CN111024130A - 一种光纤陀螺可靠性分析系统及光纤陀螺的标度因数的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺可靠性分析系统，所述系统包括变温温箱、光纤陀螺、支撑架、同轴连接器、夹具和速率转台，所述设置于变温温箱内；所述速率转台设置于变温温箱的下方，所述变温温箱、夹具和速率转台的台面均平行设置，所述速率转台能够带动光纤陀螺、同轴连接器、夹具、光纤陀螺同步旋转。本发明系统可解决工程上光纤陀螺环圈可靠性无法单独考核问题。将光纤陀螺环圈以及波导视为一个组件，与其他光路和电路隔离，再将陀螺单独置于温箱内进行连续高温应力激励，多次循环采集标度因数变化量。为了解决标度测试中环圈旋转测试问题。

Description

一种光纤陀螺可靠性分析系统及光纤陀螺的标度因数的判定 方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其是一种光纤陀螺可靠性分析系统及光纤陀螺的标度因数的判定方法。

背景技术

光纤陀螺作为一种新型光电传感器已广泛地应用在陆、海、空、天、潜等诸多领域，随着光纤陀螺技术的提高以及陀螺日益大批量的列装，光纤陀螺的可靠性问题越来越引起人们的关注。由于光纤陀螺本身可靠性较传统机械陀螺有显著地提高，业内对光纤陀螺可靠性已经不仅局限在传统意义上的功能失效，而将性能指标超差或者性能退化也逐渐纳入重点考核范畴。许多应用领域已经要求光纤陀螺10年内免标校。这要求陀螺在长时间的贮存后开电以及连续带电后再次上电工作，在免维修、免校准限定下，测试指标不超过规定要求。这对光纤陀螺的技术和工艺都提出了较为苛刻的要求。前些年工程实践就发生了光纤陀螺标度因数缓慢变化超差的问题，极端情况下陀螺标度在1年内超差达上百ppm情况，这严重制约陀螺在中高精度制导装备上的应用。为了准确定位可靠性瓶颈，有必要对造成上述影响的陀螺内部器件进行“元件级”可靠性测试和验证。光纤陀螺环圈是光纤陀螺的核心器件，环圈不仅影响陀螺的零偏稳定性，其尺寸变化也直接影响陀螺的标度因数指标。然而，由于光纤陀螺是一种光电集成器件组成的光电传感器，工程上很难将光纤陀螺的敏感环圈与其他部分的光电器件独立考核。一方面是因为各个研究单位环圈成环工艺，对环圈可靠性的认识看法不一，另一方面是行业内对光纤陀螺的研究还停留在整机考核，尚未深入到底层环圈元件上，这涉及到测试方法不统一和环圈胶体影响无法分离等诸多难点。目前为止，光纤陀螺环圈级的可靠性测试和评价一直是行业的空白，仅停留在理论仿真和外推评估。

通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种光纤陀螺可靠性分析系统及光纤陀螺的标度因数的判定方法，该系统能够解决工程上光纤陀螺环圈可靠性无法单独考核问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种光纤陀螺可靠性分析系统，所述系统包括变温温箱、光纤陀螺、支撑架、同轴连接器、夹具和速率转台，所述支撑架沿竖直方向设置，所述变温温箱设置于支撑架的顶部，且该变温温箱沿水平方向设置；

所述夹具沿水平方向设置，且设置于变温温箱内；所述速率转台设置于变温温箱的下方，且该速率转台的台面通过同轴相连接设置的同轴连接器与夹具同轴连接在一起，所述同轴连接器通过轴承与变温温箱的底部紧密活动相连接设置，该同轴连接器能够在变温温箱的底部旋转，且该同轴连接器通过密封圈与变温温箱的底部紧密相连接设置；

所述光纤陀螺包括环圈组件和有源器件，所述环圈组件包括相连接设置的波导和环圈，所述有源器件包括光纤和电线、除光纤和电线之外的器件，光纤陀螺的环圈组件可拆卸设置于变温温箱内，且可拆卸设置于夹具的上表面上；所述光纤和电线的一端与环圈组件相连接设置，该光纤和电线的另一端穿过同轴连接器内部且穿出同轴连接器，除光纤和电线之外的器件均可拆卸设置于速率转台的台面上；

所述变温温箱、夹具和速率转台的台面均平行设置，所述速率转台能够带动光纤陀螺、同轴连接器、夹具、光纤陀螺同步旋转。

而且，所述环圈组件的数量为1个或2个以上。

利用如上所述的光纤陀螺可靠性分析系统判定光纤陀螺的标度因数的方法，步骤如下：

将陀螺视为不可修复系统，系统的平均寿命指系统发生失效前的平均工作或存储时间或工作次数，也称为系统在失效前的平均时间，记为MTTF，标度因数失效判据定为：以标度因数变化首次超过100ppm为不良品，即性能退化故障；

