CN111964659A - 一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统 - Google Patents

一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统 Download PDF

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Abstract

一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，对光纤环的温度性能进行测试及评价，光纤环、测环工装，放入带隔振地基的温箱内。其它光学器件、陀螺电路均放在温箱外。利用测试线缆，连接光纤陀螺、计算机、电源箱。通电正确后，开启各设备，对陀螺输出数据进行监测并保存。首先对整套测试系统的常温、恒定温度点精度进行测试，满足要求后才可用于温度循环测试。利用大量的温度测试结果，分析了基于Shupe系数的线性误差和线性补偿后的非线性误差，两者共同构成光纤环的评价指标。最后，配有专门的光纤陀螺光纤环处理系统，操作简单快捷，避免代码更改。经筛选后的光纤环，提高了光纤陀螺温度合格率。

Description

一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统。
背景技术
光纤环作为光纤陀螺的核心敏感元件，其性能直接影响光纤陀螺的精度。尤其是温度特性，制约了光纤陀螺的全温零偏稳定性。为了确保光纤陀螺的全温精度，提高光纤陀螺的合格率，装配前需要对光纤环进行筛选。光纤环的温度特性，受所用光纤、胶、绕制工艺、固胶工艺等影响，很难从单方面评价光纤环的温度指标。因此，如何测试及评价光纤环尤为重要，不但有助于光纤环性能的提升，而且能够提高光纤陀螺的精度和生产效率。
目前，很多学者通过监测绕环过程的参数，控制最终光纤成环的质量。如利用机器视觉非接触测量方法，建立了光纤环绕制长度实时精确测量系统。或设计基于机器视觉的实时监测系统，及时纠正绕线不均匀、爬线、断线等情况。绕成环后，利用应力或偏振串扰分析仪获得光纤环的应力或串扰分布，根据被测量分布的波动情况，反映光纤环的缠绕质量。这些检测方法都只是对光纤环常温状态下的某些特定参数进行判断，不能准确反映光纤环的温度特性。为了测试光纤环温度特性，有的学者搭建光纤环测试光路，比较光纤环两端在升温条件下输出光功率及其差值，判断光纤环的好坏。这种评价方法只是定性的判断光纤环质量好坏，没有给出光纤环质量与光纤陀螺全温精度的关系。
为了建立光纤环质量与光纤陀螺全温精度的关系，搭建光纤环温度测试系统，所用元器件与光纤陀螺产品保持一致。根据测试结果，给出全温条件下，评价光纤环质量的两个指标：线性误差和非线性误差。该指标不但能够判断光纤环的质量，而且能够给出光纤环质量与光纤陀螺全温精度的关系。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光纤陀螺光纤环温度测试及指标评价系统，利用该系统，实现光纤陀螺装配后整表的全温精度，补偿后零偏稳定性优于0.01°/h。
本发明的技术解决方案是：一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，包括测试系统和评价系统；
测试系统包括光路部分、电路部分、测试设备；
光路部分包括掺铒光纤光源、耦合器、Y波导集成光学器件、光纤环、探测器；电路部分包括温度传感器、掺铒光纤光源驱动电路、带通滤波器、AD转换器、数字信号处理电路、DA转换器和放大器；测试设备包括检测装置壳体、温箱、计算机；
光纤环放在检测装置壳体内，温度传感器设置在光纤环中心，检测装置壳体放入带隔振地基的温箱；
掺铒光纤光源由掺铒光纤光源驱动电路提供驱动电流，产生平坦光谱信号，光谱信号经过耦合器后到达Y波导集成光学器件，产生两束线偏振光进入光纤环，经过光纤环传播后，两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件、耦合器后到达探测器，探测器将光信号转换为电流信号；
