CN106441369B - 光纤环的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤环的测试系统，包括测试主机和与测试主机连接的用于放置光纤环的温度激励装置；温度激励装置包括上部腔体及与上部腔体密封安装的下部腔体；上部腔体内设置有光纤环；下部腔体内设置有第一加热/制冷体和与第一加热/制冷体连接的第一控制电路，用于根据接收的温度控制信号驱动第一加热/制冷体对上部腔体内部的温度进行控制；测试主机包括：主机体；设置于主机体内部的光纤陀螺系统，用于对光纤环进行测试生成测试数据；设置于主机体内的电路主板，用于向第一控制电路发送温度控制信号，并采集光纤陀螺系统生成的测试数据。本发明可有效提升对光纤环的检测效率。

Description

光纤环的测试系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤环的测试系统。

背景技术

光纤陀螺(Fiber Optic Gyro,FOG)基于Sagnac效应，也即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。一束光进入光纤环的闭合光路中，被分成两束在同一光路中沿闭合光路相对传播，当光路不发生旋转的时候，两束光会同时回到光的初始注入点，这种情况下，光路的特性称之为是具有互易性(光从两个方向入射的效果是相同的)。在光路发生转动的时候，与旋转同向传播的光会比反向传播的光所经历的路程要长(这个时候的光路被称之为具有非互易性)。从而产生了与转动角速度成正比的光程差。这个光程差可以通过干涉法测量，这种光路中的相应变化可通过光电探测器将干涉信号转变成电压信号输出来检测，由于输出信号与转动引起的相位差是呈余弦函数关系，为了获得高灵敏度，需要调制来施加偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点。

光纤环是光纤角度传感器(又称光纤陀螺)的传感核心，它的缠绕质量的好坏直接决定光纤陀螺的精度。光纤环在绕制过程中需要采用特殊缠绕方式，精密绕制技术，完善的封装工艺，来保证光纤环具有高质量的静态特性(低的偏振串音、低的插入损耗等)和高质量的瞬态特性(抗振动、抗冲击、不受环境温度和磁场的影响)。

光纤环在具体的应用中会受到由机械张力、振动、冲击和温度梯度等因素引起的环境干扰，当环境干扰对相向传播的两束光信号影响不同时，会产生附加相位漂移误差。这种瞬态效应会妨碍Sagnac相位差的精确检测，实际应用中温度梯度造成的瞬态效应尤为突出。

当沿光纤环存在着一个随时间变化的温度分布梯度时，光纤陀螺就会产生热导致非互易性相位误差，这种因为热导致的非互易性称之为热导致互易性，表达这种互易性相位误差程度的参数可称之为热致非互易性参数。这种由温度梯度造成的瞬态效应被称之为Shupe效应。Shupe效应主要的扰动来自温度梯度造成的折射率变化。

因此，要提高光纤陀螺的精度，必须确保光纤环的质量。通常对光纤环质量的检测装置均需要借助高低温箱和陀螺系统，这种装置组装不便，移动不便，成本高昂，且测试准备时间长、测试误差较大。

