CN110672132B - 一种光纤环热中心的测试定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤环热中心的测试定位方法及装置，涉及光纤陀螺性能测试技术领域。所述测试定位方法及装置，直接在光纤环上标记多个位置点，对多个位置点分别进行加热，并获取每个位置点加热时光纤陀螺的零偏变化数据，根据每个位置点的零偏变化数据得到各个位置点加热时的零偏变化极差，零偏变化极差最小值对应的位置点即为光纤环的热中心，即光纤中心在光纤环上的位置点，该测试定位方法直观有效，操作简单、测试定位精度高，且无需昂贵的设备，降低了测试定位成本，为光纤陀螺整体热场布局分析提供了重要支撑。

Description

一种光纤环热中心的测试定位方法及装置

技术领域

本发明属于光纤陀螺性能测试技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺四极子绕制光纤环的热中心的测试定位方法及装置。

背景技术

随着光纤陀螺的大量应用发展进步，光纤陀螺的综合性能提升已成为当前光纤陀螺研究的重要热点。其中，光纤环的稳定性成为重要热点研究之一。

光纤陀螺的稳定性，即在常温或者某些定点温度环境下，光纤陀螺具有良好的零偏稳定性。已有研究表明，光纤陀螺的零偏稳定性受光学元器件尤其是光纤环的稳定性的影响最大。为了抑制光纤环受到外界温升梯度的严重干扰，研究出了四极子绕制光纤技术，即一整根光纤，按其中点分为A段和B段，然后，按照A/B/B/A的次序，依次缠绕成环，四极子绕制技术有助于光纤环的性能稳定。在此基础上，人们研究发现，四极子绕制成光纤环的光纤的中点因绕制工艺与绕制实践过程差异而不一定能够准确定位在设定位置点，因此，有很多研究工作聚焦在光纤环的光纤中点（长度上的中点）的测试定位上。找到光纤环的光纤中点后，通过光纤环与光纤陀螺内部其他电子器件（尤其是发热器件）的合理布局，以获得光纤陀螺良好的稳定性能指标，不同光纤陀螺厂家采用不同的布局方法。

现有的光纤中点测试定位方法有两种：一种是在绕制前，在光纤中点设置标记，绕制完成后通过标记找到光纤中点，这种方法虽然简单，但是光纤绕制圈数多，标记或中心可能被覆盖，难以找到；另一种方法是利用光学系统对光纤环进行分布式偏振检测和分布式应变检测确定光纤中心，这种方法复杂度高，系统昂贵，测试定位成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种光纤环热中心的测试定位方法及装置，通过光纤环上不同位置点的零偏变化数据来确定哪个位置点为热中心，该热中心即为光纤中心在光纤环上的位置点，而不关注光纤中心具体在光纤环的哪个位置，该测试定位方法简单，测试定位精度高，且测试定位过程中无需昂贵设备，测试定位成本低。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种光纤环热中心的测试定位方法，包括以下步骤：

步骤1：使能正常运行的光纤陀螺的光纤环裸露在外，在所述光纤环上标记多个位置点；

步骤2：光纤陀螺正常运行，对第一个位置点进行加热，且一段时间后停止加热，获取加热前、加热过程中、以及停止加热后全过程中光纤陀螺的零偏变化数据；

步骤3：待光纤陀螺的零偏回归到常温时零偏后，对下一个位置点进行加热，且一段时间后停止加热，获取加热前、加热过程中、以及停止加热后全过程中光纤陀螺的零偏变化数据；

步骤4：重复步骤3，直到完成所有位置点的加热和零偏变化数据的获取；

步骤5：对所有位置点对应的零偏变化数据进行处理，得到每个位置点的零偏变化极差；

步骤6：从所有位置点的零偏变化极差中确定零偏变化极差的最小值，该最小值对应的位置点即为光纤环的热中心。

本发明光纤环热中心的测试定位方法，直接在光纤环上标记多个位置点，对多个位置点分别进行加热，并获取每个位置点对应的零偏变化数据，根据每个位置点的零偏变化数据得到每个位置点的零偏变化极差，零偏变化极差最小对应的位置点即为光纤环的热中心，即光纤中心在光纤环上的位置点；该测试定位方法不拘泥于光纤中心在光纤环的具体位置（光纤中心可能在光纤环内），由光纤陀螺的温度效应分析可知，光纤环不同位置受到同类型、同温升梯度的外界热源干扰时，将产生不同的零偏变化响应，而在光纤陀螺光纤环的光纤长度中心处，该零偏变化响应幅度最小，因此，热中心即为光纤中心在光纤环上的位置，该测试定位方法能够简单、有效、直观地获取光纤环的热中心，热中心的测试定位精度高，且无需昂贵的设备，降低了测试定位成本。