探测器产生的电流信号经带通滤波器后变为交流信号，再经过A/D转换器转换为数字信号，在数字信号处理电路内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出角速度，同时，数字信号处理电路将陀螺的输出角速度积分产生数字阶梯波，数字阶梯波通过D/A转换器和放大器作为反馈信号施加到Y波导集成光学器件上，补偿因输入引起的Sagnac相移，实现数字闭环控制；
温度传感器测得的温度信息发给电路部分中的数据传递接口，温度信息同陀螺的输出角速度信息打包形成陀螺数据共同上传至计算机；
计算机搭载评价系统，评价系统根据陀螺的输出角速度、温度计算获得评价指标，根据评价指标对光纤环性能进行评价。
评价指标包括光纤环温度测试下的线性误差和非线性误差；线性误差用于判断光纤环的对称性，非线性误差用于判断光纤环的可补偿性。
评价系统包括加载数据模块、选择参数及参数设置模块、数据处理模块、结果显示模块和图形显示模块；
加载数据模块加载并显示陀螺数据的数据行数、数据列数；
选择参数及参数设置模块显示陀螺数据的开始行、结束行、陀螺数据在数据文件中位于的列数，在选择参数及参数设置模块中设置数据采样频率、平滑时间和标度因数；
数据处理模块根据陀螺的输出角速度、温度计算获得评价指标，传输给结果显示模块或图形显示模块；
结果显示模块显示光纤环线性误差、非线性误差结果，显示零偏值、零偏稳定性补偿前和补偿后结果；
图形显示模块显示光纤环补偿前零偏值随时间变化的曲线，或显示光纤环补偿前后零偏值随时间变化的对比曲线；同时，图形显示模块输出matlab的Figure图形。
线性误差的计算方法为：
设置温箱温度范围、温度变化率、高低温保持时间，保存并分析陀螺的输出角速度和温度数据；对温箱的温度变化率和对应的零偏值按照温度变化率由-1℃/min～1℃/min的顺序重新排列，采用最小二乘的方法拟合出一条直线
Figure BDA0002558264200000032
直线的斜率K为线性误差；
其中，T为温度，b为截距。
非线性误差的计算方法为：
利用线性误差进行补偿，对补偿后的零偏值，按照dT、T的正负分成四段，求每段数据补偿后的标准差std1、std2、std3、std4，取其中最大值为非线性误差。
标准差的计算公式为：
Figure BDA0002558264200000031
使用所述的光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统对光纤陀螺光纤环进行评价的方法，包括步骤如下：
对所述测试与评价系统的常温、恒定温度点精度进行测试，保证满足精度指标；
设置温箱温度范围、温度变化率、高低温保持时间，采集并保存光纤环的陀螺数据；
使用评价系统加载陀螺数据，在评价系统中设置数据采样频率、平滑时间和标度因数；
在评价系统中得到光纤环线性误差、非线性误差结果，零偏值、零偏稳定性补偿前和补偿后结果，并显示光纤环零偏值随时间变化的曲线，光纤环补偿前后零偏值随时间变化的对比曲线，同时得到光纤环零偏随时间变化曲线的Figure图形。
对所述测试与评价系统的常温、恒定温度点精度进行测试的方法如下：
常温测试：通电6小时，测试光纤环的零偏值及温度随时间变化的曲线，利用后2个小时的数据，计算零偏稳定性；
恒定温度点测试：将温箱分别设置恒定温度为-40℃、+60℃，通电6小时，测试光纤环的零偏值及温度随时间变化曲线，利用后2个小时的数据，分别计算-40℃、+60℃对应的零偏稳定性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，其测试部分，所用元器件，所经历温度条件，能够准确反映光纤陀螺整表后的全温精度。其评价部分，一是给出光纤环温度性能指标，线性误差和非线性误差，为筛选光纤环提供判据，二是根据光纤环温度指标，尤其是非线性误差低于0.022°/h，能够确保光纤陀螺整表后的全温精度优于0.01°/h。三是采用光纤环处理系统，操作简单快捷，降低计算失误率。
附图说明
图1为本发明光纤环测试系统示意图。
图2为本发明常温下光纤环测试曲线。
图3为本发明恒定温度点下光纤环测试曲线(-40℃)。
图4为本发明恒定温度点下光纤环测试曲线(+60℃)。
图5为本发明评价光纤环指标流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例
如图1所示，一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，包括测试系统和评价系统；
