CN105241441B - 一种适合小型化闭环光纤陀螺光纤传感环圈的设计方法 - Google Patents
一种适合小型化闭环光纤陀螺光纤传感环圈的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光纤传感环圈技术领域，具体涉及一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法。本发明通过优化光纤环圈设计，采纳光纤交叉缠绕方式，实现每层内不同供纤轮提供光纤的分布，同时，不同层之间实行不同的垫纸，在不满足四级对称的条件下减小非互易性相位误差。通过该方法设计的小型化光纤传感环圈，与传统四级绕制成的小型化光纤传感环圈相比，可以更好的满足小型化闭环光纤陀螺的应用，而且更为实用、简单。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感环圈技术领域，具体涉及一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法。
背景技术
作为新一代光、电一体的角速率传感器光纤陀螺，小型化是其发展的主流方向之一，于2013年6月第二届光纤陀螺与光纤传感技术及产业发展论坛上，众专家及科研机构代表明确提出发展小型化光纤陀螺的目标。然而，目前小型化光纤陀螺却存在着很多问题，如噪声大、精度低、性能差等严重制约光纤陀螺小型化的发展，为改善小型化陀螺性能，首先从传感器表头出发，通过针对闭环光纤陀螺用小型化光纤传感环圈进行分析及实验研究，归纳出一种适合小型化光纤陀螺用的光纤环圈制作方法。
一般情况下，考虑到抑制光纤陀螺中的Shupe误差，在设计光纤传感环圈过程中往往选择四级、八级或者更高的对称缠绕方法来改善陀螺温度特性。而小型化光纤传感环圈，由于光纤长度短(目前为几十米)，不一定满足传统四级对称缠绕方法的要求，而且，在实验中发现，小型化光纤传感环圈不同的设计制作会对光纤陀螺系统产生的影响差别较大，如零偏性能。
因此，针对小型化闭环光纤陀螺的应用，亟需研制一种适合其应用的光纤传感环圈的设计方法，以提高目前小型化光纤陀螺的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对当前光纤陀螺小型化强烈发展需求而提供一种新的适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈设计方法，通过优化光纤环圈设计，采纳新的缠绕方法，使得所设计的新型小型化光纤传感环圈能更好的满足小型化闭环光纤陀螺的应用，以改善小型化光纤陀螺性能，拓展小型化光纤陀螺的应用领域，推动光纤陀螺小型化的发展。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，包括以下步骤：
(1)环圈光纤参数设计
此步骤中环圈光纤参数包括选择光纤长度L、环圈平均直径尺寸D，选择的理论依据为散粒噪声与附加强度噪声共同决定陀螺精度；
散粒噪声对应的陀螺精度
附加强度噪声对应的陀螺精度
散粒噪声和附加噪声综合对对应的陀螺精度
式中，λ表示光纤波长，c表示光速，e表示电子电荷电量，B表示噪声测量的带宽，RD表示光电探测器的转换频率，φb表示陀螺的偏置相位，P表示到达探测器的光功率；
将式(1)、式(2)与(3)化简为式(4)与式(5)，以进行曲线拟合。
Y＝f(LD) (5)
式中，比例系数常数常数
根据式(4)与式(5)将陀螺精度与光纤长度L、环圈直径D之间的关系拟合成曲线，再在满足环圈平均直径尺寸D≥2Rc的约束条件下选取环圈直径D值，Rc表示根据光纤性质确定的弯曲损耗限制的最小弯曲半径；然后确定光纤长度L；
(2)环圈骨架结构体设计
此步骤是对结构体参数的选择，包括环圈内径d0、环圈外径d1与环圈高度h；其中，结构体参数根据式(6)选择。
式(6)中，d单为单模光纤外径，d偏为保偏光纤外径，M、N均为整数，M表示环圈传感层中每层的保偏光纤匝数，N表示环圈传感层中的保偏光纤层数；
(3)环圈缓冲层设计
先在光纤外围垫两层棉纸，然后分左右两轮，按照两级对称的缠绕方法从环圈边沿位置缠绕两层单模光纤，缠绕结束后垫两层棉纸；
当温度变化造成环圈结构发生热胀冷缩时通过缓冲层防止环圈受挤压；
(4)环圈传感层设计
