光源发出的光通过光纤耦合器分成两束光，一束光通过光学调制器的输入端，另一束光被衰减；光学调制器将接收的光进行调制后由第一输出端和第二输出端分别输出到干涉部件的两个光纤环进行传输后，返回到光学调制器，通过光纤耦合器传送给光电探测器，光电探测器根据接收的信号，测量出对应两个光纤环的干涉光的频率差，传送给信号处理器得到载体的角速度。

有益效果：

本发明所用的光纤环是有两个几何参数和绕法相同的小光纤环采用背靠背的方式拼接而成，拼接点即为传统单个光纤环光纤的中点，能够真正实现光纤环中点两侧光纤环圈空间上对称，同时设计一个隔热装置保证光纤环中点两侧每一环圈温度分布对称且同一环圈温度相同，从而解决温度分布对称性问题。因此，采用两个光纤环和与之配套的隔热装置能够解决光纤陀螺的温度漂移问题。

附图说明

图1是本发明基于双环法光纤陀螺组成；

图2是本发明基于双环法的隔热装置设计示意图；

图3是本发明的两个光纤环采用柱形绕法示意图；

图4是本发明的两个光纤环采用四极对称绕法示意图；

图5是本发明干涉部件在不同时间下截面仿真意图；图5(a)为10分钟时的仿真图，图5(b)为100分钟时的仿真图，图5(c)为200分钟时的仿真图，图5(d)为260分钟时的仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的在于提供一种具有较好的温度稳定性，且适用于批量化生产的光纤陀螺器件。

本发明的目的是这样实现的：

包含由连结光纤连接的光源1、光电检测器2、保偏光纤耦合器3、全数字闭环处理电路4、光学调制器5，还包含一个由两个光纤环和与之配套的隔热装置组成的干涉部件6。所述干涉部件装配方法为取两个相同的光纤环601和602分布别放置于两背靠背导热槽603内，其中一个环做180°翻转，保证两个光纤环每一环圈都相互对称，将其中一个光纤环的一端穿过两背靠背面中间的一个小孔613然后与另一个光纤环相对应的那一端拼接，然后将拼接口拉回圆孔固定，后圆孔堵死。将剩余两光纤端头从导热槽603上其它小孔引出后小孔密封。用胶分布固定两个光纤环于背靠背面上，两个光纤环上分别放置胶垫，然后盖上内腔壁上盖604和下盖605后压死固定，密封上下盖缝隙。外腔壁610内先放置两硬质绝缘圈608，把引出的两个光纤端头从外腔壁610上小孔引出，然后把601、602、603、604、605组成内腔放置于两硬质绝缘圈上，再在内腔壁上盖604上再放置两硬质绝缘圈。放置外腔壁上盖611，固定压死密封。所述干涉部件引出的两个光纤端头分别于光学调制器5的第一输出端b和第二输出端c相连，光源1发出的光通过保偏光纤耦合器3分成两束光，一束光通过保偏光纤耦合器3后由光学调制器的输入端a进入光学调制器5，再由光学调制器的第一输出端b和第二输出端c输出，并注入干涉部件内光纤环中，然后同时沿顺时针和逆时针方向进行传输，再分别通过光学调制器返回到保偏耦合器3，通过保偏耦合器3到达光电检测器2，根据光电检测器上检测到的信号，测量顺时针和逆时针方向干涉光的频率差，通过全数字闭环处理电路4运算处理，得到运载体的角速度Ω，保偏光纤耦合器3的另一束光进入死头被衰减。

1、连结光纤为单模熊猫保偏光纤，光纤环所需光纤可采用保偏光纤、光子晶体光纤。

2、两光纤环按相同的工艺绕制，其环圈直径、绕纤形状、体积、纤长都相等。所述的绕制方法只需保证光纤环的绕制工艺具有可重复性，其绕制方法可采用柱形绕法、单极对称绕法、两极对称绕法、四极对称绕法、八极对称绕法、交叉式四极对称绕法、或立体绕法(crossover-free)。