测试系统包括光路部分、电路部分、测试设备；光路部分包括掺铒光纤光源1、耦合器2、Y波导集成光学器件3、光纤环5、探测器7；电路部分包括温度传感器4、掺铒光纤光源驱动电路13、带通滤波器8、AD转换器9、数字信号处理电路10、DA转换器11和放大器12；测试设备包括检测装置壳体6、温箱14、计算机15、测试线缆16和电源箱17；
光路各部分之间采用光纤进行熔接，光路和电路部分之间采用探测器和电线连接。测试线缆将电路部分、电源箱、计算机连接起来，完成测试系统的电气连接。
测试系统的光电信号流向如下，光路部分的掺铒光纤光源1由电路部分的掺铒光纤光源驱动电路13提供驱动电流，产生平坦光谱信号，该信号经过耦合器2后到达Y波导集成光学器件3，产生两束线偏振光进入光纤环5，经过光纤线圈传播后，两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件3、耦合器2后到达探测器7，探测器7将光信号转换为电流信号，该电流信号经带通滤波器8后变为交流信号，再经过A/D转换器9之后变为数字信号，在数字信号处理电路10内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出角速度，另一方面将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波，并通过D/A转换器11和放大器12作为反馈信号施加到Y波导集成光学器件3上，补偿因输入引起的Sagnac相移，实现数字闭环控制。温度传感器4测得的温度信息发给电路部分中的数据传递接口，温度信息同陀螺的输出角速度信息打包共同上传至计算机15；计算机15搭载评价系统，电源箱17为陀螺供电。
一种光纤陀螺光纤环温度测试及评价系统如图1，光纤环5放在检测装置壳体6内，温度传感器4放在光纤环5中心，一起放入带隔振地基的温箱14。光纤环5双端的尾纤、穿过温箱14特定的出口，与外面的Y波导集成光学器件3通过熔接机连接。温度传感器4的导线，穿过温箱14特定的出口，与电路板通过接插件连接。光源驱动线、Y波导调制线与电路板通过接插件连接。电源箱17、计算机15、电路板之间通过测试线缆16的接插件连接。利用万用表检查电气连接正确性，确定无误后，设置采集软件，开启电源箱，监测并保存光纤环和温度传感器的数据。
为避免其它光、电路元器件、温箱14对光纤环5测试的影响，对常温、恒定温度点下的测试精度提出了一定要求：
常温测试，通电6小时，测试光纤环5的曲线如图2，利用后2个小时的数据，计算零偏稳定性为0.0033°/h，反映了陀螺电路、光路的常温噪声水平。
恒定温度点测试，温箱14分别设置恒定温度-40℃、+60℃，通电6小时，测试光纤环5的曲线如图3、图4，利用后2个小时的数据，计算零偏稳定性为0.0065°/h，0.0041°/h，反映了陀螺电路、光路的低高温噪声水平，同时反映了温箱14的抗振性能。
上述两个测试，满足精度指标后，无需再测。
评价系统中评价指标包括光纤环温度测试下的线性误差和非线性误差。线性误差代表了光纤环的温度灵敏度，数值越大，说明光纤环对称性差。非线性误差代表了光纤环的可补偿程度。数值越大，说明光纤陀螺补偿后的精度较差，两指标要求越小越好。通过这两个指标，不但能够判断光纤环的质量，而且能够建立光纤环指标与光纤陀螺全温精度的关系。
光纤环测试温度条件与陀螺整表后的测试条件保持一致。设置温箱14温度范围(-40～+60℃)，温度变化率(1℃/min)，高低温保持时间(2h)。保存并分析光纤环5和温度数据，零偏值(通过陀螺的输出角速度计算获得的)与温度变化率之间的关系可用Shupe系数描述：
Shupe系数＝零偏值(°/h)/温度变化率(℃/min)
单位：°/h/℃/min。
为了获得鲁棒性的Shupe系数，首先对温度变化率和对应的零偏值按照温度变化率由-1℃/min～1℃/min的顺序重新排列，然后采用最小二乘的方法拟合出一条直线，直线的斜率K即为Shupe系数，称为线性误差。
Figure BDA0002558264200000071
T为温度，b为截距；
利用线性误差进行补偿，对补偿后的零偏值，按照dT、T的正负分成四段，求每段数据补偿后的标准差std1、std2、std3、std4，取其中最大值，称为非线性误差。非线性误差定义为：
