CN108489475A - 一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置，包括谐振腔1、接收端光纤准直器2、发射端光纤准直器3、可调光纤衰减器4、光纤环行器5、激光器6、发射端光纤探测器7、驱动电极8、接收端光纤探测器9；半球谐振陀螺基座上石英谐振器的内侧固定安装发射端光纤准直器3，外侧固定安装接收端光纤准直器2，接收端光纤准直器2后端依次接可调光纤衰减器4、接收端光纤探测器9，在光纤准直器3后端接光纤环行器5，光纤环行器5的两个输入端口分别接激光器6、光纤探测器7，谐振腔1对应于检测电极部分为全透明状态。

Description

一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置。
背景技术
在半球谐振陀螺的产品中主要的惯性检测部件是表头，如图1所示为表头的结构。半球谐振陀螺主要是靠检测相对于惯性空间的转动所引起的表头中石英谐振腔振动模态的变化，输出陀螺相对于惯性空间的转动。
它的工作基本原理是建立在谐振子的谐振驻波对惯性转动敏感这一特性的基础上。半球陀螺由半球型谐振子、激励罩(力矩器)、敏感基座(信号器)组成，在工作过程中，力矩器通过施加静电力的方法，使半球型谐振子产生振动，同时通过敏感基座上的信号器检测谐振子振动，如果发生谐振子振动模态的改变，力矩器就会一方面改变驱动信号，使振动模态复原，另一方面会据此计算输出陀螺的转动角速度。具体到信号器的输出，是由于谐振子和信号器的敏感基座的表面均镀有金属电极，从而在谐振子、信号器之间形成小电容，谐振子在工作的时候，金属电极保持在100v以上的高电压状态，当振动使谐振子和敏感基座的金属电极距离发生改变的时候，这个电容会发生改变，从而生成电荷信号，这些电荷信号由信号器读出。也就是说，现在读出电容的方法主要是用电荷放大电路读出，其检测变量是由于谐振子与检测电极之间间距的变化所引起的电荷的流动量(电流)。
这种方法存在如下几个缺点：(1)由于电荷放大电路是高输入阻抗的电路，特别容易受到电磁干扰，尤其是在距离激励电极较近的情况下，激励电极的辐射干扰会影响电荷放大器的检测；采用电荷放大器检测振动信号的方法，需要在金属膜导电层上施加高压直流电平，高压直流电平的产生和保持稳定会带来系统可靠性方面的风险。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置，针对半球谐振陀螺中的振动信号检测部分做了改进，考虑到现有设计的电荷放大器存在干扰问题的情况，应用光纤法布里-泊罗腔来检测谐振子的振动信号。光纤法布里-泊罗腔主要是通过光纤的两个或多个反光端面来分别返回一定量的激光，通过多次反射的激光在光纤中反向传输时产生干涉，这种结构就是光纤法布里-泊罗腔。如果设一次反射的光信号是那么二次反射形成的信号为其中，就是由于光程差引起的相位的延时，由于两次反射面的反射特性略有不同，所以两次反射的信号幅度I0、I1不同，通过测量干涉信号强度的波动，即可测量出光程差的变化。
本发明的技术解决方案是：一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测装置，包括谐振腔1、接收端光纤准直器2、发射端光纤准直器3、可调光纤衰减器4、光纤环行器5、激光器6、发射端光纤探测器7、驱动电极8、接收端光纤探测器9；
半球谐振陀螺基座上石英谐振器的内侧固定安装发射端光纤准直器3，外侧固定安装接收端光纤准直器2，接收端光纤准直器2后端依次接可调光纤衰减器4、接收端光纤探测器9，在光纤准直器3后端接光纤环行器5，光纤环行器5的两个输入端口分别接激光器6、光纤探测器7，谐振腔1对应于检测电极部分为全透明状态。
所述的谐振腔1为石英材料，光纤探测器9的敏感范围包含激光工作频点，光纤探测器7与光纤探测器9的性能指标相同，激光器6选用窄线宽的DFB 激光光源。
一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法，包括如下步骤：
(1)令激光器6的DFB激光光源产生窄带激光，窄带激光通过单模光纤的传输后到达光纤环行器5，光纤环行器5输出的激光经过单模光纤传输后，到达发射端准直器3；
(2)控制发射端准直器3对激光进行微透镜扩束和整形后均匀投射，在发射端准直器3表面形成光斑，并在空气接触面发生第一次反射；
