CN107764284A - 光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其中，包括：波导用于将光源的光信号相位进行调制，并将调制后的光信号投射给待测光纤环；探测器用于探测待测光纤环敏感到的相位信号，并转换为电信号后发送给信号检测器，信号检测器用于将探测器输出的电信号进行解调得到待测光纤环敏感到的转速，信号检测器对探测器输出的电信号进行解调，得到待测光纤环敏感到的转速，发送给计算机，并为经过波导的光信号加入补偿相移，以抵消掉光纤环敏感到的相移；计算机对待测光纤环筛选的转速和温度环境进行控制，计算机接收到信号检测器的数据后，对数据进行处理。

Description

光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统

技术领域

本发明涉及一种光学检测技术领域，具体涉及一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统。

背景技术

光纤陀螺是惯性技术的一种重要元件。光纤陀螺与传统的机械陀螺相比，无高速转动的机械转子，对加速度不敏感，具有体积小、功耗低、寿命长的优点，自问世以来受到广泛重视，在航空、航天、舰船控制及导航等领域中具有广泛的应用前景。近些年，光纤陀螺在一些大学、研究所和公司中迅速的开展研制，随着研究的不断深入，在光纤陀螺在使用过程中，随着温度环境变化的条件下，对光纤陀螺的稳定性和标度因数的要求也随之提高，标度因数的非线性和重复性要求也在提高。而光纤陀螺的稳定性问题一直以来都是影响光纤陀螺进一步发展的重要因素，特别是陀螺系统输出随环境温度变化的长期漂移问题，直接影响高精度光纤陀螺变温条件下的稳定性和标度因数的非线性度和重复性，已经严重影响了光纤陀螺在高精度惯性导航领域中的应用。当环境温度变化或有热传导时，光纤环中产生的附加温度相位漂移，要种制约了光纤陀螺的检测精度的提高和应用。

对于光纤陀螺的温度性能，起决定性作用的正是其传感部件——光纤环。目前，无论半自动绕环还是全自动绕环，均存在众多的光纤环质量影响因素，因此，如何检测光纤环的质量并进行光纤环的筛选是一个重要的课题。而且，根据实际应用情况，光纤陀螺的使用往往是经过温度补偿的数据，因此光纤环的温度性能的筛选也应该是针对温度补偿前后的数据来进行的，这样，更贴近实际应用情况，筛选出来的光纤环等级也更加准确，提高光纤环筛选的准确度。

光纤环的温度性能是影响光纤陀螺输出精度的重要因素。由于温度的Shupe效应，沿光纤环存在时变的温度梯度，光纤环每一点的折射率随时间变化，因此两束光波进入光纤环后由于温度引起的相位变化不同，相当于光纤环中产生附加温度相位漂移，严重制约了光纤环的检测精度。由于不同温度场下，光纤环中产生附件温度相位不同，造成不同温度场下光纤陀螺的标度因数发生变化，严重影响了光纤陀螺的应用。因此，在光纤陀螺的应用中常常使用温度补偿。

目前，国内在研究光纤陀螺温度性能方面，大多数都是对已装配好的光纤陀螺整机进行温度性能测试，给出光纤陀螺温度性能的方面的评价，但这样对光纤陀螺的测试无法改变光纤陀螺的温度性能，如果测得性能指标不合格，那么该光纤陀螺是不合格品，不利于光纤陀螺的批量生产。国内对光纤环温度性能的筛选多数为固定温度点的性能测试，这与光纤陀螺实际使用环境并不一致，在光纤陀螺使用中并不是完全恒温环境，而且目前对光纤陀螺的使用中，很多情况是对光纤陀螺的输出进行温度补偿，使用温度补偿后的结果，因此只对光纤环常温或固定温度点的温度性能进行筛选，并不能准确判断出当光纤环装配成陀螺整机后在使用过程中温度性能能否达到要求。因此对光纤环进行温度补偿后的性能的筛选有利于陀螺整机性能的预判断，减少光纤陀螺整机不合格品的产生。

例如中国实用新型发明专利201110103504，提出一种高精度光纤陀螺带温度补偿的信号检测方法，对光纤陀螺的输出进行温度补偿，在使用光纤陀螺时使用的是温度补偿后的信号。专利201110103504，提出一种高精度光纤陀螺带温度补偿的信号检测方法只用于对光纤陀螺进行温度补偿，如果补偿后的性能指标不合格，那么该光纤陀螺是不合格品，无法改变光纤陀螺补偿后的温度性能，无法保证光纤陀螺的温度性能的合格率，不能在光纤陀螺装配完成前对光纤环的温度性能进行测试和筛选，不利于光纤陀螺研制和大批量生产过程中合格率的保证。中国实用新型发明专利200910100458提出一种光纤环的温度性能评测装置，但该专利并没有对光纤环温度补偿后的性能进行筛选和评价，并且该评测装置一次只能评测一只光纤环，评测效率不高。