MTTF＝t1+(t2-t1)*0.632

其中，t1为样本空间中样品达到不良率最短时间，t2为样本空间中样本达到不良率最长时间；

根据上述公开即可对光纤陀螺的标度因数进行检测及判定。

本发明取得的优点和积极效果是：

1、本系统能够以光纤陀螺敏感陀螺性能为研究对象，通过定量机理分析给出产品较长期性能应力加速退化影响分析公式，以便提前预测评估环圈的可靠性。

2、本系统包括变温温箱、光纤陀螺、支撑架、同轴连接器、夹具和速率转台，速率转台能够提供转速以便测试陀螺标度，同轴连接器能够连接速率转台和环圈、波导，同时其也能确保光纤和电线穿过同轴连接器。

3、本系统能够简单有效地实现速率转台自由旋转、一个或两个以上环圈共用一个光源(光源波长变化也是影响标度的较大因素)，将光源置于室内恒温条件下，其标度影响可以忽略。同轴连接器作为陀螺的支撑装置，起着传递转台转速作用，同时也起到光电分离且保持长期旋转免安装的作用。该机构突破了原有结构难点，该系统可以有效地将光源和其他外部影响因素与环圈自身影响因素区分开来，解决了测标度过程中光纤陀螺环圈与转台同步旋转，环圈单独温度激励结构难点。

4、本发明系统实为一个“准陀螺”，变温温箱将环圈与其他的光源和线路分成两部分，实现了光源、线路置于恒温环境，单独将环圈进行变温激励的思路，通过测试准陀螺的标度因数达到分析环圈的标度。

5、为了准确测量敏感环圈对光纤陀螺标度因数长期可靠性的影响，所提出的将敏感环圈独立评测的测试分析系统，本发明系统可解决工程上光纤陀螺环圈可靠性无法单独考核问题。将光纤陀螺环圈以及波导视为一个组件，与其他光路和电路隔离，再将陀螺单独置于温箱内进行连续高温应力激励，多次循环采集标度因数变化量。为了解决标度测试中环圈旋转测试问题，采用同轴连接器将光源、线路部分及陀螺与速率转台刚性连接实现一同旋转。在数据处理方法上采用平均失效前时间(MTTF)评测环圈可靠性寿命。

附图说明

图1为本发明系统的一种结构连接示意图；

图2为本发明系统的一种结构连接实物图；

图3为本发明中一种测试温度剖面图。

具体实施方式

下面结合通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明未具体详细描述的结构，均可以理解为本领域的常规结构。

一种光纤陀螺可靠性分析系统，如图1所示，所述系统包括变温温箱3、光纤陀螺、支撑架9、同轴连接器11、夹具4和速率转台8，所述支撑架沿竖直方向设置，所述变温温箱设置于支撑架的顶部，且该变温温箱沿水平方向设置；

所述夹具沿水平方向设置，且设置于变温温箱内；所述速率转台设置于变温温箱的下方，且该速率转台的台面通过同轴相连接设置的同轴连接器与夹具同轴连接在一起，所述同轴连接器通过轴承(图中未示出)与变温温箱的底部紧密活动相连接设置，该同轴连接器能够在变温温箱的底部旋转，且该同轴连接器通过密封圈5与变温温箱的底部紧密相连接设置；

所述光纤陀螺包括环圈组件和有源器件，所述环圈组件包括相连接设置的波导1和环圈2，所述有源器件包括光纤6和电线(图中未示出)、除光纤和电线之外的器件7，光纤陀螺的环圈组件可拆卸设置于变温温箱内，且可拆卸设置于夹具的上表面上；所述光纤和电线的一端与环圈组件相连接设置，该光纤和电线的另一端穿过同轴连接器内部且穿出同轴连接器，除光纤和电线之外的器件均可拆卸设置于速率转台的台面10上；

所述变温温箱、夹具和速率转台的台面均平行设置，所述速率转台能够带动光纤陀螺、同轴连接器、夹具、光纤陀螺同步旋转。

本系统包括变温温箱、光纤陀螺、支撑架、同轴连接器、夹具和速率转台，速率转台能够提供转速以便测试陀螺标度，同轴连接器能够连接速率转台和环圈、波导，同时其也能确保光纤和电线穿过同轴连接器。

本系统能够简单有效地实现速率转台自由旋转、一个或两个以上环圈共用一个光源(光源波长变化也是影响标度的较大因素)，将光源置于室内恒温条件下，其标度影响可以忽略。同轴连接器作为陀螺的支撑装置，起着传递转台转速作用，同时也起到光电分离且保持长期旋转免安装的作用。该机构突破了原有结构难点，该系统可以有效地将光源和其他外部影响因素与环圈自身影响因素区分开来，解决了测标度过程中光纤陀螺环圈与转台同步旋转，环圈单独温度激励结构难点。

本发明系统实为一个“准陀螺”，变温温箱将环圈与其他的光源和线路分成两部分，实现了光源、线路置于恒温环境，单独将环圈进行变温激励的思路，通过测试准陀螺的标度因数达到分析环圈的标度。

