CN108955727B - 一种光纤线圈性能评价方法 - Google Patents

一种光纤线圈性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤线圈性能评价方法，基于光纤线圈的Shupe效应，通过快速变温过程采集光纤线圈的输出数据，建立光纤线圈零偏温度误差模型，快速获取评价指标：Shupe系数S和非线性系数R，对各类型光纤线圈设定Shupe系数S的阈值和非线性系数R的阈值均能准确、快速的进行评价，具有较强的适应性；本发明在光纤线圈组装为光纤陀螺成品前，通过对光纤线圈性能评价，可有效提高光纤陀螺的生产效率、降低生产成本。

Description

一种光纤线圈性能评价方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体是一种光纤线圈性能评价方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的全固态惯性仪表，用于测量运载体相对惯性空间的角运动，具有无运动器件、可靠性高、寿命长、启动快、功耗低及生产工艺相对简单等优势，因此光纤陀螺及由其组成的惯性系统在海陆空以及民用领域具有十分重要的应用价值。而光纤陀螺的核心部件之一光纤线圈受环境温度变化影响产生Shupe效应，造成零偏漂移，是影响光纤陀螺精度的主要因素。目前广泛采用四极对称绕线方式绕制光纤线圈，以降低温度变化带来的影响，但是在光纤陀螺线圈绕制过程中，依然存在着因排线不均匀或张力不稳定产生的随机局部交叉耦合，以及固化不彻底，层与层之间产生气泡、缝隙等，都会使光纤线圈在外界温度变化时产生非线性误差，叠加在Sagnac相移中，从而影响光纤陀螺的精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光纤线圈性能评价方法，能够有效缩短光纤陀螺及其他惯性系统的研制和生产周期，降低生产成本，并为光纤线圈绕制工艺的改善提供参数依据。
本发明的技术方案为：
一种光纤线圈性能评价方法，所述的光纤线圈置于光纤线圈性能评价系统中，所述的光纤线圈性能评价系统包括有测试计算机、高精度半导体恒温箱、设置于高精度半导体恒温箱内的光纤线圈检测装置、设置于光纤线圈检测装置上的温度传感器，所述的光纤线圈检测装置是一个内置外围光路且未设置有光纤线圈的采用数字闭环检测技术的检测装置，所述的光纤线圈检测装置内置有光纤线圈安装槽，待评价光纤线圈设置于光纤线圈安装槽内，所述的温度传感器为两个，其中一个设置于光纤线圈安装槽槽底的中心位置，另一个设置于待评价光纤线圈的外壁上，两个温度传感器采集的温度数据发送给光纤线圈检测装置，所述的光纤线圈检测装置的控制端和信号输出端、高精度半导体恒温箱的控制端分别通过串口接到测试计算机；
所述的光纤线圈性能评价方法具体包括有以下步骤：
(1)、测试计算机进行陀螺闭环参数设置，并将陀螺闭环参数写入光纤线圈检测装置的硬件电路中；
(2)、测算光纤线圈常温指标：
根据公式(1)计算标度因数K，当估算常温标度因数KS时，首先将高精度半导体恒温箱的温度稳定在+20℃，采集10分钟内+20℃常温下光纤线圈的输出数据，根据公式(1)估算光纤线圈的常温标度因数KS：
Figure GDA0003338997230000021
Figure GDA0003338997230000022
其中：
Figure GDA0003338997230000023
为10分钟内常温下光纤线圈输出数据的平均值；ωU为当地地球自转角速度的天向分量；
然后将得到的常温标度因数KS带入公式(2)，计算光纤线圈常温零偏稳定性Bs；
Figure GDA0003338997230000024
Figure GDA0003338997230000025
公式(2)中，Fi代表第i时刻光纤线圈的输出数据；
(3)、快速变温采集光纤线圈数据：