环圈传感层在环圈缓冲层外围，由保偏光纤完成，间隔垫纸，垫一层；
分前后两轮，由保偏光纤完成，从环圈骨架中间位置开始，保偏光纤之间互相交叉且平均分布，共缠绕N层，每缠绕两层后垫一层棉纸；缠绕结束后垫两层棉纸；
(5)环圈保护层设计
环圈保护层，由两层单模光纤完成，分左右两轮，按照与环圈缓冲层相反的两级对称缠绕方法从环圈边沿位置缠绕两层单模光纤，缠绕结束后垫两层棉纸。
进一步的，如上所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，环圈传感层中的保偏光纤层数N为4的倍数。
进一步的，如上所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，棉纸的材料是镜头纸。
进一步的，如上所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，噪声测量的带宽B＝0.1。
进一步的，如上所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，在环圈中间设置分界线，在分界线的一侧设置划纹。
本发明技术方案通过优化光纤环圈设计，采纳光纤交叉缠绕方式，实现每层内不同供纤轮提供光纤的分布，同时，不同层之间实行不同的垫纸，在不满足四级对称的条件下减小非互易性相位误差。通过该方法设计的小型化光纤传感环圈，与传统四级绕制成的小型化光纤传感环圈相比，可以更好的满足小型化闭环光纤陀螺的应用，而且更为实用、简单。
附图说明
图1为小型化光纤传感环圈制作的设计流程图；
图2为根据光纤参数设定的环圈骨架结构体示意图；
图3为最终设计出的小型化光纤传感环圈示意图
图中：d1、环圈外径尺寸；do、环圈内径尺寸；h、环圈高度；1、双层棉纸；2、缓冲层；3、光纤环圈传感；4、单层棉纸；5、保护层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行进一步详细说明。
一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)环圈光纤参数设计
此步骤中环圈光纤参数包括选择光纤长度L、环圈平均直径尺寸D，选择的理论依据为散粒噪声与附加强度噪声共同决定陀螺精度；
散粒噪声对应的陀螺精度
附加强度噪声对应的陀螺精度
散粒噪声和附加噪声综合对对应的陀螺精度
式中，λ表示光纤波长，c表示光速，e表示电子电荷电量，B表示噪声测量的带宽，RD表示光电探测器的转换频率，φb表示陀螺的偏置相位，P表示到达探测器的光功率；在本具体实施例及其他中低精度光纤陀螺小型化设计中，B取值0.1。
将式(1)、式(2)与(3)化简为式(4)与式(5)，以进行曲线拟合。
Y＝f(LD) (5)
式中，比例系数常数常数
根据式(4)与式(5)将陀螺精度与光纤长度L、环圈直径D之间的关系拟合成曲线，再在满足环圈平均直径尺寸D≥2Rc的约束条件下选取环圈直径D值，Rc表示根据光纤性质确定的弯曲损耗限制的最小弯曲半径；然后确定光纤长度L；
(2)环圈骨架结构体设计
此步骤是对如图2所示的结构体参数的选择，包括环圈内径d0、环圈外径d1与环圈高度h；其中，结构体参数根据式(6)选择。
式(6)中，d单为单模光纤外径，d偏为保偏光纤外径，M、N均为整数，M表示环圈传感层中每层的保偏光纤匝数，N表示环圈传感层中的保偏光纤层数，在本具体实施例中，N为4的倍数；
在本具体实施例中，设定好尺寸后，在环圈中间设置明显的分界线，且环圈一侧设置明显的划纹，防止棉纸滑动或脱落，造成环圈不稳定。
(3)环圈缓冲层设计
先在光纤外围垫两层棉纸，然后分左右两轮，按照两级对称的缠绕方法从环圈边沿位置缠绕两层单模光纤，缠绕结束后垫两层棉纸；
当温度变化造成环圈结构发生热胀冷缩时通过缓冲层防止环圈受挤压；
在本具体实施例中，棉纸的材料是镜头纸。
(4)环圈传感层设计
环圈传感层在环圈缓冲层外围，由保偏光纤完成，间隔垫纸，垫一层；
分前后两轮，由保偏光纤完成，从环圈骨架中间位置开始，保偏光纤之间互相交叉且平均分布，共缠绕N层，每缠绕两层后垫一层棉纸；缠绕结束后垫两层棉纸；
(5)环圈保护层设计
环圈保护层，由两层单模光纤完成，分左右两轮，按照与环圈缓冲层相反的两级对称缠绕方法从环圈边沿位置缠绕两层单模光纤，缠绕结束后垫两层棉纸。