发明内容

基于此，有必要提供一种光纤环的测试系统，提升对光纤环的测试效率和精度。

一种光纤环的测试系统，包括测试主机和与所述测试主机连接的用于放置所述光纤环的温度激励装置；

所述温度激励装置包括上部腔体及与所述上部腔体密封安装的下部腔体；

所述上部腔体内设置有光纤环；

所述下部腔体内设置有第一加热/制冷体，用于通过下部腔体的上平台传导能量对上部腔体的内部进行制热或制冷；

所述下部腔体内设置有与所述第一加热/制冷体连接的第一控制电路，用于根据接收的温度控制信号驱动所述第一加热/制冷体对上部腔体内部的温度进行控制；

所述测试主机包括：

主机体；

设置于所述主机体内部的光纤陀螺系统，与所述光纤环连接，用于对所述光纤环进行测试生成测试数据；

设置于所述主机体内的电路主板，所述电路主板连接所述第一控制电路和所述光纤陀螺系统，用于向所述第一控制电路发送温度控制信号，并采集所述光纤陀螺系统生成的测试数据。

在其中一个实施例中，所述上部腔体内部还设置有温度传感器，用于采集上部腔体内部的温度数据并传递至所述电路主板，实现温度分布数据采集和温度的反馈控制。

在其中一个实施例中，所述测试系统还包括与所述电路主板连接的计算机；

所述计算机包括：

第一模块，用于通过温度变化程序设置温度曲线，并根据所述温度曲线生成温度控制信号发送至所述电路主板；

第二模块，用于接收所述温度传感器采集的温度数据，并判断所述温度数据是否与所述温度曲线相吻合；

第三模块，用于接收所述电路主板采集的所述光纤陀螺系统生成的测试数据，并根据所述测试数据判断所述光纤环的质量。

在其中一个实施例中，所述第二模块通过判断当前时间点接收的所述温度传感器采集的温度数据与温度曲线上的温度之间的差的绝对值是否大于预定偏差值以判断接收的所述温度传感器采集的温度数据是否与所述温度曲线相吻合。

在其中一个实施例中，所述上部腔体内部设置有安装于所述上平台上用于支撑所述光纤环的支脚和第一横杆，所述上部腔体内部还设置有将所述光纤环罩在内部的第一孔罩。

在其中一个实施例中，所述上部腔体内部设置有安装于所述上平台上用于支撑所述光纤环的下隔热体和第二横杆，所述上部腔体内部还设置有将所述光纤环罩在内部的第二孔罩，所述光纤环的中空位置设置有贴合于所述下隔热体的传热体和设置于所述传热体之间的第二加热/制冷体，所述第二孔罩的顶部还设置有上隔热体。

在其中一个实施例中，所述第二加热/制冷体连接有第二控制电路，用于驱动所述第二加热/制冷体产生与所述第一加热/制冷体相反的能量使光纤环内部产生轴向的热梯度分布。

在其中一个实施例中，所述上部腔体内部设置有将所述光纤环罩在内部的第三孔罩，所述第三孔罩内部设置有安装于所述上平台上用于支撑所述光纤环的第三横杆，所述第三孔罩内部还设置有嵌套于所述光纤环上的外隔热体和内隔热体，所述上部腔体内部还设置有与所述外隔热体连接的隔热挡板，所述上部腔体顶部设置有壳板和设置于所述壳板上的第三加热/制冷体。

在其中一个实施例中，所述第三加热/制冷体连接有第三控制电路，用于驱动所述第三加热/制冷体产生与所述第一加热/制冷体相反的能量使光纤环内部产生径向的热梯度分布。

在其中一个实施例中，所述第一加热/制冷体(140)为半导体制冷片TEC。

以上所述光纤环的测试系统中，仅通过测试主机和温度激励装置即可实现对光纤环质量的检测，因此，整个测试系统安装简单，且不需要测试准备时间；电路主板在接收温度控制信号后可以传递至第一加热/制冷体对上部腔体内的温度进行控制，实现快速对上部腔体内的温度进行控制，可有效提升对光纤环的检测效率。

附图说明

图1为一实施例的光纤环的测试系统的结构示意图；

图2为一实施例的光纤环的测试系统的连接框图；

图3为一实施例的光纤环温度激励装置的剖视图；

图4为另一实施例的光纤环温度激励装置的剖视图；

图5为另一实施例的光纤环温度激励装置的剖视图；

图6为光纤环的常温零偏稳定性测试图；

图7为光纤环的高低温SHUPE系数测试图；

图8为光纤环的高低温零偏稳定性测试图；

图9为光纤环的等效不对称度测试图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，一实施例的光纤环的测试系统包括测试主机1100和与测试主机1100连接的用于放置光纤环的温度激励装置1200；

