CN106782004B - 一种基于光纤陀螺的教学仪器 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤陀螺的教学仪器，具体涉及教学实验仪器领域，包括光纤陀螺、单轴转台、电气控制盒、信号源、示波器和计算机。光纤陀螺固定在单轴转台的载物台上，电气控制盒分别与光纤陀螺、单轴转台、信号源、示波器和计算机连接。电气控制盒一方面通过单轴转台向光纤陀螺提供电源输入，并将信号源提供的调制信号输出至光纤陀螺；另一方面，将光纤陀螺的开环探测器输出信号输出至示波器显示，同时将光纤陀螺闭环数字输出信号输出至计算机。本发明将光纤陀螺基本光路结构以实物和原理相结合的方式展现给学生，将多种实验功能集成于一体，拓展了实验涉及的知识体系，提高了对实验设备的利用率，更加简单易懂。

Description

一种基于光纤陀螺的教学仪器

技术领域

本发明涉及教学实验仪器领域，具体涉及一种基于光纤陀螺的教学仪器。

背景技术

陀螺是惯性技术的关键器件之一，主要用于角速度的测量。早期的陀螺是机电式的，如挠性陀螺、液浮陀螺或静电陀螺等，但上述陀螺均具有体积大、结构复杂和成本高的缺点。1913年，萨格奈克效应的发现，以及随后激光器、光纤的发明和相关技术的飞速进步，为基于萨格奈克效应的光纤陀螺奠定了理论和技术基础。光纤陀螺与传统的机电式陀螺相比，具有体积小、重量轻、成本低、无运动部件、耐恶劣工作环境和电磁兼容性好等优点。随着光纤陀螺各项关键技术的逐步成熟，光纤陀螺作为一种新型的角速度传感器，已经广泛应用于陆地、航空、航天和航海等领域。

光纤陀螺技术可谓光纤传感领域之集大成者，其内容涉及光源相干性、光的干涉、光的偏振、电光调制和微弱信号检测等技术，属于一种典型的光电混合知识体系。目前，光纤陀螺已经成功应用于高、中、低精度的惯性导航设备中，然而现有的教学仪器不能反映光纤陀螺内部的信号特征，在教学实验中学生只能笼统的观察到光纤陀螺的应用结果，不能直观地观察到光纤陀螺的工作原理。

发明内容

本发明为了演示光纤陀螺的工作原理，了解光纤陀螺各个关键信号的特征，提供一种基于光纤陀螺的教学仪器，适用于光电相关专业的教学实验。

一种基于光纤陀螺的教学仪器，包括：光纤陀螺、单轴转台、电气控制盒、信号源、示波器和计算机。

光纤陀螺固定在单轴转台的载物台上，电气控制盒分别与光纤陀螺和单轴转台相连，同时分别与信号源、示波器和计算机连接。电气控制盒一方面通过单轴转台向光纤陀螺提供电源输入，并将信号源提供的调制信号输出至光纤陀螺；另一方面，将光纤陀螺的开环探测器输出信号输出至示波器显示，同时将光纤陀螺闭环数字输出信号输出至计算机。

光纤陀螺从上到下依次固定有机玻璃罩、顶层陀螺骨架和底层陀螺骨架；

顶层陀螺骨架的表面上按照光学信号传输原理固定安装有光源、耦合器、Y波导相位调制器、光纤环和探测器，Y波导相位调制器采用推挽式结构；

底层陀螺骨架上安装有信号接口电路板、信号处理电路板、光源控制电路板、无线通信电路板、电源接口、无线通信接口、信号接口和光源接口；其中信号接口电路板、信号处理电路板、光源控制电路板和无线通信电路板固定在位于底层陀螺骨架的底面上。

信号接口电路板通过导线分别与信号处理电路板、光源控制电路板、无线通信电路板、电源接口、信号接口和顶层陀螺骨架中的Y波导相位调制器相连；且信号接口电路板将信号接口接收的信号输出至Y波导相位调制器，和将信号处理电路板的输入信号处理后，分别输出至Y波导相位调制器和信号接口。