经过上述设计后，即可得到如图3所示的适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈。
Claims (5)
1.一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)环圈光纤参数设计
此步骤中环圈光纤参数包括选择光纤长度L、环圈平均直径尺寸D，选择的理论依据为散粒噪声与附加强度噪声共同决定陀螺精度；
散粒噪声对应的陀螺精度
附加强度噪声对应的陀螺精度
散粒噪声和附加噪声综合对应的陀螺精度
式中，λ表示光纤波长，c表示光速，e表示电子电荷电量，B表示噪声测量的带宽，RD表示光电探测器的转换频率，φb表示陀螺的偏置相位，P表示到达探测器的光功率；
将式(1)、式(2)与(3)化简为式(4)与式(5)，以进行曲线拟合；
<mrow>
<mi>Y</mi>
<mo>=</mo>
<mi>K</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfrac>
<msup>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>/</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msup>
<mrow>
<mi>L</mi>
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</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
<msqrt>
<mi>P</mi>
</msqrt>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mi>c</mi>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
Y＝f(LD) (5)
式中，比例系数常数常数
根据式(4)与式(5)将陀螺精度与光纤长度L、环圈直径D之间的关系拟合成曲线，再在满足环圈平均直径尺寸D≥2Rc的约束条件下选取环圈直径D值，Rc表示根据光纤性质确定的弯曲损耗限制的最小弯曲半径；然后确定光纤长度L；
(2)环圈骨架结构体设计
此步骤是对结构体参数的选择，包括环圈内径d0、环圈外径d1与环圈高度h；其中，结构体参数根据式(6)选择；
式(6)中，d单为单模光纤外径，d偏为保偏光纤外径，M、N均为整数，M表示环圈传感层中每层的保偏光纤匝数，N表示环圈传感层中的保偏光纤层数；
(3)环圈缓冲层设计
先在光纤外围垫两层棉纸，然后分左右两轮，按照两级对称的缠绕方法从环圈边沿位置缠绕两层单模光纤，缠绕结束后垫两层棉纸；
当温度变化造成环圈结构发生热胀冷缩时通过缓冲层防止环圈受挤压；
(4)环圈传感层设计
环圈传感层在环圈缓冲层外围，由保偏光纤完成，间隔垫纸，垫一层；
分前后两轮，由保偏光纤完成，从环圈骨架中间位置开始，保偏光纤之间互相交叉且平均分布，共缠绕N层，每缠绕两层后垫一层棉纸；缠绕结束后垫两层棉纸；
(5)环圈保护层设计
环圈保护层，由两层单模光纤完成，分左右两轮，按照与环圈缓冲层相反的两级对称缠绕方法从环圈边沿位置缠绕两层单模光纤，缠绕结束后垫两层棉纸。
2.如权利要求1所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，其特征在于：环圈传感层中的保偏光纤层数N为4的倍数。
3.如权利要求1所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，其特征在于：棉纸的材料是镜头纸。
4.如权利要求1所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，其特征在于：噪声测量的带宽B＝0.1。
5.如权利要求1所述的一种适合小型化闭环光纤陀螺用的光纤传感环圈的设计方法，其特征在于：在环圈中间设置分界线，在分界线的一侧设置划纹。
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