温度激励装置1200包括上部腔体120及与上部腔体120密封安装的下部腔体110；

上部腔体120内设置有光纤环130；

下部腔体110内设置有第一加热/制冷体140，用于通过下部腔体110的上平台111传导能量对上部腔体120的内部进行制热或制冷；

下部腔体110内设置有与第一加热/制冷体140连接的第一控制电路，用于根据接收的温度控制信号驱动第一加热/制冷体140对上部腔体内部的温度进行控制；

测试主机1100包括：

主机体1110；

设置于主机体1110内部的光纤陀螺系统1120，与光纤环130连接，用于对光纤环130进行测试生成测试数据；

设置于主机体1110内的电路主板1130，电路主板1130连接第一控制电路和光纤陀螺系统1120，用于向第一控制电路发送温度控制信号，并采集光纤陀螺系统1120生成的测试数据。

以上所述光纤环的测试系统中，仅通过测试主机和温度激励装置即可实现对光纤环质量的检测，因此，整个测试系统安装简单，且不需要测试准备时间；电路主板在接收温度控制信号后可以传递至第一加热/制冷体对上部腔体内的温度进行控制，实现快速对上部腔体内的温度进行控制，可有效提升对光纤环的检测效率。

如图2所示，光纤陀螺系统1120通过两根光纤与光纤环130连接，电路主板1130通过导线与第一控制电路和光纤陀螺系统1120连接。其中，光纤陀螺系统1120与光纤环130连接形成光纤陀螺可以对光纤环130进行测试生成测试数据。

电路主板1130可以将接收到的温度控制信号发送至第一控制电路驱动第一加热/制冷体140制热或制冷，从而使上部腔体内部的温度与温度控制信号相符合。

可以知道的是，本实施例中，温度激励装置1200可以根据光纤环的尺寸具体选择，不同的大小的光纤环采用不同大小的温度激励装置。

上部腔体120内部还设置有温度传感器，用于采集上部腔体120内部的温度数据并传递至电路主板1130。

如图1所示，测试系统还包括与电路主板1130连接的计算机1300；

计算机1300包括：

第一模块，用于通过温度变化程序设置温度曲线，并根据温度曲线生成温度控制信号发送至电路主板；

第二模块，用于接收温度传感器采集的温度数据，并判断温度数据是否与温度曲线相吻合；

第三模块，用于接收电路主板采集的光纤陀螺系统生成的测试数据，并根据测试数据判断光纤环的质量。

可以知道的是，计算机1300与电路主板1130连接，以上第一模块、第二模块、第三模块是计算机通过软件程序实现的相应功能。

其中，第二模块通过判断当前时间点接收的温度传感器采集的温度数据与温度曲线上的温度之间的差的绝对值是否大于预定偏差值以判断接收的温度传感器采集的温度数据是否与温度曲线相吻合。

在其中一个实施例中，为使光纤环四周获得均匀的受热，如图3所示，上部腔体120内部设置有安装于上平台111上用于支撑光纤环130的支脚121和第一横杆122，上部腔体120内部还设置有将光纤环130罩在内部的第一孔罩123。第一孔罩123开有若干冷热传导孔。第一加热/制冷体140产生的能量通过上平台111的通孔传递至上部腔体120内，并进一步通过传导孔传递至第一孔罩123内部，从而调节第一孔罩123内部温度。支脚121和第一横杆122使光纤环130与第一加热/制冷体140悬空隔开，有利于能量传递。其中，第一孔罩123可以使其内部的温度更快地达到目标温度。以上设置可以使光纤环130四周的温度相同，有利于在某一恒温条件下测试光纤环。

为了达到更好的恒温效果，为了使上部腔体120内部温度保持住，如图3所示，优选的，上部腔体120上设置有上隔热层124和侧隔热层125。上隔热层124和侧隔热层125可以减少上部腔体120内部温度的扩散，有利于处于稳定的温度环境。