信号处理电路板分别连接信号接口电路、无线通信电路板和顶层陀螺骨架中的探测器；信号处理电路板通过探测器接收光纤陀螺的输出信号，进行数字信号处理后将闭环数字输出信号输出至无线通信电路板。

光源控制电路板通过导线与顶层陀螺骨架中的光源相连，它主要用于精确控制光源处于恒温和恒流工作状态。

无线通信电路板接收信号处理电路板输出的闭环数字输出信号，转换为无线电磁波后通过无线通信接口发送至电气控制盒。

电气控制盒由壳体和上盖组成，其中电气控制盒的壳体上安装有电源模块、无线通信电路板、220V电源接口、光纤陀螺电源接口、光纤陀螺信号接口、无线通信接口、调制信号输入接口、调制信号选择开关、探测器输出接口、串口和电源指示灯。

电源模块和无线通信电路板固定在壳体底板，壳体侧部开有各种接口。

电源模块通过导线和220V电源接口、光纤陀螺电源接口、无线通信电路板及电源指示灯相连，它将220V交流电转换为5V直流电压，向光纤陀螺和无线通信电路板供电，并通过电源指示灯显示供电状态；

无线通信电路板通过导线和串口相连，它通过无线通信接口接收无线电磁波信号，并转换为数字信号后输出至串口。

光纤陀螺信号接口通过导线和调制信号选择开关、调制信号输入接口与探测器输出接口相连，用于向光纤陀螺提供输入信号以及测试光纤陀螺的输出信号。

调制信号选择开关用于选择光纤陀螺工作在外部调制方式或者内部调制方式，其中外部调制方式是指Y波导相位调制器的调制信号由信号源提供，内部调制方式是指Y波导相位调制器的调制信号由光纤陀螺信号处理电路板自己产生；

探测器输出接口用于将光纤陀螺的探测器输出信号输出至示波器显示；串口用于将无线通信电路板输出的数字信号发送给计算机。

本发明的优点及有益效果在于：

1)一种基于光纤陀螺的教学仪器，将光纤陀螺基本光路结构以实物和原理相结合的方式展现给学生，更加简单易懂，印象深刻；

2)一种基于光纤陀螺的教学仪器，可以实现对光纤陀螺的光源特性、光纤环特征频率、Y波导相位调制器半波电压、开环探测器输出、闭环探测器输出和闭环数字输出的测试，将多种实验功能集成于一体，拓展了实验涉及的知识体系，提高了对实验设备的利用率；

3)一种基于光纤陀螺的教学仪器，除光源特性的测试之外，其它所有实验只需对电气控制盒面板操作即可实现，起到保护光纤陀螺的作用，可以延长仪器的使用寿命；

4)一种基于光纤陀螺的教学仪器，转台角速率测量过程中，电气控制盒通过无线方式接收光纤陀螺输出的数据，与传统采用转台滑环传输数据方式相比，不仅节省了通信电缆，还提高了数据传输的可靠性；

5)一种基于光纤陀螺的教学仪器，不仅有利于提高当代大学生的综合知识体系，还可以锻炼学生的实践动手能力。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于光纤陀螺的教学仪器整体装置示意图；

图2是光纤陀螺的结构示意图；

图3是光纤陀螺的顶层陀螺骨架的结构示意图；

图4是光纤陀螺的底层陀螺骨架的结构示意图；

图5是电气控制盒的结构示意图；

图6是电气控制盒的壳体结构示意图；

其中：

1-光纤陀螺； 2-单轴转台； 3-电气控制盒；

4-信号源； 5-示波器； 6-计算机；

11-顶层陀螺骨架； 12-底层陀螺骨架； 13-有机玻璃罩；

111-光源； 112-耦合器； 113-Y波导相位调制器；

114-光纤环； 115-探测器； 121-信号接口电路板；

122-信号处理电路板； 123-光源控制电路板； 124-无线通信电路板；

125-电源接口； 126-无线通信接口； 127-信号接口；

128-光源接口； 31-壳体； 32-上盖；

311-电源模块； 312-无线通信电路板； 313-220V电源接口；

314-光纤陀螺电源接口； 315-光纤陀螺信号接口； 316-无线通信接口；

317-调制信号输入接口； 318-调制信号选择开关； 319-探测器输出接口；

320-串口； 321-电源指示灯；

具体实施例

下面结合附图与具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明提出一种基于光纤陀螺的教学仪器，在掌握光纤陀螺工作原理的基础上，通过几个简单有趣的实验，使学生了解光纤陀螺的基本构成、关键参数、调制方式和信号检测方法，加深对光学萨格奈克效应的理解，增强对光纤陀螺相关知识的掌握。

