CN111811493A - 具有应力补偿的光纤陀螺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种具有应力补偿的光纤陀螺,在现有光纤陀螺包括光源,耦合器,Y波导,光纤环,探测器及信号处理电路的基础上,增加了温度传感器和压电陶瓷。其中,耦合器分别连接光源,探测器和Y波导;信号控制电路分别连接探测器,温度传感器,Y波导和压电陶瓷。由于光纤环缠绕有第一光纤和第二光纤,Y波导和光纤环通过第一光纤尾纤和第二光纤尾纤连接,第一光纤尾纤或第二光纤尾纤还缠绕在压电陶瓷上。工作时,信号处理电路根据光纤陀螺的敏感角速率信息和温度信息,实时控制压电陶瓷对压电陶瓷上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行压力补偿,平衡两侧的应力值,从而补偿光纤陀螺因应力导致的零位漂移。
Description
技术领域
本申请涉及角速率传感器技术领域,尤其涉及一种具有应力补偿的光纤陀螺。
背景技术
光纤环制作技术中,一般从一根光纤的中点开始,分别按照顺时针和逆时针的方向,依次进行缠绕,由于在过程总不可避免引入附加应力干扰,导致两侧光纤内部的应力并不完全对称;并且,随着缠绕层数的增加,缠绕的弯曲半径也在增大,导致每层光纤内部的应力平均值也会发生变化。在光纤环缠绕完成后,需要进行灌封胶填充,进行固化成形,灌封胶的固化同样会引入应力干扰。于是,在光纤环制作完成后,光纤环内部关于中点对称的两侧光纤应力存在偏差,这种偏差也会随着环境温度的变化而发生变化,导致光纤陀螺的零位发生漂移,精度损失严重。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题,本申请提供一种具有应力补偿的光纤陀螺。
本申请的方案如下:
一种具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,包括:
光源,耦合器,Y波导,光纤环,探测器,温度传感器,信号处理电路,压电陶瓷;
所述耦合器分别连接所述光源,所述探测器和所述Y波导;
所述信号控制电路分别连接所述探测器,所述温度传感器,所述Y波导和所述压电陶瓷;
所述光纤环缠绕有第一光纤和第二光纤;
所述Y波导和所述光纤环通过第一光纤尾纤和第二光纤尾纤连接;
所述第一光纤尾纤或所述第二光纤尾纤还缠绕在所述压电陶瓷上;
所述探测器用于探测光纤陀螺的敏感角速率信息并发送到所述信号处理电路;
所述温度传感器用于检测光纤陀螺的温度信息并发送到所述信号处理电路;
所述信号处理电路用于根据所述敏感角速率信息和所述温度信息,控制所述压电陶瓷对所述压电陶瓷上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行应力补偿。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,
所述信号处理电路控制所述压电陶瓷上的电流大小,对所述压电陶瓷上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行应力补偿。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,
所述第一光纤和所述第二光纤以相反的方向缠绕在所述光纤环上。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,
所述信号处理电路包括:信号控制电路和应力控制电路;
所述信号控制电路分别连接所述探测器,所述温度传感器,所述Y波导和所述应力控制电路;
所述应力控制电路连接所述压电陶瓷。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,缠绕在所述压电陶瓷上的光纤尾纤为所述第一光纤和所述第二光纤中,应力小的光纤尾纤。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,所述第一光纤尾纤或所述第二光纤尾纤在所述压电陶瓷上的缠绕长度为50cm-100cm。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,所述第一光纤尾纤或所述第二光纤尾纤在所述压电陶瓷上的缠绕长度由所述第一光纤和所述第二光纤的应力偏差确定。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,
所述第一光纤和所述第二光纤通过四极对称方式缠绕在所述光纤环上。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,
所述第一光纤和所述第二光纤的缠绕张力为5g-10g。
优选的,在本申请一种可实现的方式中,
所述压电陶瓷为圆环结构。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果:
本申请中的具有应力补偿的光纤陀螺,在现有光纤陀螺包括光源,耦合器,Y波导,光纤环,探测器及信号处理电路的基础上,增加了温度传感器,和压电陶瓷。其中,耦合器分别连接光源,探测器和Y波导;信号控制电路分别连接探测器,温度传感器,Y波导和压电陶瓷。由于光纤环缠绕有第一光纤和第二光纤,Y波导和光纤环通过第一光纤尾纤和第二光纤尾纤连接,第一光纤尾纤或第二光纤尾纤还缠绕在压电陶瓷上。工作时,探测器探测光纤陀螺的敏感角速率信息并发送到信号处理电路,温度传感器检测光纤陀螺的温度信息并发送到信号处理电路,信号处理电路根据光纤陀螺敏感角速率信息和温度信息实时控制压电陶瓷对压电陶瓷上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行压力补偿,平衡两侧的应力值,从而补偿光纤陀螺因应力导致的零位漂移。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的具有应力补偿的光纤陀螺的结构示意图;
图2是本申请另一个实施例提供的具有应力补偿的光纤陀螺的结构示意图。
附图标记:光源-1;耦合器-2;Y波导-3;光纤环-4;探测器-5;信号处理电路-6;信号控制电路-61;温度控制电路-62;压电陶瓷-7;温度传感器-8。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是本申请一个实施例提供的具有应力补偿的光纤陀螺的结构示意图,参照图1,一种具有应力补偿的光纤陀螺,包括:
光源1,耦合器2,Y波导3,光纤环4,探测器5,温度传感器8,信号处理电路6和压电陶瓷7;
耦合器2分别连接光源1,探测器5和Y波导3;
信号控制电路61分别连接探测器5,温度传感器8,Y波导3和压电陶瓷7;
光纤环4缠绕有第一光纤和第二光纤;
Y波导3和光纤环4通过第一光纤尾纤和第二光纤尾纤连接;
第一光纤尾纤或第二光纤尾纤还缠绕在压电陶瓷8上;
探测器5用于探测光纤陀螺的敏感角速率信息并发送到信号处理电路6;
温度传感器8用于检测光纤陀螺的温度信息并发送到信号处理电路6;
信号处理电路6用于根据敏感角速率信息和温度信息,控制压电陶瓷7对压电陶瓷8上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行应力补偿。
光纤环4制作技术中,需要将光纤按照一定的缠绕方法缠绕在光纤环4骨架上,根据光纤环4工作原理,光源1产生的光信号由光纤的两个端头分别输入,为了保证光信号受到的外界扰动最小化,光信号同步输入光纤后,历经的光程相同,同一时刻受到的外部扰动相同,如此才能在两束光返回干涉时消除外界因素引入的误差,从而保证光纤陀螺的使用精度。
光纤尾纤是指第一光纤和第二光纤在光纤环4上缠绕完毕后的剩余部分。
优选的,本实施例中第一光纤和第二光纤通过四极对称方式缠绕在光纤环4上,在很大程度上消除温度诱导的相位误差。
光纤环4制作采用四极对称方式缠绕,然后进行灌封固化。在光纤环缠绕过程中,不可避免会引入缠绕设备不完善引入的应力波动,优选的,一般使用5-10g的张力进行缠绕,张力最终体现在光纤内部的应力分布效果不同;在缠绕的换匝、换层、边沿处都会存在张力波动,导致应力出现异常,随着缠绕层数增加,不同缠绕半径下的应力也会不一致;另一方面,在灌封过程中,会引入固化应力和真空处理应力。这种光纤环的内部的应力分布不对称,会影响光纤环4,产生相位误差,由应力引发的光纤陀螺误差效应可表示为:
其中,Ω为陀螺的零位漂移,n是光纤的折射率,λ是光波长,c0是真空下光速,β0为光的传播常数,ΔS(z)表示在光纤传感环圈的z点处的应力变化量,L为光纤长度,D是环圈直径。
由公式可见,如果关于中点对称的两点之间存在应力对称,就会导致最终光纤环4产生检测角速率信号误差。
特别是当环境因素变化时,例如温度,光纤环4内部的应力也随之变化,从而影响光纤陀螺的整体性能的稳定性。
光纤陀螺一般由光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5和处理电路组成,当光纤环4缠绕完成后,其内部应力分布也相应固定下来,这种应力随温度变化导致光纤陀螺也随温度变化产生零位漂移。
第一光纤和所述第二光纤以相反的方向缠绕在所述光纤环上,比如,第一光纤顺时针缠绕在光纤环4上,第二光纤逆时针缠绕在光纤环4上。
本实施例中,首先通过仿真计算的方法,针对不同光纤环4,采用应力分析仪进行测试,得到光纤环4内部的应力分布曲线;将光纤环4放入温箱内,测试温变环境下的应力分布曲线。
由于第一光纤和第二光纤可能不等长,则第一光纤和第二光纤会产生一定的应力积分差值。
根据测试结果,计算光纤环4两边的应力积分差值,以及随温度的变化曲线。
将应力较小的光纤尾纤缠绕在压电陶瓷7上。
优选的,压电陶瓷7为圆环结构,更容易进行缠绕。
第一光纤尾纤或第二光纤尾纤在压电陶瓷7上的缠绕长度为50cm-100cm,缠绕长度由第一光纤和第二光纤的应力偏差确定。
结合应力分析仪测试得到压电陶瓷施加应力的效果,找到与光纤环应力差值相等的控制参数。
利用压电陶瓷7控制光纤应力的方法,拟合温变条件下光纤环4应力变化曲线,得到压电陶瓷7在不同温度条件下的控制参数。
在光纤陀螺工作时,光纤环4随温度产生应力导致零位漂移,探测器5探测光纤陀螺的温度数值并发送到信号处理电路6,信号处理电路6得到光纤陀螺温度数值,根据陀螺输出数值和温度数值实时控制压电陶瓷7上的电流,按照预先拟合的温度和电流对应关系进行调控,平衡两侧的应力值,从而补偿光纤陀螺因应力导致的零位漂移。