max([std1,std2,std3,std4])；
标准差公式为：
Figure BDA0002558264200000072
线性误差的大小，反映了光纤环5对称性的好坏，数值越大，代表光纤环的温度灵敏度越大。非线性误差的大小，反映了光纤环可补偿性的程度，数值越大，说明光纤陀螺补偿后的精度较差。具体计算流程，如图5。
评价系统包括加载数据模块、选择参数及参数设置模块、数据处理模块、结果显示模块和图形显示模块。
加载数据模块加载并显示陀螺数据的数据行数、数据列数，陀螺数据的内容包括陀螺的输出角速度、温度；
选择参数及参数设置模块显示陀螺数据的开始行、结束行、陀螺数据在数据文件中位于的列数，在选择参数及参数设置模块中设置数据采样频率、平滑时间和标度因数。默认数据起始行1，结束行为数据总长度，陀螺数据位于第2列。采样频率1Hz，平滑时间100s，标度因数为数据平均值与地速的比值。用户可根据实际情况，更改其中任何一个参数。
数据处理模块根据陀螺的输出角速度、温度计算获得评价指标，传输给结果显示模块或图形显示模块；
结果显示模块显示光纤环线性误差、非线性误差结果，显示零偏值、零偏稳定性补偿前和补偿后结果；
图形显示模块显示光纤环补偿前零偏值随时间变化的曲线，或显示光纤环补偿前后零偏值随时间变化的对比曲线；同时，图形显示模块会输出matlab的Figure图形。
利用该系统，对几十只光纤环，进行筛选。非线性误差的一个临界值是0.022°/h，非线性误差小于0.022°/h的光纤环，补偿后的零偏稳定性≤0.01°/h，装成整表后陀螺补偿后的零偏稳定性≤0.01°/h。非线性误差大于0.022°/h的光纤环，补偿后的零偏稳定性>0.01°/h，装成整表后陀螺补偿后的零偏稳定性>0.01°/h。实验结果，验证了光纤环非线性误差评价指标的有效性。提供了光纤环筛选的依据，为后续高精度光纤陀螺的生产具有指导意义。
使用光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统对光纤陀螺光纤环进行评价的方法，包括步骤如下：
对所述测试与评价系统的常温、恒定温度点精度进行测试，保证满足精度指标；
设置温箱14温度范围、温度变化率、高低温保持时间，采集并保存光纤环5的陀螺数据；
使用评价系统加载陀螺数据，在评价系统中设置数据采样频率、平滑时间和标度因数；
在评价系统中得到光纤环线性误差、非线性误差结果，零偏值、零偏稳定性补偿前和补偿后结果，并显示光纤环零偏值随时间变化的曲线，光纤环补偿前后零偏值随时间变化的对比曲线，同时得到光纤环零偏随时间变化曲线的Figure图形。
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 (8)

1.一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，其特征在于，包括测试系统和评价系统；
测试系统包括光路部分、电路部分、测试设备；
光路部分包括掺铒光纤光源(1)、耦合器(2)、Y波导集成光学器件(3)、光纤环(5)、探测器(7)；电路部分包括温度传感器(4)、掺铒光纤光源驱动电路(13)、带通滤波器(8)、AD转换器(9)、数字信号处理电路(10)、DA转换器(11)和放大器(12)；测试设备包括检测装置壳体(6)、温箱(14)、计算机(15)；
光纤环(5)放在检测装置壳体(6)内，温度传感器(4)设置在光纤环(5)中心，检测装置壳体(6)放入带隔振地基的温箱(14)；
掺铒光纤光源(1)由掺铒光纤光源驱动电路(13)提供驱动电流，产生平坦光谱信号，光谱信号经过耦合器(2)后到达Y波导集成光学器件(3)，产生两束线偏振光进入光纤环(5)，经过光纤环(5)传播后，两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件(3)、耦合器(2)后到达探测器(7)，探测器(7)将光信号转换为电流信号；
探测器(7)产生的电流信号经带通滤波器(8)后变为交流信号，再经过A/D转换器(9)转换为数字信号，在数字信号处理电路(10)内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出角速度，同时，数字信号处理电路(10)将陀螺的输出角速度积分产生数字阶梯波，数字阶梯波通过D/A转换器(11)和放大器(12)作为反馈信号施加到Y波导集成光学器件(3)上，补偿因输入引起的Sagnac相移，实现数字闭环控制；