在其中一个实施例中，如图4所示，上部腔体120内部设置有安装于上平台111上用于支撑光纤环130的下隔热体310和第二横杆320，上部腔体120内部还设置有将光纤环130罩在内部的第二孔罩330，光纤环130的中空位置设置有贴合于下隔热体310的传热体340和设置于传热体340之间的第二加热/制冷体350，第二孔罩330的顶部还设置有上隔热体360。第二加热/制冷体350连接有第二控制电路，用于驱动第二加热/制冷体350产生与第一加热/制冷体140相反的能量使光纤环内部产生轴向的热梯度分布。

在其中一个实施例中，如图5所示，上部腔体120内部设置有将光纤环130罩在内部的第三孔罩410，第三孔罩410内部设置有安装于上平台111上用于支撑光纤环130的第三横杆420，第三孔罩410内部还设置有嵌套于光纤环130上的外隔热体430和内隔热体440，上部腔体120内部还设置有与外隔热体430连接的隔热挡板470，上部腔体120顶部设置有壳板450和设置于壳板450上的第三加热/制冷体460。第三加热/制冷体460连接有第三控制电路，用于驱动第三加热/制冷体460产生与第一加热/制冷体140相反的能量使光纤环内部产生径向的热梯度分布。

另一实施例中，下部腔体110的外侧设置有与第一控制电路连接的温控平台190。温控平台190上设置有状态显示屏、功能按键和对外接口，功能按键用于设置上部腔体120内的目标温度、从上部腔体120内的当前温度到达预设温度的斜率、从当前温度到达目标温度之间温度不同斜率曲线组合，对外接口用于连接外部设备对光纤环温度激励装置进行监控。

以上所述第一加热/制冷体140、第二加热/制冷体350、第三加热/制冷体460均为TEC半导体制冷器(Thermoelectric Cooler)，TEC制冷器的工作原理是两个陶瓷片之间夹有制冷半导体，当电流正向流动，其中一个陶瓷片发热而另外一侧陶瓷片制冷；当电流反向流动的时候，制冷和发热片会互换。所以，通过改变TEC制冷器的控制电流方向，就可以进行受热或制冷，从而控制温度变化。

对于不同的实现方式，电路主板1130与对应的第二加热/制冷体350的第二控制电路或第三加热/制冷体460的第三控制电路连接，电路主板1130接收计算机传递的温度控制信号并传递至第一加热/制冷体140的第一控制电路和对应的第二加热/制冷体350的第二控制电路，或者第一加热/制冷体140的第一控制电路和对应的第三加热/制冷体460的第三控制电路，从而实现对温度的控制。

另一实施例中，上部腔体120、下部腔体110、第一孔罩123、第二孔罩330、第三孔罩410均采用圆形设计，其结构的尺寸可以根据光纤环130的大小具体设计。温控平台190可以是半导体温控平台或者其它温度控制组件，其可以根据下部腔体110的尺寸大小而具体设计。

在其中一个实施例中，下部腔体110的上平台111上设置有凹槽，第一孔罩123、第二孔罩330、第三孔罩410通过嵌入凹槽与下部腔体110密封安装。凹槽可以保证良好的密封性。为使第一孔罩123、第二孔罩330、第三孔罩410与下部腔体110的结合，第一孔罩123、第二孔罩330、第三孔罩410均设置有若干磁性触点，第一孔罩123、第二孔罩330、第三孔罩410通过磁性触点可以吸合于凹槽表面，同时，第一孔罩123、第二孔罩330、第三孔罩410的底部与凹槽表面接触的边缘可以通过密封圈咬合以进一步提升密封性，阻止内外空气流动。