进一步地，所述步骤1中，光纤陀螺的信号处理模块移出光纤陀螺，且通过加长线实现原有的电连接，以避免信号处理模块发热对热中心测试定位产生热干扰，提高了热中心测试定位的精度。

进一步地，所述步骤1中，位置点的数量为8～20个，位置点越多，热中心的测试定位越精确，但是对热源的尺寸要求越高，根据热源的尺寸和热中心测试定位的精度要求确定位置点的数量。

进一步地，所述位置点均匀分布在所述光纤环上，提高了热中心测试定位的精度。

进一步地，采用点热源或线热源对所述位置点进行加热，且加热区域的大小不超过光纤环的厚度或高度，避免对其他位置点的热干扰而导致该位置点零偏变化数据的误差，提高了测试定位的精度。

进一步地，在加热时，所述点热源或线热源位于被加热位置点的正上方，且点热源或线热源与被加热位置点的距离为2cm～10cm（具体的距离根据点热源或线热源的性能调节），以避免点热源或线热源在对该位置点加热时，影响其他位置点，造成该位置点零偏变化数据的误差，提高了测试定位的精度。

进一步地，所述点热源或线热源为激光、等离子束、感应加热源或电子束，且所述点热源或线热源的最高加热温度不超过100°C，最大温升梯度不超过5°C/min。

进一步地，所述加热时间为1min～3min。

相应的，一种光纤环热中心的测试定位装置，包括旋转机构、旋转控制模块、热源、热源控制模块、被测光纤陀螺以及数据获取和处理模块；

所述被测光纤陀螺固设于所述旋转机构上，且被测光纤陀螺的光纤环裸露在外，在光纤环上标记有多个位置点；所述热源通过可调支撑架位于所述光纤环的上方，以便旋转机构带动光纤陀螺旋转时各个位置点依次处于热源的正下方；

所述旋转机构与旋转控制模块连接，所述热源与热源控制模块电连接，所述被测光纤陀螺与数据获取和处理模块电连接。

有益效果

与现有技术相比，本发明提出的一种光纤环热中心的测试定位方法及装置，直接在光纤环上标记多个位置点，对多个位置点分别进行加热，并获取每个位置点加热时光纤陀螺的零偏变化数据，根据每个位置点的零偏变化数据得到各个位置点加热时的零偏变化极差，零偏变化极差最小值对应的位置点即为光纤环的热中心，即光纤中心在光纤环上的位置点，该测试定位方法直观有效，操作简单、测试定位精度高，且无需昂贵的设备，降低了测试定位成本，为光纤陀螺整体热场布局分析提供了重要支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种光纤环热中心的测试定位装置的结构示意图；

其中，1-旋转台，2-被测光纤陀螺，21-移出的信号处理模块，3-数据获取和处理模块，4-纵向可伸缩杆，5-横向可伸缩杆，6-热源。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。

本发明所提供的一种光纤环热中心的测试定位方法，包括以下步骤：

1、使能正常运行的光纤陀螺的光纤环裸露在外，在光纤环上标记多个位置点。

对于能正常运行的光纤陀螺，取下光纤陀螺光纤环的外盖，将光纤环裸露在外，使光纤环能够充分接受到热源的加热。由于光纤陀螺内部的信号处理模块（例如探测器、光源、信号处理电路板）在工作时会发热，该发热会对热中心的测试定位产生热干扰，为了避免这种热干扰引起的误差，将光纤陀螺内部的信号处理模块移出（光纤陀螺内部保留光纤环与Y波导组件等光电器件），并通过加长线实现原有的电连接，移出距离一般为光纤陀螺尺寸大小的一倍以上即可，不宜过远以免影响光纤陀螺的信号传输质量。