温度传感器(4)测得的温度信息发给电路部分中的数据传递接口，温度信息同陀螺的输出角速度信息打包形成陀螺数据共同上传至计算机(15)；
计算机(15)搭载评价系统，评价系统根据陀螺的输出角速度、温度计算获得评价指标，根据评价指标对光纤环(5)性能进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，其特征在于，评价指标包括光纤环温度测试下的线性误差和非线性误差；线性误差用于判断光纤环(5)的对称性，非线性误差用于判断光纤环(5)的可补偿性。
3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，其特征在于，评价系统包括加载数据模块、选择参数及参数设置模块、数据处理模块、结果显示模块和图形显示模块；
加载数据模块加载并显示陀螺数据的数据行数、数据列数；
选择参数及参数设置模块显示陀螺数据的开始行、结束行、陀螺数据在数据文件中位于的列数，在选择参数及参数设置模块中设置数据采样频率、平滑时间和标度因数；
数据处理模块根据陀螺的输出角速度、温度计算获得评价指标，传输给结果显示模块或图形显示模块；
结果显示模块显示光纤环线性误差、非线性误差结果，显示零偏值、零偏稳定性补偿前和补偿后结果；
图形显示模块显示光纤环补偿前零偏值随时间变化的曲线，或显示光纤环补偿前后零偏值随时间变化的对比曲线；同时，图形显示模块输出matlab的Figure图形。
4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，其特征在于，线性误差的计算方法为：
设置温箱(14)温度范围、温度变化率、高低温保持时间，保存并分析陀螺的输出角速度和温度数据；对温箱(14)的温度变化率和对应的零偏值按照温度变化率由-1℃/min～1℃/min的顺序重新排列，采用最小二乘的方法拟合出一条直线
Figure FDA0002558264190000021
直线的斜率K为线性误差；
其中，T为温度，b为截距。
5.根据权利要求4所述的一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，其特征在于，非线性误差的计算方法为：
利用线性误差进行补偿，对补偿后的零偏值，按照dT、T的正负分成四段，求每段数据补偿后的标准差std1、std2、std3、std4，取其中最大值为非线性误差。
6.根据权利要求5所述的一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统，其特征在于，标准差的计算公式为：
Figure FDA0002558264190000031
7.使用如权利要求1～6所述的光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统对光纤陀螺光纤环进行评价的方法，其特征在于，包括步骤如下：
对所述测试与评价系统的常温、恒定温度点精度进行测试，保证满足精度指标；
设置温箱(14)温度范围、温度变化率、高低温保持时间，采集并保存光纤环(5)的陀螺数据；
使用评价系统加载陀螺数据，在评价系统中设置数据采样频率、平滑时间和标度因数；
在评价系统中得到光纤环线性误差、非线性误差结果，零偏值、零偏稳定性补偿前和补偿后结果，并显示光纤环零偏值随时间变化的曲线，光纤环补偿前后零偏值随时间变化的对比曲线，同时得到光纤环零偏随时间变化曲线的Figure图形。
8.根据权利要求7所述的对光纤陀螺光纤环进行评价的方法，其特征在于，对所述测试与评价系统的常温、恒定温度点精度进行测试的方法如下：
常温测试：通电6小时，测试光纤环(5)的零偏值及温度随时间变化的曲线，利用后2个小时的数据，计算零偏稳定性；
恒定温度点测试：将温箱(14)分别设置恒定温度为-40℃、+60℃，通电6小时，测试光纤环(5)的零偏值及温度随时间变化曲线，利用后2个小时的数据，分别计算-40℃、+60℃对应的零偏稳定性。
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