本实施例中，当需要检测光纤环130的质量时，用户可以通过应用程序设置相应的温度曲线，计算机1300可以根据设置的温度曲线生成温度控制信号，温度曲线可以为各种曲线，包括斜率为某一值的直线(包括温度固定为某一值的直线或递增或递减的直线)，或者斜率为变化的曲线。温度控制信号会被发送至电路主板1130，电路主板1130进一步将温度控制信号发送至第一加热/制冷体140，第一加热/制冷体140会根据温度控制信号制热或制冷，使上部腔体120内的温度升高、降低或保持平衡。这样，即可检测光纤环130在某一温度下或在具有某一斜率的直线下的质量。

可以知道的是，在第一加热/制冷体140根据温度控制信号控制上部腔体120内的温度变化时，需要判断上部腔体120中的温度是否为设置的温度曲线上对应的温度。为此，本实施例中，上部腔体120内的温度传感器采集的温度数据会被传递至计算机1300。具体的，温度传感器采集的温度数据可以通过第一驱动电路至电路主板1130并最终传递至计算机1300，也可以设置直接传递至计算机1300，如为温度传感器设置无线发送模块等。计算机1300接收到温度数据后，通过判断当前时间点接收的温度传感器采集的上部腔体120内的温度与温度曲线上对应点的温度之间的差的绝对值是否大于预定偏差值以判断接收的温度传感器采集的温度数据是否与温度曲线相吻合。如果绝对值较大，则上部腔体120内的温度并不是需要的温度，则进行重新运算并发出温度控制信号，对上部腔体120内的温度进行升温或者降温，通过这种反馈体系保证上部腔体120内的温度变化按照设置的温度曲线进行。

当上部腔体120内的温度固定或发生变化时，为获取光纤环130的质量，需要获取光纤环130的测试数据。光纤陀螺系统1120的光源发出的光被Y波导分成两束后，一束通过一根光纤发送至光纤环130上，当其携带温度测试数据后，再通过另一根光纤返回至光纤陀螺系统1120。光纤陀螺系统1120将测试数据经电路主板1130处理后发送至计算机1300，计算机1300对测试数据进行分析。本实施例中，对光纤环的测试包括常温零偏测试、高低温性能测试、等效不对称度测试等。

如图2所示，本实施例中，测试主机1100外侧设置有与电路主板连接的端口1101，可以是USB接口等，电路主板1130通过此端口1101可以连接计算机1300。

本实施例中，为方便供电，测试主机1100中设置有与外部市电连接的电源模块，可以为电路主板及整个测试主机1100提供电源。

作为另一种实现方式，也可以在温度激励装置1200的外壳外侧设置适配器接口，用于连接匹配的适配器为温度控制模块提供电源。优选的，本实施例中，匹配的适配器输入：100～240V 50～60Hz，输出：12V 10A。

如图6所示，为对光纤环的常温零偏测试图，其中，测试主机1100内置高精度光纤陀螺系统1120，因此，本实施例的测试系统可以测量光纤环的零偏系列指标。其中测试获取的具体参数如下：

光纤环长度：1120m

测试温度：常温

数据类型：100s平滑

标度因数：0.0053°/h

零偏：8.287°/h

零偏稳定性：0.0043°/h。

如图7所示，为光纤环的高低温SHUPE系数测试图。

如图8所示，为光纤环的高低温零偏稳定性测试图。

如图9所示，本实施例可以方便地测得光纤环的等效不对称长度，根据测试结果可以对光纤环进行后期的补偿和修正，得到更加优异的高低温响应特性。本实施例中的具体指标如下：

本实施例采用测试主机和温度激励装置即可实现对光纤环的质量的检测，整体成本小，组装简单，且连接方便。尤为重要的是，本实施例中，对光纤环质量的检测精确度高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光纤环的测试系统，其特征在于，包括测试主机(1100)和与所述测试主机(1100)连接的用于放置所述光纤环的温度激励装置(1200)；

所述温度激励装置(1200)包括上部腔体(120)及与所述上部腔体(120)密封安装的下部腔体(110)；

所述上部腔体(120)内设置有光纤环(130)以及用于支撑光纤环(130)的横杆；

所述下部腔体(110)内设置有第一加热/制冷体(140)，光纤环(130)与所述第一加热/制冷体(140)悬空隔开，所述第一加热/制冷体(140)用于通过下部腔体(110)的上平台(111)传导能量对上部腔体(120)的内部进行制热或制冷；