3、隔热装置分为内腔和外腔，外腔壁和内腔壁603、604、605、610、611采用铜、合金等导热性好的材料，608采用硬质绝热材料。

4、隔热装置工作机理为：当不均匀的外部温度作用到隔热装置的外腔壁时，因为外腔壁导热性好，热量迅速传遍整个外腔壁，然后经过外腔内的绝热空气609和硬质绝热圈缓慢向内腔壁传热，达到内腔壁时基本上使内腔壁温度分布均匀，即使存在微量温度不均匀，由于内腔壁导热性良好，也能迅速使内腔壁快速达到均匀，不影响给腔体内的光纤环提供一个相对稳定对称的温度环境。

5、光源为宽带掺铒光纤超荧光光源；所述光学调制器为铌酸锂集成光学调制器。

本发明公开了一种光纤陀螺敏感环采用双环的设计思想。按特定的绕环工艺绕制两个几何参数相同的光纤环，然后按特定的方法拼接两个光纤环，使其分别充当传统单个光纤环中点两侧的光纤段。最终实现拼接点两侧每匝光纤空间上对称。同时设计了与之配套的隔热装置，使拼接点两侧温度分布也达到面对称和轴对称。最终实现通过光纤环自身抑制温漂。

一种双环法的光纤陀螺仪，包含由光源1、光电探测器2、光纤耦合器3、信号处理电路4、光学调制器5，还包括两个光纤环和与之配套的隔热装置组成的干涉部件6，所述两个光纤环的直径、绕纤部分形状体积长度均相同采用背靠背的放置方式，隔热装置保证上下两个光纤环温度分布对称且沿轴向相同。

按相同的工艺绕制两个光纤环，其环圈直径、绕纤形状、体积、纤长都相等，然后将两个光纤环拼接组成光纤环系统，所述绕制方法、光纤材质和装配方法如下：

1)只要保证光纤环的绕制工艺具有可重复性，其绕制方法可采用柱形绕法、单极对称绕法、两极对称绕法、四极对称绕法、八极对称绕法、交叉式四极对称绕法、或立体绕法(crossover-free)。

2)连结光纤为单模熊猫保偏光纤，光纤环所需光纤可采用单模光纤，保偏光纤，或者光子晶体光纤。

3)两个光纤环装配方法如下：取两个相同的光纤环背靠背放置于导热槽内，其中一个环180°翻转，保证两个光纤环每一环圈都相互对称，然后分别取两个光纤环相对称的两个端头进行拼接固定，最后调整两个光纤环，使其最终达到两个环的拼接口即为拼接后成为一个单一环圈长度的中点，即拼接口两侧光纤长度相同，同时保证拼接口两侧光纤环每一圈光纤都沿背靠背面空间对称。

保证腔体内放置的两个光纤环温度分布沿背靠背面面对称和轴向对称。具体为：

1)隔热装置可分为内腔和外腔，内腔和外腔都是封闭的腔体，内腔分为上腔和下腔分别放置两个光纤环，光纤环内侧外侧都留有空隙，上侧下侧都紧密压死防止光纤环在腔体内游动。

2)外腔充满空气609，通过四个硬质的绝热圈608支持起内腔使其悬置于外腔中。

3)外腔壁610、611和内腔壁603、604、605可以采用铜、合金等导热性好的材料。

4)隔热装置的工作机理如下：当不均匀的外部温度作用到隔热装置的外腔壁时，因为外腔壁导热性好，热量迅速传遍整个外腔壁，然后经过外腔内的绝热空气和硬质绝热圈缓慢向内腔壁传热，达到内腔壁时基本上使内腔壁温度分布均匀，即使存在微量温度不均匀，由于内腔壁导热性良好，也能迅速使内腔壁快速达到均匀，不影响给腔体内的光纤环提供一个相对稳定对称的环境。

双环法的光纤陀螺组成如图1所示，图中所有的器件均由单模熊猫型保偏光纤连接；宽带掺铒光纤超荧光光源1发出的光通过保偏光纤耦合器3分成两束；其中一束通过保偏光纤耦合器3后由铌酸锂集成光学调制器5的输入端a进入到铌酸锂光纤调制器5，由光学调制器分为两等份，再由铌酸锂集成光学调制器5的输出端b和c输出，并注入干涉部件6中的两个光纤环中。