本发明所述的一种基于光纤陀螺的教学仪器整体装置示意图如图1所示，具体包括：光纤陀螺1、单轴转台2、电气控制盒3、信号源4、示波器5和计算机6。

光纤陀螺1通过螺丝固定安装在单轴转台2的载物台上，电气控制盒3分别与光纤陀螺1和单轴转台2通过电缆相连，同时与信号源4、示波器5和计算机6分别连接。电气控制盒3、信号源4、示波器5和计算机6位于单轴转台2附近2米以内。

光纤陀螺1的结构示意图如图2所示，由上到下包括：有机玻璃罩13、顶层陀螺骨架11和底层陀螺骨架12，其中有机玻璃罩13用螺钉固定在顶层陀螺骨架11上，顶层陀螺骨架11用螺钉固定在底层陀螺骨架12的卡槽上。

顶层陀螺骨架11的结构如图3所示，其上安装有光纤陀螺光路结构的五大关键器件，具体包括：光源111、耦合器112、Y波导相位调制器113、光纤环114和探测器115，其中Y波导相位调制器113采用推挽式结构。由于顶层陀螺骨架11和有机玻璃罩13相连，因此通过有机玻璃罩13可以清晰的观察到光纤陀螺1的基本结构。为了更加形象的展示光纤陀螺1的基本原理，将光源111、耦合器112、Y波导相位调制器113、光纤环114和探测器115按照光学信号传输原理均匀的设计在顶层陀螺骨架11的表面，并用箭头表示光学信号的传输方向，首先光学信号由光源111传输到耦合器112，由耦合器112传输到Y波导相位调制器113后分成两束分别沿顺时针和逆时针方向进入光纤环114，然后经光纤环114的光信号返回至Y波导相位调制器113发生干涉，干涉后的光信号经过耦合器112，最后传输至探测器115。

底层陀螺骨架12的结构如图4所示，其上安装有信号接口电路板121、信号处理电路板122、光源控制电路板123、无线通信电路板124、电源接口125、无线通信接口126、信号接口127和光源接口128。信号接口电路板121、信号处理电路板122、光源控制电路板123和无线通信电路板124用螺丝固定于底层陀螺骨架12的底部。电源接口125和无线通信接口126位于底层陀螺骨架结构12的左侧臂，信号接口127和光源接口128位于底层陀螺骨架结构12的右侧臂。

信号接口电路板121通过导线分别与信号处理电路板122、光源控制电路板123、无线通信电路板124、电源接口125、信号接口127和顶层陀螺骨架中的Y波导相位调制器113相连，一方面它接收电源接口125提供的电源输入，分别向信号处理电路板122、光源控制电路板123、无线通信电路板124供电；另一方面它接收信号接口127的输入信号，经处理后输出至Y波导相位调制器113，并且接收信号处理电路板122的输入信号，经处理后输出至Y波导相位调制器113和信号接口127。

信号处理电路板122除与信号接口电路板121相连外，还通过导线与无线通信电路板124和顶层陀螺骨架中的探测器115相连，信号处理电路板122通过探测器115接收光纤陀螺1的输出信号，进行数字信号处理后将闭环数字输出信号输出至无线通信电路板124。

光源控制电路板123通过导线与顶层陀螺骨架中的光源111相连，它主要用于精确控制光源处于恒温和恒流工作状态。

无线通信电路板124接收信号处理电路板122输出的闭环数字输出信号，转换为无线电磁波后通过无线通信接口126发送至电气控制盒3。

电源接口125用于向光纤陀螺提供电源输入，无线通信接口126用于光纤陀螺1和电气控制盒3之间的无线通信。信号接口127用于连接光纤陀螺1和电气控制盒3之间的输入输出信号，光源接口128用于测试光纤陀螺的光源特性。