光纤陀螺的全温范围是-40℃～+60℃，在-40℃～+60℃范围内设定快速变温区间，在快速变温区间内设置高精度半导体恒温箱变温流程，首先待光纤线圈的温度稳定后，按1℃/min的变温速率沿高精度半导体恒温箱变温流程进行快速变温，实时采集光纤线圈在快速变温环境下的输出数据；
(4)、光纤线圈温度建模及参数计算，具体包括有以下步骤(a)-步骤(c):
(a)、根据高精度半导体恒温箱变温流程，对光纤线圈在变温环境下的输出数据和温度输出数据进行拟合，拟合模型见公式(3)：
D＝D0+DT·T+D′T·T′+ε (3)，
公式(3)中，D为温度相关的零偏，D0为常值零偏，DT为温度误差系数，T为变温环境下的实时温度，D′T为温度变化率误差系数，T′为变温速率，ε为随机误差；
(b)、将公式(1)得到的常温标度因数K带入公式(4)计算出Shupe效应参数S：
Figure GDA0003338997230000031
(c)、根据公式(3)得出温度相关的零偏D，并对光纤线圈在变温下的输出数据进行零偏补偿即变温下的输出数据减去温度相关的零偏D，然后得到变温下零偏补偿后的输出数据，变温下零偏补偿后的输出数据即为输出实际值，然后将输出实际值带入公式(2)得到零偏补偿后的零偏稳定性BC，计算零偏补偿后的零偏稳定性BC的公式(2)中的
Figure GDA0003338997230000033
为零偏补偿后的输出实际值的平均值，Fi代表第i时刻光纤线圈的输出实际值，然后将光纤线圈常温零偏稳定性Bs和零偏补偿后的零偏稳定性BC带入公式(5)计算得到非线性系数R：
Figure GDA0003338997230000032
(5)、光纤线圈性能评价：
将大批量光纤线圈分别进行步骤(1)～(4)，获得D的拟合模型、Shupe效应参数S和非线性系数R，光纤线圈的Shupe效应参数S越小，表明其受温度变化率的影响越小，其性能越好；非线性系数R越接近1，表明光纤线圈全温零偏误差补偿效果越好，光纤线圈的全温性能越好；其中，大批量光纤线圈中，满足Shupe效应参数S≤S阈值、非线性系数R≤R阈值的光纤线圈为评价合格的光纤线圈；
其中，所述的S阈值和R阈值的设定流程为以下步骤(a)-步骤(d)：
(a)、对n只光纤线圈分别进行步骤(1)～(4)，获得每只光纤线圈Di的拟合模型、Shupe效应参数Si和非线性系数Ri，其中的i＝1,2,3,...,n，之后将n只光纤线圈分别组装成光纤陀螺，采用公式(3)按“+20℃→-40℃保持150min→+60℃保持150min→+20℃，变温速率为1℃/min”的温度曲线在-40℃～+60℃全温温度范围内进行变温，根据Di的拟合模型对全温输出数据进行零偏补偿，并计算全温零偏稳定性Bi；
(b)、从n只光纤陀螺中筛选出满足条件Bi≤B指标的光纤线圈，数量记为L；
(c)、设定评价准确率
Figure GDA0003338997230000041
计算满足
Figure GDA0003338997230000042
且为整数的m值，评价通过率为
Figure GDA0003338997230000043
并记录；
(d)、将n只光纤线圈的全温零偏稳定性Bi由低到高排序，选取前m个光纤线圈中Si、Ri的最大值，设定为S阈值、R阈值。
所述的光纤线圈检测装置与直流电源的±5V双路供电接头连接。
所述的步骤(3)中，快速变温区间为-5℃～+35℃，按“+20℃保持5min→-5℃保持20min→+35℃保持20min→+20℃保持10min，变温速率1℃/min”的温度曲线进行快速变温。
所述的公式(3)中的常值零偏D0、温度误差系数DT和温度变化率误差系数D′T均利用最小二乘线性拟合出。
本发明的优点：
(1)、本发明基于光纤线圈的Shupe效应，通过快速变温过程采集光纤线圈的输出数据，建立光纤线圈零偏温度误差模型，快速获取评价指标：Shupe效应参数S和非线性系数R，对各类型光纤线圈设定Shupe效应参数S的阈值和非线性系数R的阈值均能准确、快速的进行评价，具有较强的适应性；