在本实施例中，所述环圈组件的数量为1个或2个以上。

本发明系统的相关的理论分析如下：

光纤陀螺的标度因数主要和陀螺光源波长以及环圈尺寸有关，如下式所示：

其中K是陀螺标度因数，L是光纤环圈纤长，D是光纤环圈直径，λ是波长，c是真空光速，N是环圈的光纤匝数，为一常数。如果λ和D是互相独立的，那么公式(1)两端求微分后，可得

其中dK/K是标度因数变化分数，单位(ppm)，依照材料力学理论，

其中α是环圈等效线胀系数,ΔT是温度变化量。

将公式(3)代入公式(2)，得

公式(4)表明标度因数慢变或者不稳定性与环圈材料的线胀系数、波长变化有关系。

由于光纤陀螺环圈由光纤和胶体等高分子材料组成，即使在温度不变的情况下其线胀系数等参数也会随时间老化和改变。例如，经过长期恒温85℃连续应力，胶体的模量会渐渐变化，进而会影响环圈的应力和尺寸导致标度因数误差。研究表明，在武器系统应用中，标度因数的长期变化较短期变化更值得深入考核。为了找出影响光纤陀螺环圈标度因数长期缓慢变化的主要影响因素，有必要建立一个独立测试系统来准确分析环圈影响因素。解决问题的关键是让环圈能够激励条件独立作用，而其他组件部分保持工作，这需要搭建一个“准”陀螺，解决办法是将“准”陀螺的陀螺单独置于温箱内，而其他器件置于温箱之外，通过温箱将陀螺与陀螺其他部分实现“分离”。

为此，提出本发明系统，光纤陀螺是一个固态惯性元件，在结构上主要包括环圈(含胶水)、光源、Y波导、耦合器、线路板、结构部件组成。上述部件均可影响光纤陀螺标度因数误差。

为了有效模拟陀螺应用环境，温度剖面如图3所示。以一周时间为一循环，其中六天时间内环圈都处于高温85℃条件下，有一天环圈进行高低温变化。在第七天并进行陀螺标度因数的数据采集。为了准确测试环圈陀螺标度因数的变化，要求测试过程中环圈相对转台台面不动，即无重复装卡。

将陀螺视为不可修复系统，系统的平均寿命指系统发生失效前的平均工作(或存储)时间或工作次数，也称为系统在失效前的平均时间，记为MTTF(meantime to failure)。标度因数失效判据定为：以标度因数变化首次超过100ppm为不良品(性能退化故障)。

MTTF＝t1+(t2-t1)*0.632 (5)

其中，t1为样本空间中样品达到不良率最短时间，t2为样本空间中样本达到不良率最长时间。

根据上述公开即可对光纤陀螺的标度因数进行检测及判定。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺可靠性分析系统，其特征在于：所述系统包括变温温箱、光纤陀螺、支撑架、同轴连接器、夹具和速率转台，所述支撑架沿竖直方向设置，所述变温温箱设置于支撑架的顶部，且该变温温箱沿水平方向设置；

所述夹具沿水平方向设置，且设置于变温温箱内；所述速率转台设置于变温温箱的下方，且该速率转台的台面通过同轴相连接设置的同轴连接器与夹具同轴连接在一起，所述同轴连接器通过轴承与变温温箱的底部紧密活动相连接设置，该同轴连接器能够在变温温箱的底部旋转，且该同轴连接器通过密封圈与变温温箱的底部紧密相连接设置；

所述光纤陀螺包括环圈组件和有源器件，所述环圈组件包括相连接设置的波导和环圈，所述有源器件包括光纤和电线、除光纤和电线之外的器件，光纤陀螺的环圈组件可拆卸设置于变温温箱内，且可拆卸设置于夹具的上表面上；所述光纤和电线的一端与环圈组件相连接设置，该光纤和电线的另一端穿过同轴连接器内部且穿出同轴连接器，除光纤和电线之外的器件均可拆卸设置于速率转台的台面上；

所述变温温箱、夹具和速率转台的台面均平行设置，所述速率转台能够带动光纤陀螺、同轴连接器、夹具、光纤陀螺同步旋转。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺可靠性分析系统，其特征在于：所述环圈组件的数量为1个或2个以上。

3.利用如权利要求1或2所述的光纤陀螺可靠性分析系统判定光纤陀螺的标度因数的方法，其特征在于：步骤如下：

将陀螺视为不可修复系统，系统的平均寿命指系统发生失效前的平均工作或存储时间或工作次数，也称为系统在失效前的平均时间，记为MTTF，标度因数失效判据定为：以标度因数变化首次超过100ppm为不良品，即性能退化故障；

MTTF＝t1+(t2-t1)*0.632

其中，t1为样本空间中样品达到不良率最短时间，t2为样本空间中样本达到不良率最长时间；

根据上述公开即可对光纤陀螺的标度因数进行检测及判定。

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