单轴转台2具有滑环输入接口和输出接口，用于电气控制盒3向单轴转台2载物台上的光纤陀螺1供电。

电气控制盒3在本发明所述的一种基于光纤陀螺的教学仪器中起着桥梁的作用，它一方面通过单轴转台2向光纤陀螺1提供电源输入，并将信号源4提供的调制信号通过电缆输出至光纤陀螺1的Y波导相位调制器113；另一方面，它将通过电缆接收的光纤陀螺开环探测器输出信号输出至示波器5显示，并将通过无线接收的光纤陀螺闭环数字输出信号输出至计算机6。基于计算机的软件可以接收和保存光纤陀螺的闭环数字输出数据，用于计算光纤陀螺的参数。

电气控制盒3的结构示意图如图5所示，它由壳体31和上盖32组成，壳体31为一体成型件，内部凹出一个长方体结构，用于安装电气控制盒内部元件。

电气控制盒3的壳体31结构图如图6所示，壳体31上安装有电源模块311、无线通信电路板312、220V电源接口313、光纤陀螺电源接口314、光纤陀螺信号接口315、无线通信接口316、调制信号输入接口317、调制信号选择开关318、探测器输出接口319、串口320和电源指示灯321。

其中电源模块311和无线通信电路板312用螺丝固定于壳体底板，220V电源接口313、光纤陀螺电源接口314和光纤陀螺信号接口315位于电气控制盒的后面板，无线通信接口316位于电气控制盒的左侧臂，调制信号输入接口317、调制信号选择开关318、探测器输出接口319、串口320和电源指示灯321位于电气控制盒的前面板。

电源模块311通过导线与220V电源接口313、光纤陀螺电源接口314、无线通信电路板312及电源指示灯321相连，它将220V交流电转换为5V直流电压，向光纤陀螺1和无线通信电路板312供电，并通过电源指示灯321显示供电状态；

无线通信电路板312通过导线和串口320相连，它通过无线通信接口316接收无线电磁波信号，将其转换为数字信号后输出至串口320；

220V电源接口313用于向电气控制盒3提供220V交流市电，它上面一体安装有电源开关；

光纤陀螺电源接口314用于将电源模块转换后的直流电压输出至光纤陀螺1；

光纤陀螺信号接口315通过导线和调制信号选择开关318、调制信号输入接口317与探测器输出接口319相连，用于向光纤陀螺1提供输入信号以及测试光纤陀螺的输出信号；

无线通信接口316用于光纤陀螺1和电气控制盒3之间的无线通信；

调制信号输入接口317用于将信号源4提供的调制信号输出至光纤陀螺1；

调制信号选择开关318用于选择光纤陀螺1工作在外部调制方式或者内部调制方式，其中外部调制方式是指Y波导相位调制器的调制信号由信号源提供，内部调制方式是指Y波导相位调制器的调制信号由光纤陀螺信号处理电路板自己产生；

探测器输出接口319用于将光纤陀螺的探测器输出信号输出至示波器5显示；

串口320用于将无线通信电路板输出的数字信号发送给计算机6；

电源指示灯321用于显示电气控制盒3的供电状态。

计算机6上安装有光纤陀螺数据采集软件，用于采集和保存光纤陀螺输出的闭环数字量信号。

本发明不仅能使学生通过直接观察了解光纤陀螺的基本原理，还可以通过一些有趣的动手实验加深对光纤陀螺的调制解调方式、闭环检测方法、关键参数概念及其计算方法的理解。基于本发明的实验内容可以分为三部分:静态实验、转台实验和数据处理。

在静态实验部分，学生可以完成对光源特性的测试、光纤环特征频率的测试、Y波导相位调制器半波电压的测试，观察不同调制方式时的开环探测器输出，以及观察方波调制时闭环探测器输出。静态实验部分的具体实验步骤如下：