在光纤环上标记多个位置点，位置点的数量为8～20个，位置点越多，热中心的测试定位越精确，但是对热源的尺寸要求越高，根据热源的尺寸和热中心测试定位的精度要求确定位置点的具体数量（即热源足够小时，位置点的数量可适量增加）。位置点可均匀分布在光纤环上，均匀分布的位置点便于更精确地确定热中心。为了方便热源对位置点的加热，位置点标记在光纤环的上表面。例如，以光纤环360度圆周为一周，将圆周等分为8个区域，然后在每个区域的中点标记作为一个位置点，即得到8个位置点。

2、光纤陀螺正常运行，对第一个位置点进行加热，且一段时间后停止加热，获取加热前、加热过程中、以及停止加热后光纤陀螺的零偏变化数据。

光纤陀螺外接直流电源，且不受外界其他干扰正常稳定运行，能够实现角速度响应能力，光纤陀螺的输出与工程控制计算机通讯连接，工程控制计算机上安装有光纤陀螺测试软件，通过光纤陀螺测试软件能够获取第一个位置点在加热前、加热过程中以及停止加热后光纤陀螺的零偏变化数据。光纤陀螺测试软件为现有技术，可参考赵忠等提出的《光纤陀螺自动化测试软件的设计》，压电与声光，2012（12）。

光纤环处于静止，通过外接热源对位置点进行局部加热。为了满足局部加热要求，位置点的加热采用点热源或线热源，为了避免对他位置点的热干扰而导致该位置点零偏变化数据的误差，加热区域的大小不超过光纤环的厚度或高度。在加热时，点热源或线热源位于被加热位置点的正上方，且点热源或线热源与被加热位置点的距离为2cm～10cm，具体的距离根据点热源或线热源的性能调节，以避免点热源或线热源在对该位置点加热时，影响其他位置点，造成该位置点零偏变化数据的误差，提高了测试定位的精度。本实施例中，点热源或线热源为激光、等离子束、感应加热源或电子束，且点热源或线热源的最高加热温度不超过100°C，温升梯度不超过5°C/min。

3、待光纤陀螺的零偏回归到常温时零偏后（约1分钟），对下一个位置点进行加热，且一段时间后停止加热，获取加热前、加热过程中、以及停止加热后光纤陀螺的零偏变化数据。旋转光纤陀螺使下一个位置点位于热源的正下方，热源保持不动，对下一个位置点进行加热。

4、重复步骤3，直到完成所有位置点的加热和零偏变化数据的获取。

所有位置点的加热采用同一热源，热源在设置好加热温度、温升梯度和加热时间后不再改变，保证了光纤环不同位置点受到同类型、同加热温度、同温升梯度和同加热时间的外界热源干扰。所有位置点的加热时间控制在1min～3min内。

5、对所有位置点对应的零偏变化数据进行处理，得到每个位置点的零偏变化极差。

对零偏变化数据进行平滑平均处理，得到每个位置点在加热全过程中（加热前、加热中以及加热后）的光纤陀螺零偏变化极差，零偏变化极差等于零偏变化数据中的最大值减去零偏变化数据中的最小值。

6、从所有位置点的零偏变化极差中确定零偏变化极差的最小值，该最小值对应的位置点即为光纤环的热中心。

按照位置点的加热次序，绘制零偏变化极差的曲线图，找到零偏变化极差的最小值，该最小值对应的位置点即为光纤环的热中心。根据光纤陀螺的温度效应分析，光纤环不同位置受到同类型、同温升梯度的外界热源干扰时，将产生不同的零偏变化响应，而在光纤陀螺光纤环的光纤长度中心处，该零偏变化响应幅度最小，因此，零偏变化极差的最小值对应的位置点即为直观可测的光纤环热中心。将光纤陀螺内部的信号处理模块对光纤环的影响等效成一个热场中心点，通过分析该热场中心点与光纤环热中心的相对位置规律，再进行内部电路的合理布局，有效降低内部信号处理模块对光纤环的干扰，即可有效改善光纤陀螺的全温零偏稳定性，最大化地提高光纤陀螺的稳定性。整个测试环境应处于温度稳定的空间，或者说，在热源关闭后一段时间，光纤陀螺的零偏响应大小基本上能够回归到热源开启前的数值大小。