发明内容

本发明目的在于提供一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，用于解决上述现有技术的问题。

本发明一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其中，包括：光源、波导、探测器、计算机以及信号检测器；该波导用于将该光源的光信号相位进行调制，并将调制后的光信号投射给待测光纤环；该探测器用于探测待测光纤环敏感到的相位信号，并转换为电信号后发送给信号检测器，该信号检测器用于将该探测器输出的电信号进行解调得到待测光纤环敏感到的转速，该信号检测器对该探测器输出的电信号进行解调，得到该待测光纤环敏感到的该转速，发送给该计算机，并为经过该波导的光信号加入补偿相移，以抵消掉光纤环敏感到的相移；该计算机对待测光纤环筛选的转速和温度环境进行控制，该计算机接收到该信号检测器的数据后，对数据进行处理，根据不同温度和转速下的陀螺数据以及相应光纤环内外壁温度，得出光纤环温度性能测试结果，并对陀螺数据进行温度补偿，得到光纤环温度补偿后的温度性能结果。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，该波导为三个，该探测器为三个，以及1X3耦合器；每个该波导对应连接一该探测器；该光源经过1X3耦合器输出的三路光信号分别发送给三个该波导。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，还包括：三个2X2耦合器，一该2X2耦合器连接在一路该波导与该探测器之间。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，该光源包括：SLD光源和光源驱动电路。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，该信号检测器对该探测器输出的电信号进行解调，得到该待测光纤环敏感到的该转速，分别并通过RS422接口发送给该计算机。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，信号处理电路8包括模数转换电路、数模转换电路、FPGA以及接口芯片；该模数转换电路用于将波导的反馈光电信号转换为数字信号并输入给FPGA进行处理，该数模转换电路用于将FPGA的输出进行数模转换，并输出给该波导；该接口模块作为该FPGA与该计算机的接口。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，还包括：温箱和转台，转台位于温箱内部，该转台和该温箱用于提供光纤环筛选的温度和转速环境。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统设置在一光纤环筛选工装上。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，还包括：温度传感器，用于测量光纤环内、外壁的温度。

根据本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的一实施例，其中，还包括：直流稳压电源，用于向光纤环信号检测器供电。

综上，本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统能够对不同型号、大小的光纤环的温度性能进行测试和筛选，可为光纤陀螺装配整机时选择相应指标等级的光纤环提供数据，以保证由光纤环装配成光纤陀螺整机的温度补偿前后温度性能的合格率。

附图说明

图1所示为本发明一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的示意图；

图2所示为本发明一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的另一实施例的示意图；

图3所示为光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的单路筛选工装结构示意图；

图4所示为光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的多路筛选工装的结构示意图；

图5所示为信号检测电路的结构示意图；

图6所示为光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1所示为本发明一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的示意图，如图1所示，包括：光源13、波导12、探测器7、计算机19以及信号检测器8。

参考图1，待测光纤环11设置在工装上，工装安装在可控温箱内部转台上，能够在一定温度曲线下按照不同转速转动。波导12用于将光源13的光信号相位进行调制，并将调制后的光信号投射给该待测光纤环11。探测器7用于探测待测光纤环22敏感到的相位信号，并转换为电信号后发送给信号检测器8，信号检测器8用于将探测器7输出的电信号进行解调得到待测光纤环11敏感到的转速，信号检测器8对该探测器7输出的电信号进行解调，得到该待测光纤环11敏感到的该转速，分别并通过RS422接口发送给计算机19，以及产生该波导的控制信号，以为经过该波导12的光信号加入补偿相移，以抵消掉光纤环敏感到的SAGNAC相移。计算机19对待测光纤环11筛选的转速和温度环境进行控制，计算机19接收到测试数据后，对数据进行处理，根据不同温度和转速下的陀螺数据以及相应光纤环内外壁温度，得出光纤环温度性能测试结果，并对陀螺数据进行温度补偿，得到光纤环温度补偿后的温度性能结果。

