CN106525077B - 一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法,将一根光纤从中点处分成相等的A、B两段,预先分别绕在两个供纤轮上,将光纤中点固定在绕制骨架的轮轴与轮缘相交处,光纤A沿轮轴纵向绕制光纤环的第1层,光纤B沿轮轴纵向绕制光纤环的第2层,然后光纤B回绕完成第3层,接着光纤A回绕完成第4层,按照自外向内的方式以4层为周期交替绕完所有光纤,完成四极对称绕制结构。本智力成果在对称绕制的基础上,首次引入自外向内对称绕制的概念,将其与传统对称绕法相结合,形成自外向内对称绕制方法,该方法可应用于任何传统对称绕法,并大幅提高光纤环圈温度特性,例如自外向内四极绕法、自外向内八极绕法和自外向内十六极绕法等。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域,尤其是一种可以大幅提高光纤陀螺温度特性,包括抗温度冲击性能的高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法。
背景技术
光纤陀螺作为新型的光学陀螺仪表,具有全固态结构、可靠性高、寿命长、精度覆盖广、启动速度快、响应时间短、测量范围大、动态范围宽、抗冲击和振动、体积小、重量轻、成本低、全光电子器件、适合大批量生产等优点,已被广泛的应用于军、民用领域中。光纤环圈是光纤陀螺的传感核心,其绕制质量直接决定光纤陀螺的温度特性。当沿着光纤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的非互易性相位误差,称之为Shupe效应。当距离光纤环中点相同的两段光纤经历同样的温度变化,Shupe效应将被抵消,因此光纤环缠绕方式广泛采用对称绕法,例如四极绕法(United States Patent,US5841932)、八级绕法和十六极绕法(United States Patent,US005475774)。Shupe误差与光纤陀螺感知地球转速的Sagnac效应无法区分,将严重降低光纤陀螺的实际探测精度。特别当应用环境存在温度大冲击时,即便采用现有最为优化的十六极对称绕制方案,光纤环圈中残余的温度误差仍然很大,严重劣化高精度光纤陀螺的温度性能。因此需要进一步优化设计提高光纤环圈温度特性,特别是抗温度冲击特性。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处,采用三维光纤环圈温度模型,提供一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法,大幅降低温度冲击对光纤陀螺的影响。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的:
一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法,其特征在于:将一根光纤从中点处分成相等的A、B两段,预先分别绕在两个供纤轮上,将光纤中点固定在绕制骨架的轮轴与轮缘相交处,光纤A沿轮轴纵向绕制光纤环的第1层,光纤B沿轮轴纵向绕制光纤环的第2层,然后光纤B回绕完成第3层,接着光纤A回绕完成第4层,按照自外向内的方式以4层为周期交替绕完所有光纤,完成四极对称绕制结构。
而且,所述的自外向内对称绕制的概念是将温度权重因子大的光纤部分放置在环圈最内侧,将温度权重因子小的光纤部分放置在环圈最外侧。
而且,利用自外向内对称绕制的方法绕制出由一个正向四极结构和一个反向四极结构绕制成的一个八极对称绕制结构。
而且,利用自外向内对称绕制的方法绕制出由一个正向八极结构和一个反向八极结构绕制成的一个十六极对称绕制结构。
本发明的优点和积极效果是:
本智力成果在对称绕制的基础上,首次引入自外向内对称绕制的概念,将其与传统对称绕法相结合,形成自外向内对称绕制方法,该方法可应用于任何传统对称绕法,并大幅提高光纤环圈温度特性,例如自外向内四极绕法、自外向内八极绕法和自外向内十六极绕法等。
附图说明
图1是光纤环圈由光纤中点开始绕制示意图;
图2是传统四极对称绕制示意图;
图3是自外向内四极对称绕制示意图;
图4是传统与自外向内十六极对称绕法温度特性对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例;需要说明的是,本实施例是叙述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
为了更好的理解本发明的技术方案,首先对现有的常见绕法进行说明:
光纤环圈的起绕时是将一根光纤从中点处分成相等的A、B两段,预先分别绕在两个供纤轮上(如图1所示),将光纤中点固定在绕制骨架的轮轴与轮缘相交处。如图2所示,对于传统的四极对称绕法,光纤A沿轮轴纵向绕制光纤环的第1层,光纤B沿轮轴纵向绕制光纤环的第2层,然后光纤B回绕完成第3层,接着光纤A回绕完成第4层,自内向外以4层为周期交替绕完所有光纤。由绕法可知,每4层之间光纤A与B交替地互为补偿,径向温度梯度造成的干扰抵消程度更大,对轴向温度梯度造成的干扰有很小的改善,此绕法很大程度上消除由径向温度梯度造成的相位漂移。图2中传统四极绕法的光纤环总长度为L,设总层数为8层,A代表逆时针绕制的4层,其中包括光纤环的第1、4、5和8层,B代表顺时针绕制的4层,其中包括光纤环的第2、3、6和7层。d为光纤环径向尺寸。v代表光纤环总长度以总层数等分的标识,xv代表第v段光纤在光纤环径向上位置分布。例如v=1对应0~L/8的长度部分,这一长度部分在光纤环径向上的位置x1为6d/7;v=8对应7L/8~L的长度部分,这一长度部分在光纤环径向上的位置x8为7d/7。