如图1所示，一种光纤环热中心的测试定位装置，包括旋转机构、旋转控制模块、热源6、热源控制模块、被测光纤陀螺2以及数据获取和处理模块；

被测光纤陀螺2固设于旋转机构上，且被测光纤陀螺2的光纤环裸露在外，在光纤环上标记有多个位置点；热源6通过可调支撑架位于所述光纤环的上方，以便旋转机构带动光纤陀螺旋转时各个位置点依次处于热源6的正下方；

旋转机构与旋转控制模块连接，热源6与热源控制模块电连接，被测光纤陀螺2与数据获取和处理模块电连接。

本实施例中，旋转机构为旋转台1，旋转控制模块为带步进电机的电机控制器，步进电机的输出轴与旋转台1的转轴连接，被测光纤陀螺2固设于旋转台1上，使光纤环水平位于旋转台1上，光纤环的中心轴线与旋转台1的法线平行，通过步进电机带动旋转台1转动，从而带动光纤环的一个位置点旋转至下一个位置点（移至热源的正下方），而热源6保持不动。热源6是由热源控制模块来控制开启和关闭，且通过热源控制模块可以设置加热温度、加热时间以及温升梯度。可调支撑架由横向可伸缩杆5和纵向可伸缩杆4构成，通过横向可伸缩杆5和纵向可伸缩杆4可以调节热源6在水平和竖直方向的位置，使热源6始终保持在位置点的正上方，热源6向下辐射对位置点准确加热。

测试定位装置中的所有部件不应产生明显的磁场感应，以不产生光纤陀螺零偏变化为判据。本实施例中，数据获取和处理模块为工程控制计算机3，工程控制计算机3与被侧光纤陀螺2的输出端电连接，工程控制计算机3获取整个过程中，每个位置点的零偏变化数据，并对零偏变化数据进行处理、分析得到最小的零偏变化极差，最小零偏变化极差对应的位置点即为直观可测的热中心。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使能正常运行的光纤陀螺的光纤环裸露在外，在所述光纤环上标记多个位置点；

步骤2：光纤陀螺正常运行，对第一个位置点进行加热，且一段时间后停止加热，获取加热前、加热过程中、以及停止加热后全过程中光纤陀螺的零偏变化数据；

步骤3：待光纤陀螺的零偏回归到常温时零偏后，对下一个位置点进行加热，且一段时间后停止加热，获取加热前、加热过程中、以及停止加热后全过程中光纤陀螺的零偏变化数据；

步骤4：重复步骤3，直到完成所有位置点的加热和零偏变化数据的获取；

步骤5：对所有位置点对应的零偏变化数据进行处理，得到每个位置点的零偏变化极差；

步骤6：从所有位置点的零偏变化极差中确定零偏变化极差的最小值，该最小值对应的位置点即为光纤环的热中心。

2.如权利要求1所述的一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，所述步骤1中，光纤陀螺的信号处理模块移出光纤陀螺，且通过加长线实现原有的电连接。

3.如权利要求1所述的一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，所述步骤1中，位置点的数量为8～20个。

4.如权利要求1所述的一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，所述位置点均匀分布在所述光纤环上。

5.如权利要求1所述的一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，采用点热源或线热源对所述位置点进行加热，且加热区域的大小不超过光纤环的厚度或高度。

6.如权利要求5所述的一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，在加热时，所述点热源或线热源位于被加热位置点的正上方，且点热源或线热源与被加热位置点的距离为2cm～10cm。

7.如权利要求5或6所述的一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，所述点热源为激光、等离子束、感应加热源或电子束，且所述点热源的最高加热温度不超过100°C，最大温升梯度不超过5°C/min。

8.如权利要求1所述的一种光纤环热中心的测试定位方法，其特征在于，所述一段时间为1min～3min。

9.一种光纤环热中心的测试定位装置，其特征在于，包括旋转机构、旋转控制模块、热源、热源控制模块、被测光纤陀螺以及数据获取和处理模块；

所述被测光纤陀螺固设于所述旋转机构上，且被测光纤陀螺的光纤环裸露在外，在光纤环上标记有多个位置点；所述热源通过可调支撑架位于所述光纤环的上方，以便旋转机构带动光纤陀螺旋转时各个位置点依次处于热源的正下方；

所述旋转机构与旋转控制模块连接，所述热源与热源控制模块电连接，所述被测光纤陀螺与数据获取和处理模块电连接。

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