1)按图1所示的示意图连接基于光纤陀螺的教学仪器中的所有电缆，其中光纤陀螺的电源接口和单轴转台的滑环输出接口相连，光纤陀螺的信号接口和电气控制盒的光纤陀螺信号接口相连，电气控制盒的220V电源接口和220V市电相连，电气控制盒的光纤陀螺电源接口和单轴转台的滑环输入接口相连，电气控制盒的调制信号输入接口和信号源相连，电气控制盒的探测器输出接口和示波器相连，电气控制盒的串口和计算机的串口相连；

2)打开220V电源接口的电源开关给电气控制盒供电，观察电气控制盒的电源指示灯是否正常，若是正常工作则电源指示灯为绿色；

3)将电气控制盒前面板的调制信号选择开关设置为外部调制方式；

4)同时打开信号源和示波器，设置信号源的初始输出波形为方波，幅值略小于Y波导相位调制器半波电压的估算值，频率略小于光纤环特征频率的估算值，按照设置参数输出方波波形，可以在示波器上观察到连续的方波脉冲信号；

5)调节信号源缓慢增大方波的输出频率，同时在示波器上观察到方波脉冲信号先变窄，然后继续变宽，当方波脉冲信号第一次最窄时对应的方波调制频率即为光纤环的特征频率；

6)上述步骤5)的基础上，保持信号源输出方波频率不变，调节信号源缓慢增大方波的输出幅值，同时在示波器上观察到探测器输出的偏置电压信号先减小，后增大的变化，当示波器上观察到的偏置电压第一次达到最小时对应的方波调制幅度即为相位调制器的半波电压；

7)设定信号源输出方波频率为光纤环的特征频率，方波电压为Y波导相位调制器半波电压的一半，从示波器观察探测器的输出，并手动轻微地来回旋转单轴转台，观察陀螺探测器输出信号的变化，与方波调制原理进行对比；

8)改变信号源输出波形为正弦波，然后缓慢调节正弦波的频率和幅度，从示波器观察探测器输出信号，并手动轻微地来回旋转单轴转台，观察探测器输出信号的变化，与正弦波调制原理进行对比；

9)改变信号源输出波形为锯齿波，重复步骤8)，观察探测器输出信号的变化；

10)切换调制信号选择开关，设置调制方式为内部调制方式，观察闭环光纤陀螺探测器输出信号，并手动轻微旋转陀螺，观察探测器输出信号的变化，与闭环光纤陀螺检测原理进行对比；

11)操作完毕，通过220V电源接口的电源开关给电气控制盒断电。

在转台实验部分，学生可以通过计算机上的软件采集软件得到不同转速条件下的陀螺输出，加深对萨格奈克效应的理解，具体实验步骤如下：

1)在上述静态实验部分的基础上，断开光纤陀螺的信号接口与电气控制盒的陀螺信号接口之间的电缆，断开电气控制盒的调制信号输入接口和信号源之间的电缆，断开电气控制盒的探测器输出接口和示波器之间的电缆，并确认电气控制盒前面板的调制信号选择开关设置为内部调制方式；

2)通过220V电源接口的电源开关给电气控制盒重新供电；

3)设定单轴转台为不同的转速时，启动基于计算机的数据采集软件，采集光纤陀螺输出的闭环数字量信号，并将采集数据保存；

4)观察不同转速条件下的光纤陀螺输出数据特征，加深对萨格奈克效应的理解；

5)操作完毕，通过220V电源接口的电源开关给电气控制盒断电。

在数据处理部分，学生根据上述转台实验得到的测试数据，依据光纤陀螺国家军用标准中光纤陀螺关键参数的计算方法，可以计算得到光纤陀螺的标度因数、标度因数非线性、零偏和零偏稳定性四个参数，加深对光纤陀螺参数概念的理解及其计算方法的掌握。