(2)、本发明在光纤线圈组装为光纤陀螺成品前，通过对光纤线圈性能评价，可有效提高光纤陀螺的生产效率、降低生产成本。
附图说明
图1是本发明光纤线圈性能评价系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种光纤线圈性能评价方法，光纤线圈1置于光纤线圈性能评价系统中，见图1，光纤线圈性能评价系统包括有测试计算机2、高精度半导体恒温箱3、设置于高精度半导体恒温箱3内的光纤线圈检测装置4、设置于光纤线圈检测装置4上的温度传感器5，光纤线圈检测装置4与直流电源6的±5V双路供电接头连接进行供电，光纤线圈检测装置4是一个内置外围光路且未设置有光纤线圈的采用数字闭环检测技术的检测装置，光纤线圈检测装置内置有光纤线圈安装槽，待评价光纤线圈设置于光纤线圈安装槽内，温度传感器5为两个，其中一个设置于光纤线圈安装槽槽底的中心位置，另一个设置于待评价光纤线圈1的外壁上，两个温度传感器5采集的温度数据发送给光纤线圈检测装置4，光纤线圈检测装置4的控制端和信号输出端、高精度半导体恒温箱3的控制端分别通过串口接到测试计算机2；
光纤线圈性能评价方法具体包括有以下步骤：
(1)、测试计算机2进行陀螺闭环参数设置，并将陀螺闭环参数写入光纤线圈检测装置4的硬件电路中；
(2)、测算光纤线圈常温指标：
根据公式(1)计算标度因数K，当估算常温标度因数KS时，首先将高精度半导体恒温箱的温度稳定在+20℃，采集10分钟内+20℃常温下光纤线圈的输出数据，根据公式(1)估算光纤线圈的常温标度因数KS：
Figure GDA0003338997230000061
Figure GDA0003338997230000062
其中：
Figure GDA0003338997230000063
为10分钟内常温下光纤线圈输出数据的平均值；ωU为当地地球自转角速度的天向分量；
然后将得到的常温标度因数KS带入公式(2)，计算光纤线圈常温零偏稳定性Bs；
Figure GDA0003338997230000064
Figure GDA0003338997230000065
公式(2)中，Fi代表第i时刻光纤线圈的输出数据；(3)、快速变温采集光纤线圈数据：
光纤陀螺的全温范围是-40℃～+60℃，在-40℃～+60℃范围内设定快速变温区间-5℃～+35℃，可以在确保数据有效的前提下减少试验时间；首先待光纤线圈的温度稳定后，按“+20℃保持5min→-5℃保持20min→+35℃保持20min→+20℃保持10min，变温速率1℃/min”的温度曲线进行快速变温，实时采集光纤线圈在快速变温环境下的输出数据；快速变温测试过程共135min；
(4)、光纤线圈温度建模及参数计算，具体包括有以下步骤(a)-步骤(c):
(a)、根据高精度半导体恒温箱变温流程，对光纤线圈在变温环境下的输出数据和温度输出数据进行拟合，拟合模型见公式(3)：
D＝D0+DT·T+D′T·T′+ε (3)，
公式(3)中，D为温度相关的零偏，D0为常值零偏，DT为温度误差系数，T为变温环境下的实时温度，D′T为温度变化率误差系数，T′为变温速率，ε为随机误差；其中，常值零偏D0、温度误差系数DT和温度变化率误差系数D′T均利用最小二乘线性拟合出；
(b)、按将公式(1)得到的常温标度因数K带入公式(4)计算出Shupe效应参数S：
Figure GDA0003338997230000071
(c)、根据公式(3)得出温度相关的零偏D，并对光纤线圈在变温下的输出数据进行零偏补偿即变温下的输出数据减去温度相关的零偏D，然后得到变温下零偏补偿后的输出数据，变温下零偏补偿后的输出数据即为输出实际值，然后将输出实际值带入公式(2)得到零偏补偿后的零偏稳定性BC，计算零偏补偿后的零偏稳定性BC的公式(2)中的
Figure GDA0003338997230000073