八极绕法由四极绕法和反四极绕法组成。四极绕法如上文所述,反四极绕法采用四极绕法相反的绕制顺序。根据绕法可知,八极绕法中每8层之间光纤A与B交替地互为补偿,径向温度梯度造成的干扰抵消更为彻底,但对轴向温度梯度造成的干扰抑制改善仍不大,八极绕法充分地消除了径向温度梯度引起的相关误差。
十六极绕法由八极绕法和反八极绕法组成。八极绕法如上文所述,反八极绕法采用八极绕法相反的绕制顺序。由绕法可知,十六极绕法中每16层之间光纤A与B交替地互为补偿,径向温度梯度造成的干扰可基本上消除,对轴向温度梯度造成的干扰有些改善。十六极绕法不仅在很大程度上消除径向温度梯度引起的误差,还能较有效地抑制轴向温度梯度引起的误差。
随着光纤陀螺应用精度和环境适应性需求的不断提高,例如大温度冲击等,现有光纤环圈的温度性能不足以法满足市场对高精度光纤陀螺的要求,因此需要进一步提升光纤环圈的温度性能。
本智力成果,在前人研究的基础上,基于三维光纤环圈温度模型,深入分析了光纤环圈热致误差速率产生机理。
热致误差速率Ωe三维表达式如公式1所示,式中n为石英材料的折射率,D为光纤环直径,L为光纤总长度,β0=2π/λ0为光在真空中的传播常数,为石英材料的折射率温度系数,为沿光纤温度分布的变化率,i和j分别代表从光纤中点开始绕环逆时针绕制的第i圈和顺时针绕制的第j圈,NCCW和NCW分别为逆时针总圈数和顺时针总圈数,ri和rj分别为逆时针第i圈缠绕半径和顺时针第j圈缠绕半径,zi和zj分别为逆时针第i圈轴向尺寸和顺时针第j圈轴向尺寸,si0和sj0分别为逆时针第i圈绕制起点到光纤中点的距离和顺时针第j圈绕制起点到光纤中点的距离,θ为每圈光纤与此圈绕制起点之间的张角(逆时针时θ变化范围为0~2π,顺时针时θ变化范围为-2π~0)。
由三维模型可见式中的si0和sj0,在传统对称绕法中随着光纤环由内层向外层的绕制过程不断增大,这两个参数相当于权值,表明传统绕法光纤环的外环对温度变化的响应更为敏感,而在实际应用场合温度冲击突变恰恰也来自外在。机理决定了即便采用温度误差抑制最优的传统十六极绕法,仍旧无法较好的抑制温度冲击。
本发明研制出了一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法,将一根光纤从中点处分成相等的A、B两段,预先分别绕在两个供纤轮上,将光纤中点固定在绕制骨架的轮轴与轮缘相交处,光纤A沿轮轴纵向绕制光纤环的第1层,光纤B沿轮轴纵向绕制光纤环的第2层,然后光纤B回绕完成第3层,接着光纤A回绕完成第4层,按照自外向内的方式以4层为周期交替绕完所有光纤,完成四极对称绕制结构。上述的自外向内对称绕制的概念是将温度权重因子大的光纤部分放置在环圈最内侧,将温度权重因子小的光纤部分放置在环圈最外侧。
本发明不但适用于四极绕制,还适用于八极以及十六极绕制:
利用自外向内对称绕制的方法绕制出由一个正向四极结构和一个反向四极结构绕制成的一个八极对称绕制结构。
利用自外向内对称绕制的方法绕制出由一个正向八极结构和一个反向八极结构绕制成的一个十六极对称绕制结构。
本专利首次提出自外向内对称绕制的概念,将温度权重因子大的光纤部分放置在环圈最内侧,将温度权重因子小的光纤部分放置在环圈最外侧,从本质上大幅提升环圈温度特性,特别是抗温度冲击性能。自外向内绕制可与现有任何传统对称绕法结合,形成自外向内对称绕制方法,例如图3中的自内向外四极对称绕法,有图可见温度权重因子小的光纤部分放置在环圈最外侧。
图4为传统十六绕法与自外向内十六极绕法抗温度冲击特性对比,模拟光纤陀螺从室温25℃直接放置到温度为50℃的环境,有图可见,自外向内对称绕法相比传统对称绕法在抗温度冲击性能上提高一个数量级以上。
Claims (3)
1.一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法,其特征在于:将一根光纤从中点处分成相等的A、B两段,预先分别绕在两个供纤轮上,将光纤中点固定在绕制骨架的轮轴与轮缘相交处,光纤A沿轮轴纵向绕制光纤环的第1层,光纤B沿轮轴纵向绕制光纤环的第2层,然后光纤B回绕完成第3层,接着光纤A回绕完成第4层,按照自外向内的方式以4层为周期交替绕完所有光纤,完成四极对称绕制结构;
所述的自外向内对称绕制的概念是将温度权重因子大的光纤部分放置在环圈最内侧,将温度权重因子小的光纤部分放置在环圈最外侧。
2.根据权利要求1所述的一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法,其特征在于:利用自外向内对称绕制的方法绕制出由一个正向四极结构和一个反向四极结构绕制成的一个八极对称绕制结构。
3.根据权利要求1所述的一种高效抑制光纤陀螺环圈温度误差的绕制方法,其特征在于:利用自外向内对称绕制的方法绕制出由一个正向八极结构和一个反向八极结构绕制成的一个十六极对称绕制结构。
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