该教学仪器旨在加深学生对光纤陀螺原理和相关技术知识的掌握，通过该教学仪器可以完成：

1)光纤陀螺实物结构展示，加深对光纤陀螺基本原理的理解；

2)观察光纤陀螺光源输出，了解光纤陀螺用光源的基本特性；

3)光纤环特征频率的测试，了解光纤陀螺特征频率的概念及测试方法；

4)Y波导相位调制器半波电压的测试，了解Y波导相位调制器半波电压的概念及测试方法；

5)观察不同调制方式的开环探测器输出，加深对光纤陀螺调制解调原理的理解；

6)观察方波调制时闭环探测器输出，加深对光纤陀螺闭环检测原理的理解；

7)转台角速率测量，加深对萨格奈克效应的理解；

8)光纤陀螺参数计算，掌握光纤陀螺关键参数及计算方法。

Claims (4)

1.一种基于光纤陀螺的教学仪器，其特征在于：包括光纤陀螺、单轴转台、电气控制盒、信号源、示波器和计算机；

光纤陀螺固定在单轴转台上，电气控制盒分别与光纤陀螺，单轴转台，信号源，示波器和计算机连接；电气控制盒一方面通过单轴转台向光纤陀螺提供电源输入，并将信号源提供的调制信号输出至光纤陀螺；另一方面，将光纤陀螺的开环探测器输出信号输出至示波器显示，同时将光纤陀螺闭环数字输出信号输出至计算机；

所述的光纤陀螺从上到下依次固定有机玻璃罩、顶层陀螺骨架和底层陀螺骨架；

顶层陀螺骨架的表面上按照光学信号传输原理固定安装有光源、耦合器、Y波导相位调制器、光纤环和探测器；

底层陀螺骨架上安装有信号接口电路板、信号处理电路板、光源控制电路板、无线通信电路板、电源接口、无线通信接口、信号接口和光源接口；其中，信号接口电路板、信号处理电路板、光源控制电路板和无线通信电路板固定在位于底层陀螺骨架的底面上；

Y波导相位调制器采用推挽式结构；

所述的信号接口电路板通过导线分别与信号处理电路板、光源控制电路板、无线通信电路板、电源接口、信号接口和顶层陀螺骨架中的Y波导相位调制器相连；通过电源接口向信号处理电路板、光源控制电路板和无线通信电路板供电；同时，将信号接口接收的信号输出至Y波导相位调制器，和将信号处理电路板的输入信号处理后，分别输出至Y波导相位调制器和信号接口；

所述的电气控制盒由壳体和上盖组成，其中电气控制盒的壳体底板上安装有电源模块和无线通信电路板，壳体侧部开有：220V电源接口、光纤陀螺电源接口、光纤陀螺信号接口、无线通信接口、调制信号输入接口、调制信号选择开关、探测器输出接口、串口和电源指示灯；

电源模块通过导线和220V电源接口、光纤陀螺电源接口、无线通信电路板及电源指示灯相连；无线通信电路板通过导线和串口相连，通过无线通信接口接收无线电磁波信号，并转换为数字信号后输出至串口；光纤陀螺信号接口通过导线和调制信号选择开关、调制信号输入接口与探测器输出接口相连；

所述的光纤陀螺信号接口用于向光纤陀螺提供输入信号以及测试光纤陀螺的输出信号；

调制信号选择开关用于选择光纤陀螺工作在外部调制方式或者内部调制方式，其中外部调制方式是指Y波导相位调制器的调制信号由信号源提供，内部调制方式是指Y波导相位调制器的调制信号由光纤陀螺信号处理电路板自己产生；

探测器输出接口用于将光纤陀螺的探测器输出信号输出至示波器显示；

串口用于将无线通信电路板输出的数字信号发送给计算机。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺的教学仪器，其特征在于：所述的信号处理电路板通过导线分别连接信号接口电路、无线通信电路板和顶层陀螺骨架中的探测器；信号处理电路板通过探测器接收光纤陀螺的输出信号，进行数字信号处理后将闭环数字输出信号输出至无线通信电路板。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺的教学仪器，其特征在于：所述的光源控制电路板通过导线与顶层陀螺骨架中的光源相连，它主要用于精确控制光源处于恒温和恒流工作状态。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺的教学仪器，其特征在于：所述的无线通信电路板接收信号处理电路板输出的闭环数字输出信号，转换为无线电磁波后通过无线通信接口发送至电气控制盒。