为零偏补偿后的输出实际值的平均值，Fi代表第i时刻光纤线圈的输出实际值，然后将光纤线圈常温零偏稳定性Bs和零偏补偿后的零偏稳定性BC带入公式(5)计算得到非线性系数R：
Figure GDA0003338997230000072
(5)、光纤线圈性能评价：
将大批量光纤线圈分别进行步骤(1)～(4)，获得D的拟合模型、Shupe效应参数S和非线性系数R，光纤线圈的Shupe效应参数S越小，表明其受温度变化率的影响越小，其性能越好；非线性系数R越接近1，表明光纤线圈全温零偏误差补偿效果越好，光纤线圈的全温性能越好；其中，大批量光纤线圈中，满足Shupe效应参数S≤S阈值、非线性系数R≤R阈值的光纤线圈为评价合格的光纤线圈；
其中，S阈值和R阈值的设定流程为以下步骤(a)-步骤(d)：
(a)、对n只光纤线圈分别进行步骤(1)～(4)，获得每只光纤线圈Di的拟合模型、Shupe效应参数Si和非线性系数Ri，其中的i＝1,2,3,...,n，之后将n只光纤线圈分别组装成光纤陀螺，采用公式(3)按“+20℃→-40℃保持150min→+60℃保持150min→+20℃，变温速率为1℃/min”的温度曲线在-40℃～+60℃全温温度范围内进行变温，根据Di的拟合模型对全温输出数据进行零偏补偿，并计算全温零偏稳定性Bi；
(b)、从n只光纤陀螺中筛选出满足条件Bi≤B指标的光纤线圈，数量记为L；
(c)、设定评价准确率
Figure GDA0003338997230000081
计算满足
Figure GDA0003338997230000082
且为整数的m值，评价通过率为
Figure GDA0003338997230000083
并记录；
(d)、将n只光纤线圈的全温零偏稳定性Bi由低到高排序，选取前m个光纤线圈中Si、Ri的最大值，设定为S阈值、R阈值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种光纤线圈性能评价方法，其特征在于：所述的光纤线圈置于光纤线圈性能评价系统中，所述的光纤线圈性能评价系统包括有测试计算机、高精度半导体恒温箱、设置于高精度半导体恒温箱内的光纤线圈检测装置、设置于光纤线圈检测装置上的温度传感器，所述的光纤线圈检测装置是一个内置外围光路且未设置有光纤线圈的采用数字闭环检测技术的检测装置，所述的光纤线圈检测装置内置有光纤线圈安装槽，待评价光纤线圈设置于光纤线圈安装槽内，所述的温度传感器为两个，其中一个设置于光纤线圈安装槽槽底的中心位置，另一个设置于待评价光纤线圈的外壁上，两个温度传感器采集的温度数据发送给光纤线圈检测装置，所述的光纤线圈检测装置的控制端和信号输出端、高精度半导体恒温箱的控制端分别通过串口接到测试计算机；
所述的光纤线圈性能评价方法具体包括有以下步骤：
(1)、测试计算机进行陀螺闭环参数设置，并将陀螺闭环参数写入光纤线圈检测装置的硬件电路中；
(2)、测算光纤线圈常温指标：
根据公式(1)计算标度因数K，当估算常温标度因数KS时，首先将高精度半导体恒温箱的温度稳定在+20℃，采集10分钟内+20℃常温下光纤线圈的输出数据，根据公式(1)估算光纤线圈的常温标度因数KS：
Figure FDA0003338997220000011
Figure FDA0003338997220000012
其中：
Figure FDA0003338997220000013
为10分钟内常温下光纤线圈输出数据的平均值；ωU为当地地球自转角速度的天向分量；
然后将得到的常温标度因数KS带入公式(2)，计算光纤线圈常温零偏稳定性Bs；
Figure FDA0003338997220000014
Figure FDA0003338997220000021
公式(2)中，Fi代表第i时刻光纤线圈的输出数据；
(3)、快速变温采集光纤线圈数据：
光纤陀螺的全温范围是-40℃～+60℃，在-40℃～+60℃范围内设定快速变温区间，在快速变温区间内设置高精度半导体恒温箱变温流程，首先待光纤线圈的温度稳定后，按1℃/min的变温速率沿高精度半导体恒温箱变温流程进行快速变温，实时采集光纤线圈在快速变温环境下的输出数据；