其中,陀螺输出数值是信号处理电路根据探测器探测到的光纤陀螺的敏感角速率信息解算得到的。
温度数值是根据温度传感器检测到的温度信息得出的。
一些实施例中的具有应力补偿的光纤陀螺,参照图2,
信号处理电路6包括:信号控制电路61和温度控制电路62;
信号控制电路61分别连接探测器5,温度传感器8,Y波导3和温度控制电路62;
温度控制电路62连接压电陶瓷7。
信号控制电路61主要用于接收探测器5发送的敏感角速率信息和温度传感器8发送的温度信息,并根据光纤陀螺敏感角速率信息和温度信息计算得出需要控制的温度数值,温度控制电路62主要用于控制压电陶瓷7对压电陶瓷7上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行应力补偿。
可以理解的是,上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考,在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是,在本申请的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外,在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解,本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,该程序在执行时,包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,包括:
光源,耦合器,Y波导,光纤环,探测器,温度传感器,信号处理电路,压电陶瓷;
所述耦合器分别连接所述光源,所述探测器和所述Y波导;
所述信号控制电路分别连接所述探测器,所述温度传感器,所述Y波导和所述压电陶瓷;
所述光纤环缠绕有第一光纤和第二光纤;
所述Y波导和所述光纤环通过第一光纤尾纤和第二光纤尾纤连接;
所述第一光纤尾纤或所述第二光纤尾纤还缠绕在所述压电陶瓷上;
所述探测器用于探测光纤陀螺的敏感角速率信息并发送到所述信号处理电路;
所述温度传感器用于检测光纤陀螺的温度信息并发送到所述信号处理电路;
所述信号处理电路用于根据陀螺输出数值和所述温度数值,控制所述压电陶瓷对所述压电陶瓷上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行应力补偿。
2.根据权利要求1所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,
所述信号处理电路控制所述压电陶瓷上的电流大小,对所述压电陶瓷上缠绕的第一光纤尾纤或第二光纤尾纤进行应力补偿。
3.根据权利要求1所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,
所述第一光纤和所述第二光纤以相反的方向缠绕在所述光纤环上。
4.根据权利要求1所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,
所述信号处理电路包括:信号控制电路和应力控制电路;
所述信号控制电路分别连接所述探测器,所述温度传感器,所述Y波导和所述应力控制电路;
所述应力控制电路连接所述压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,缠绕在所述压电陶瓷上的光纤尾纤为所述第一光纤和所述第二光纤中,应力小的光纤尾纤。
6.根据权利要求5所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,所述第一光纤尾纤或所述第二光纤尾纤在所述压电陶瓷上的缠绕长度为50cm-100cm。
7.根据权利要求6所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,所述第一光纤尾纤或所述第二光纤尾纤在所述压电陶瓷上的缠绕长度由所述第一光纤和所述第二光纤的应力偏差确定。
8.根据权利要求1所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,
所述第一光纤和所述第二光纤通过四极对称方式缠绕在所述光纤环上。
9.根据权利要求1所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,
所述第一光纤和所述第二光纤的缠绕张力为5g-10g。
10.根据权利要求1所述的具有应力补偿的光纤陀螺,其特征在于,
所述压电陶瓷为圆环结构。
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- 2020-06-24 CN CN202010586507.5A patent/CN111811493A/zh active Pending
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