本发明干涉部件6中的隔热装置设计如图2所示，隔热装置分为内腔和外腔，内腔壁603、604、605和外腔壁610、611都为硬质的良导热材料，内腔壁和外腔壁之间用空气609作为绝热介质，为了支撑起内腔壁和其内部的光纤环，四个硬质的绝热环圈608放置其中，图2中612为线圈轴线。

本发明干涉部件6中的光纤环采用双环设计，光纤环的绕法首先选择工艺最简单，可重复性最大的柱形绕法如图3所示。因为柱形绕法是光纤环一端沿一个方向绕制，无需进行跨层或交叉，利于实现光纤环绕制的可重复性。其次采用目前已经成熟的四极对称绕法如图4所示。而对于干涉部件6中的隔热装置，首选硬度和导热性好的铜材料，硬质绝热材料选择聚甲醛(POM)。

通过有限元方法建模仿真分析了干涉部件在变温环境下的的温度分布效果，载荷边界条件为：初始温度为20℃，温度载荷温度在20℃和70℃之间进行变化，在每个整数温度点保持10分钟，温变速率为±1℃/min，先升温后降温。截取4个时间点的温度分布图，如图5所示。虽然图片不太清晰但是不同的灰度值代表不同的温度值，依然可以清晰表达干涉部件截面的温度分布。在图5的(a)(b)(c)(d)四幅图中，每一幅图的虚框内上环601和下环602的灰度值都能保持上下对称，则既可说明设计的隔热装置能够给两个光纤环提供一个上下面对称和轴向对称的温度环境。

光纤环和隔热装置安装步骤如下：取两个相同的光纤环601和602分布别放置与两背靠背导热槽603内，其中一个环做180°翻转，保证两个光纤环每一环圈都相互对称，将其中一个光纤环的一端穿过两背靠背面中间的一个小孔613然后与另一个光纤环相对应的那一端拼接然后将拼接口拉回圆孔固定，后圆孔堵死。将剩余两光纤端头从导热槽603上其它小孔引出后小孔堵死。用胶分布固定两个光纤环于背靠背面上，两个光纤环上分别放置胶垫，然后盖上内腔壁上盖604和下盖605压死，密封上下盖缝隙。外腔壁610内先放置两硬质绝缘圈608，把引出的两个光纤端头从外腔壁上小孔引出，然后把601、602、603、604、605组成内腔放置于两硬质绝缘圈上，再在内腔壁上盖604上再放置两硬质绝缘圈。放置外腔壁上盖611，固定压死密封。

装配完毕后，干涉部件6可保证其内部的光纤环实现中点两侧光纤环圈空间上对称同时两个光纤环温度分布沿背靠背面和轴向对称，能够实现通过光纤环自身最大程度的抵消温度引起漂移，从而提高陀螺精度。

Claims (2)

1.一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺，其特征在于：包括光源、光电探测器、光纤耦合器、信号处理器、光学调制器和干涉部件，

干涉部件包括两个光纤环和隔热装置，隔热装置包括内腔和外腔，内腔和外腔上下之间安装有硬质绝缘圈，内腔内安装有导热槽，两个光纤环对称安装在导热槽的两侧，导热槽上开有小孔，两个光纤环相对称的两个端头拼接并且拼接点位于导热槽的小孔处，两个光纤环的引出端从导热槽上的其他小孔引出，分别穿过内腔和外腔，一个光纤环的引出端和光学调制器的第一输出端相连，另一个光纤环的引出端和光学调制器的第二输出端相连，密封导热槽上的小孔，密封内腔和外腔。

2.根据权利要求1所述的一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺，其特征在于：光源发出的光通过光纤耦合器分成两束光，一束光通过光学调制器的输入端，另一束光被衰减；光学调制器将接收的光进行调制后由第一输出端和第二输出端分别输出到干涉部件的两个光纤环进行传输后，返回到光学调制器，通过光纤耦合器传送给光电探测器，光电探测器根据接收的信号，测量出对应两个光纤环的干涉光的频率差，传送给信号处理器得到载体的角速度。