(3)令第一次反射的激光经光纤传入光纤环行器5，并输出到光纤探测器 7，第一次反射的剩余部分激光在空气中传播，到达谐振腔1，并在谐振腔1内表面发生第二次反射，进而到达光纤探测器7。
(4)控制第二次反射的剩余部分激光在石英玻璃中传播，到达谐振腔1 的外表面产生第三次反射，第三次反射的激光经过光纤准直器3、光纤环行器5 到达光纤探测器7，得到光纤探测器7输出的电信号S(t)，其中，第三次反射的激光在光纤准直器3、光纤环行器5传播过程中发生干涉；
(5)在激光传输过程中的透射激光经过光纤准直器2、可调光纤衰减器4 被光纤探测器9采集，将光纤探测器9生成的电信号经过低通滤波后得到S1(t)；
(6)把S(t)、S1(t)分别输出差分放大器的两端，得到石英谐振腔的振动信号，完成半球谐振陀螺谐振子振动信号检测。
所述的发射端准直器3形成光斑的直径为1mm。
所述的光纤探测器9生成的电信号经过截止频率为1KHz的低通滤波后得到S1(t)。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明通过构造基于光纤法布里-泊罗腔的方法来检测振动信号，在提高灵敏度的同时，又提高了陀螺系统的可靠性；现有技术中半球谐振陀螺工作时，谐振子的振动幅度在微米级，本发明法布里-泊罗干涉结构的检测最低可以达到纳米级，因此可以可靠检测谐振子的振动幅度，具有很好的使用价值。
附图说明
图1为使用光纤法布里-泊罗腔改进以后的半球谐振陀螺的典型结构，其中 1是石英材料的谐振腔，2是接收激光用的准直器，3是发射端的准直器，9是接收端的光纤探测器，5是光纤环行器，6是激光器，7是发射端的光纤探测器，8是驱动电极，4是可调光纤衰减器，曲线都表示单模光纤，驱动部分与现有技术的表头结构相同。
具体实施方式
本发明针对半球谐振陀螺中的振动信号检测部分做了改进，考虑到现有设计的电荷放大器存在干扰问题的情况，应用光纤法布里-泊罗腔来检测谐振子的振动信号。光纤法布里-泊罗腔主要是通过光纤的两个或多个反光端面来分别返回一定量的激光，通过多次反射的激光在光纤中反向传输时产生干涉，这种结构就是光纤法布里-泊罗腔。如果设一次反射的光信号是那么二次反射形成的信号为其中，就是由于光程差引起的相位的延时，由于两次反射面的反射特性略有不同，所以两次反射的信号幅度I0、I1不同，通过测量干涉信号强度的波动，即可测量出光程差的变化。
本发明方法的具体实施步骤如下：
(1)在半球谐振陀螺的基座上，在石英谐振器的内侧和外侧分别固定发射端的光纤准直器3、接收端光纤准直器2；
(2)在接收端光纤准直器2后端接可调光纤衰减器4，然后接光纤探测器 9，光纤探测器9的敏感范围包含1550nm处，也就是激光工作频点处。
(3)在光纤准直器3后端接光纤环行器5，光纤环行器5的两个输入端口分别接激光器6、光纤探测器7，其中，光纤探测器7与光纤探测器9的性能指标相同，激光器6选用窄线宽的DFB激光光源，激光波长为1550nm。
(4)令激光器6的DFB激光光源产生窄带激光，令窄带激光通过单模光纤的传输后到达光纤环行器5，经过光纤环行器5的第一端口后从第二端口2 输出，输出的激光经过单模光纤传输后，到达发射端准直器3。
(5)发射端准直器3把激光经过准直器中微透镜扩束和整形后加以均匀投射，扩束和整形以后的激光光斑需要控制在直径1mm左右的范围内，发射端准直器3投射出的直径1mm左右的光斑在准直器的表面，与空气接触面由于折射率的变化发生第一次反射。
(6)第一次反射的激光会由光纤传入光纤环行器5的第二端口，并输出到光纤探测器7，同时经过第一次反射后剩余的部分激光，即透射出的部分激光会在空气中传播，到达石英材料的谐振腔1，其中，本发明方法中改进的半球谐振陀螺石英谐振腔与现有技术的主要区别是原来的半球谐振陀螺石英谐振腔中检测电极部位石英谐振器的内表面需要镀膜，而改进后的半球谐振陀螺石英谐振腔对应于检测电极部分不需要镀膜，保持在全透明状态。因此空气中传播的激光到达谐振腔石英层内表面会发生第二次反射，由光路可逆原理，第二次反射的激光会沿着第一次反射激光相同的路线到达光纤探测器7。
(7)第二次反射的激光剩余的部分，会在石英玻璃中传播，到达石英材料的谐振腔1的外表面会产生第三次反射，第三次反射的激光会沿着第二次和第一次反射的相同路线返回到光纤探测器7。