所述下部腔体(110)内设置有与所述第一加热/制冷体(140)连接的第一控制电路，用于根据接收的温度控制信号驱动所述第一加热/制冷体(140)对上部腔体内部的温度进行控制；

所述测试主机(1100)包括：

主机体(1110)；

设置于所述主机体(1110)内部的光纤陀螺系统(1120)，与所述光纤环(130)连接，用于对所述光纤环(130)进行测试生成测试数据；

设置于所述主机体内的电路主板(1130)，所述电路主板(1130)连接所述第一控制电路和所述光纤陀螺系统(1120)，用于向所述第一控制电路发送温度控制信号，并采集所述光纤陀螺系统(1120)生成的测试数据。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述上部腔体(120)内部还设置有温度传感器，用于采集上部腔体(120)内部的温度数据并传递至所述电路主板(1130)，实现温度分布数据采集和温度的反馈控制。

3.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括与所述电路主板(1130)连接的计算机(1300)；

所述计算机(1300)包括：

第一模块，用于通过温度变化程序设置温度曲线，并根据所述温度曲线生成温度控制信号发送至所述电路主板；

第二模块，用于接收所述温度传感器采集的温度数据，并判断所述温度数据是否与所述温度曲线相吻合；

第三模块，用于接收所述电路主板采集的所述光纤陀螺系统生成的测试数据，并根据所述测试数据判断所述光纤环的质量。

4.根据权利要求3所述的测试系统，其特征在于，所述第二模块通过判断当前时间点接收的所述温度传感器采集的温度数据与温度曲线上的温度之间的差的绝对值是否大于预定偏差值以判断接收的所述温度传感器采集的温度数据是否与所述温度曲线相吻合。

5.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述上部腔体(120)内部设置有安装于所述上平台(111)上用于支撑所述光纤环(130)的支脚(121)和第一横杆(122)，所述上部腔体(120)内部还设置有将所述光纤环(130)罩在内部的第一孔罩(123)。

6.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述上部腔体(120)内部设置有安装于所述上平台(111)上用于支撑所述光纤环(130)的下隔热体(310)和第二横杆(320)，所述上部腔体(120)内部还设置有将所述光纤环(130)罩在内部的第二孔罩(330)，所述光纤环(130)的中空位置设置有贴合于所述下隔热体(310)的传热体(340)和设置于所述传热体(340)之间的第二加热/制冷体(350)，所述第二孔罩(330)的顶部还设置有上隔热体(360)。

7.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，所述第二加热/制冷体(350)连接有第二控制电路，用于驱动所述第二加热/制冷体(350)产生与所述第一加热/制冷体(140)相反的能量使光纤环内部产生轴向的热梯度分布。

8.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述上部腔体(120)内部设置有将所述光纤环(130)罩在内部的第三孔罩(410)，所述第三孔罩(410)内部设置有安装于所述上平台(111)上用于支撑所述光纤环(130)的第三横杆(420)，所述第三孔罩(410)内部还设置有嵌套于所述光纤环(130)上的外隔热体(430)和内隔热体(440)，所述上部腔体(120)内部还设置有与所述外隔热体(430)连接的隔热挡板(470)，所述上部腔体(120)顶部设置有壳板(450)和设置于所述壳板(450)上的第三加热/制冷体(460)。

9.根据权利要求8所述的测试系统，其特征在于，所述第三加热/制冷体(460)连接有第三控制电路，用于驱动所述第三加热/制冷体(460)产生与所述第一加热/制冷体(140)相反的能量使光纤环内部产生径向的热梯度分布。

10.根据权利要求1－9任一项所述的测试系统，其特征在于，所述第一加热/制冷体(140)为半导体制冷片TEC。

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