图2所示为本发明一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的另一实施例的示意图，如图2所示，本实施例的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统还包括：2X2耦合器35-37，Y波导38-40、该1X3耦合器14以及探测器32-34。2X2耦合器35-37，Y波导38-40以及探测器32-34一一对应连接。2X2耦合器35-37用于将该光源经过1X3耦合器14输出的光信号发送给Y波导38-40，并将Y波导38-40反馈的该待测光纤环41-43敏感到的相位信号，分别发送给该探测器32-34。该1X3耦合器14用于将光源的光信号分成三路相同的光信号，使系统可以同时对三只光纤环进行筛选。光源包括：SLD光源31和光源驱动电路13。

图3所示为光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的单路筛选工装结构示意图，如图3所示，该工装包括：硬铝合金材料制成的底盘1、顶盖2、光纤环安装底座3，光纤环安装底座3从底盘下部安装，用螺钉固定，顶盖盖在底盘上面，用螺钉固定，用于阻挡温箱内的气流，减小气流对光纤吹动的影响，降低筛环噪声，使光纤环更接近安装在陀螺上的状态，从而提高筛环准确度，底盘上有出纤孔4、出线孔5、盘纤槽6、，探测器7与信号检测电路8进行电气连接，两个温度传感器9、10分别安装在待测光纤环11的内、外壁上，通过出线孔5与信号检测电路8进行电气连接。待测光纤环11安装在光纤环安装底座3上，待测光纤环11的两根尾纤通过出纤孔4被盘到底盘上，与波导12的两个输出端连接。待测光纤环11安装底座3上有不同尺寸的安装孔，方便各种型号光纤环的安装。

图4所示为光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的多路筛选工装的结构示意图，即在图3的基础上，1X3耦合器14分出的三路光信号均连接一路筛选光路，信号检测电路8连接多路探测器，信号检测电路8完成多路光纤环筛选的控制与检测。

图5所示为信号检测电路的结构示意图，如图3、图4以及图5所示，信号处理电路8主要由AD、DA、和专用集成电路处理器FPGA、422接口芯片组成。光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的多路筛选工装上的信号检测电路8的多路信号处理流程不同于单路信号处理，探测器7将光信号转换为电信号后，进入信号检测电路8，经过前级调理电路82-84分别进行放大调理后，分别经过并行AD转换器85-87进入FPGA81进行信号数字解调，FPGA81产生的阶梯波与方波信号经过并行D/A转换器88-90转换，并经后级调理电路91-93进行信号调整后，输出到Y波导的电极上，实现陀螺的闭环反馈和调制。其中FPGA81完成了所有信号的处理和控制。多路筛选的FPGA81处理流程不同于单路。FPGA81将多路探测器接收到的信号同时进行处理，计算待测光纤环敏感到的角速度，并同时分别计算各路需要进行反馈的数字量，发送给每一路的并行D/A转换器88-90，同时FPGA81将计算好的每一路待测光纤环敏感到的角速度存储于FPGA81的存储器中，根据计算机19的需求，FPGA81控制RS422接口按顺序将各路检测结果依次发送至计算机19。

图6所示为光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的结构示意图，如图2至图4以及图6所示，光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统包括：光纤环筛选工装17、直流稳压电源18、计算机19、温箱20、转台21、待测光纤环；待测光纤环安装在光纤环筛选工装17的光纤环安装底座上；通过波导与筛选系统连接；光纤环筛选工装17上的信号检测器通过RS422接口与计算机19连接；转台位于温箱20内部，其上安装光纤环筛选工装17；计算机19对转台21和温箱20进行控制，提供光纤环筛选的温度和转速环境；计算机接收到测试数据后，对数据进行处理，根据不同温度和转速下的陀螺数据以及相应光纤环内外壁温度，得出光纤环温度性能测试结果，并对陀螺数据进行温度补偿，得到光纤环温度补偿后的温度性能结果。

对于一种较佳实施例，本发明光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统还包括：直流稳压电源，用于向光纤环信号检测器供电。

对于一种较佳实施例，本发明光纤陀螺用光纤环温度筛选系统还包括：温度传感器，用于测量光纤环内、外壁的温度。

参考图2以及图6，简述本发明光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的应用方法。首先将光纤环与光纤环温度性能的筛选系统连接，并将光纤环安装在光纤环筛选工装17上，将装有待测光纤环的光纤环筛选工装17固定在转台21上，使光纤环的轴向朝天，径向处于水平状态。通过控制温箱20温度变化和转台21的转速，测量在静态变温过程和不同温度点各种转速下信号检测器8的输出，数据传动至计算机19。通过计算机19的数据进行处理，完成光纤陀螺数据的温度补偿，分析出光纤环的温度补偿前后的温度性能，进而判断出光纤环的温度性能是否符合要求。