(4)、光纤线圈温度建模及参数计算，具体包括有以下步骤(a)-步骤(c):
(a)、根据高精度半导体恒温箱变温流程，对光纤线圈在变温环境下的输出数据和温度输出数据进行拟合，拟合模型见公式(3)：
D＝D0+DT·T+D′T·T′+ε (3)，
公式(3)中，D为温度相关的零偏，D0为常值零偏，DT为温度误差系数，T为变温环境下的实时温度，D′T为温度变化率误差系数，T′为变温速率，ε为随机误差；
(b)、将公式(1)得到的常温标度因数K带入公式(4)计算出Shupe效应参数S：
Figure FDA0003338997220000022
(c)、根据公式(3)得出温度相关的零偏D，并对光纤线圈在变温下的输出数据进行零偏补偿即变温下的输出数据减去温度相关的零偏D，然后得到变温下零偏补偿后的输出数据，变温下零偏补偿后的输出数据即为输出实际值，然后将输出实际值带入公式(2)得到零偏补偿后的零偏稳定性BC，计算零偏补偿后的零偏稳定性BC的公式(2)中的
Figure FDA0003338997220000023
为零偏补偿后的输出实际值的平均值，Fi代表第i时刻光纤线圈的输出实际值，然后将光纤线圈常温零偏稳定性Bs和零偏补偿后的零偏稳定性BC带入公式(5)计算得到非线性系数R：
Figure FDA0003338997220000031
(5)、光纤线圈性能评价：
将大批量光纤线圈分别进行步骤(1)～(4)，获得D的拟合模型、Shupe效应参数S和非线性系数R，光纤线圈的Shupe效应参数S越小，表明其受温度变化率的影响越小，其性能越好；非线性系数R越接近1，表明光纤线圈全温零偏误差补偿效果越好，光纤线圈的全温性能越好；其中，大批量光纤线圈中，满足Shupe效应参数S≤S阈值、非线性系数R≤R阈值的光纤线圈为评价合格的光纤线圈；
其中，所述的S阈值和R阈值的设定流程为以下步骤(a)-步骤(d)：
(a)、对n只光纤线圈分别进行步骤(1)～(4)，获得每只光纤线圈Di的拟合模型、Shupe效应参数Si和非线性系数Ri，其中的i＝1,2,3,...,n，之后将n只光纤线圈分别组装成光纤陀螺，采用公式(3)按“+20℃→-40℃保持150min→+60℃保持150min→+20℃，变温速率为1℃/min”的温度曲线在-40℃～+60℃全温温度范围内进行变温，根据Di的拟合模型对全温输出数据进行零偏补偿，并计算全温零偏稳定性Bi；
(b)、从n只光纤陀螺中筛选出满足条件Bi≤B指标的光纤线圈，数量记为L；
(c)、设定评价准确率
Figure FDA0003338997220000032
计算满足
Figure FDA0003338997220000033
且为整数的m值，评价通过率为
Figure FDA0003338997220000034
并记录；
(d)、将n只光纤线圈的全温零偏稳定性Bi由低到高排序，选取前m个光纤线圈中Si、Ri的最大值，设定为S阈值、R阈值。
2.根据权利要求1所述的一种光纤线圈性能评价方法，其特征在于：所述的光纤线圈检测装置与直流电源的±5V双路供电接头连接。
3.根据权利要求1所述的一种光纤线圈性能评价方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，快速变温区间为-5℃～+35℃，按“+20℃保持5min→-5℃保持20min→+35℃保持20min→+20℃保持10min，变温速率1℃/min”的温度曲线进行快速变温。
4.根据权利要求1所述的一种光纤线圈性能评价方法，其特征在于：所述的公式(3)中的常值零偏D0、温度误差系数DT和温度变化率误差系数D′T均利用最小二乘线性拟合出。
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