(8)第三次反射的激光在光纤准直器3、光纤环行器5、光纤探测器7的传播是公共路径，传播时会产生干涉现象，干涉后的光信号由光纤探测器7拾取。
(9)假设在发射端准直器的表面产生的第一次反射激光在光纤探测器7 处拾取的是其中，a是光强，ω是光波的频率，θ0是光波的相位，在石英谐振腔的内表面产生的二次反射在光纤探测器7拾取的是其中，b是光强，Δθ是由于第二次反射激光相比于第一次反射的激光多传播了2倍发射端准直器3到石英谐振腔内表面的距离所产生的相位延时，第三次反射的激光到达光纤探测器7拾取的波形为I3＝c* 其中c是光强，Δθ′是由于第三次反射的激光与第二次反射的激光相比多传播了2倍石英层的厚度所带来的相位延时。
这样在光纤探测器7处拾取的光信号的叠加总和为 即为由此可见，因为光纤准直器3与石英谐振腔内壁之间的距离变化而造成的式中的ejΔθ变化时，可以使部件7的光纤探测器的总光强度[a+(b+c*ej(Δθ′))*ejΔθ] 发生变化，从而使部件7输出的电信号S(t)幅度发生变化，这样电信号的幅度可以反映出石英谐振腔的振动幅度变化。
最后透射出去的激光经过接收端光纤准直器2和可调光纤衰减器4，由光纤探测器9获取，得到电信号经过截止频率为1KHz的低通滤波后得到S1(t)，调整可调光纤衰减器4使S1(t)的幅度与S(t)的幅度在石英谐振腔没有振动相同。
把S(t)和S1(t)分别输出差分放大器的两端，得到的输出就是对应于石英谐振腔的振动信号，可以有效去除温度变化和其他因素影响的光源的变化。石英谐振腔的振动信号即是本发明采集的目标信号。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测装置，其特征在于包括谐振腔1、接收端光纤准直器2、发射端光纤准直器3、可调光纤衰减器4、光纤环行器5、激光器6、发射端光纤探测器7、驱动电极8、接收端光纤探测器9；
半球谐振陀螺基座上石英谐振器的内侧固定安装发射端光纤准直器3，外侧固定安装接收端光纤准直器2，接收端光纤准直器2后端依次接可调光纤衰减器4、接收端光纤探测器9，在光纤准直器3后端接光纤环行器5，光纤环行器5的两个输入端口分别接激光器6、光纤探测器7，谐振腔1对应于检测电极部分为全透明状态。
2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置，其特征在于：所述的谐振腔1为石英材料，光纤探测器9的敏感范围包含激光工作频点，光纤探测器7与光纤探测器9的性能指标相同，激光器6选用窄线宽的DFB激光光源。
3.一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)令激光器6的DFB激光光源产生窄带激光，窄带激光通过单模光纤的传输后到达光纤环行器5，光纤环行器5输出的激光经过单模光纤传输后，到达发射端准直器3；
(2)控制发射端准直器3对激光进行微透镜扩束和整形后均匀投射，在发射端准直器3表面形成光斑，并在空气接触面发生第一次反射；
(3)令第一次反射的激光经光纤传入光纤环行器5，并输出到光纤探测器7，第一次反射的剩余部分激光在空气中传播，到达谐振腔1，并在谐振腔1内表面发生第二次反射，进而到达光纤探测器7。
(4)控制第二次反射的剩余部分激光在石英玻璃中传播，到达谐振腔1的外表面产生第三次反射，第三次反射的激光经过光纤准直器3、光纤环行器5到达光纤探测器7，得到光纤探测器7输出的电信号S(t)，其中，第三次反射的激光在光纤准直器3、光纤环行器5传播过程中发生干涉；
(5)在激光传输过程中的透射激光经过光纤准直器2、可调光纤衰减器4被光纤探测器9采集，将光纤探测器9生成的电信号经过低通滤波后得到S1(t)；
(6)把S(t)、S1(t)分别输出差分放大器的两端，得到石英谐振腔的振动信号，完成半球谐振陀螺谐振子振动信号检测。
4.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法，其特征在于：所述的发射端准直器3形成光斑的直径为1mm。
5.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法，其特征在于：所述的光纤探测器9生成的电信号经过截止频率为1KHz的低通滤波后得到S1(t)。
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