参考图2以及图6，光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统的工作过程包括：

将安装好光纤环的光纤环筛选工装17水平放置于温箱20内的转台21上，并用螺钉固定；

在转台静止条件下，控制温箱20执行全温程序，即有室温降到-40℃，保温后再升至+60℃，保温后在降至室温。(筛选中的温度根据指标要求可进行相应修改)；

计算机19采集光纤环筛选系统的信号检测器输出的光纤环敏感到的地球转速；

控制温箱20在不同温度点下保温半小时，保温后控制转台21以不同转速转动，光纤环敏感到的转速由信号检测器8输出，数据由计算机19采集；

温度点一般每10℃选择一个温度点，转速根据光纤环使用需求进行选择；

每个光纤环通过两个温度传感器实时测试内、外壁温度值，计算机19采集光纤环在不同温度下敏感到的转速；

按照上述，测试不同温度和转速下，光纤环筛选系统的输出，测试光纤环在不同温度下静止状态敏感到的转速，和各温度点下不同转速条件下敏感到的转速；

计算机19对采集到的数据进行处理，完成光纤陀螺数据的温度补偿，分析出光纤环的温度补偿前后的温度性能，根据该光纤环的温度性能的要求，判断出光纤环的温度性能是否合格。

综上，本发明的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统能够对不同型号、大小的光纤环的温度性能进行测试和筛选，可为光纤陀螺装配整机时选择相应指标等级的光纤环提供数据，以保证由光纤环装配成光纤陀螺整机的温度补偿前后温度性能的合格率。且本发明可一次进行多只光纤环的筛选，节约物料成本、人工成本和时间成本，转台和温箱均由计算机控制，可根据不同型号的光纤环的筛选要求随时进行配置变更，使用方便、易于控制。本发明光纤环的筛选过程中转台需要在不同的温度点和温度曲线下以不同角速度转动，本发明用计算机直接控制温箱的温度变化和转台的转动角速度，降低劳动成本和人工工作量，减少为人操作带来误差的可能，操作方便。本发明的光纤环还可拆卸，因此可测试不同型号的光纤环。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，包括：光源、波导、探测器、计算机以及信号检测器；

该波导用于将该光源的光信号相位进行调制，并将调制后的光信号投射给待测光纤环；该探测器用于探测待测光纤环敏感到的相位信号，并转换为电信号后发送给信号检测器，该信号检测器用于将该探测器输出的电信号进行解调得到待测光纤环敏感到的转速，该信号检测器对该探测器输出的电信号进行解调，得到该待测光纤环敏感到的该转速，发送给该计算机，并为经过该波导的光信号加入补偿相移，以抵消掉光纤环敏感到的相移；该计算机对待测光纤环筛选的转速和温度环境进行控制，该计算机接收到该信号检测器的数据后，对数据进行处理，根据不同温度和转速下的陀螺数据以及相应光纤环内外壁温度，得出光纤环温度性能测试结果，并对陀螺数据进行温度补偿，得到光纤环温度补偿后的温度性能结果。

2.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，该波导为三个，该探测器为三个，以及1X3耦合器；

每个该波导对应连接一该探测器；

该光源经过1X3耦合器输出的三路光信号分别发送给三个该波导。

3.如权利要求2所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，还包括：三个2X2耦合器，一该2X2耦合器连接在一路该波导与该探测器之间。

4.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，该光源包括：SLD光源和光源驱动电路。

5.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，该信号检测器对该探测器输出的电信号进行解调，得到该待测光纤环敏感到的该转速，分别并通过RS422接口发送给该计算机。

6.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，信号处理电路8包括模数转换电路、数模转换电路、FPGA以及接口芯片；该模数转换电路用于将波导的反馈光电信号转换为数字信号并输入给FPGA进行处理，该数模转换电路用于将FPGA的输出进行数模转换，并输出给该波导；该接口模块作为该FPGA与该计算机的接口。

7.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，还包括：温箱和转台，转台位于温箱内部，该转台和该温箱用于提供光纤环筛选的温度和转速环境。

8.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统设置在一光纤环筛选工装上。

9.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，还包括：温度传感器，用于测量光纤环内、外壁的温度。

10.如权利要求1所述的光纤陀螺用光纤环温度性能的筛选系统，其特征在于，还包括：直流稳压电源，用于向光纤环信号检测器供电。