CN112729339A - 光纤环温度性能测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤环技术领域，具体涉及一种光纤环温度性能测量装置及方法。该装置包括：结构组件、光纤环测试模块、温度控制模块，其中，结构组件包括基座、支撑件、金属托盘、测试基准台、顶罩；光纤环测试模块包括光路组件、电路组件和结构件，用于测量光纤环的性能；温度控制模块包括加热模块、温度传感器、控制模块。本发明能够利用测量装置中的温度控制模块精确模拟实际使用环境的温度变化或温升梯度，利用光纤环测试模块测量光纤环在模拟实际使用工况下在陀螺级的零偏漂移和在惯组级的对准精度误差。
Description
技术领域
本发明属于光纤环技术领域，具体涉及一种光纤环温度性能测量装置及方法。
背景技术
光纤环是光纤陀螺的传感核心器件之一，与Y波导集成光学芯片等其他光学器件一起构成了光纤Sagnac干涉仪，主要用于精确测量光纤环轴向的旋转角速度。光纤环由一定长度的光纤按照特定工艺缠绕而成，在缠绕成型过程中或缠绕结束施加胶水固定，用来提高光纤环的稳定性和可靠性。而由于光纤缺陷、缠绕过程中的不确定因素，光纤环内部不可避免会存在不对称分布的应力，当环境温度发生变化时，不对称分布的应力点会产生非互易相移。这种由温度变化引起的相移与旋转引起的相移无法分辨，在光纤陀螺中会产生较大的漂移误差并影响其应用。因此在光纤环生产过程中通常需要增加温度测试项目来考核其性能。
通常采用的方法是利用温度试验箱给光纤环提供特定的温度变化，来完成光纤环筛选。这一方法有以下缺陷，一是温度试验箱内温度场变化与实际使用工况的温度场变化不一致，测试指标与实际使用性能之间对应关系不理想；二是测试时间较长，通常需要十个小时以上，效率较低；三是测试时光纤环尾纤需要从温箱中引出，去连接温箱外的测试系统，而光纤环的尾纤是敏感光纤，两根光纤上任何应力的不对称都会产生很大的误差，经常导致测试准确性和重复性不理想。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种简单、低成本、高效率的光纤环温度性能测试装置及方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤环温度性能测量装置，其包括：基座1、光纤环测试模块2、支撑件3、金属托板4、加热组件5、环基准台6、待测光纤环7、温度传感器9、连接光纤10、温度控制组件12、电连接器13；
所述光纤环测试模块2固定在基座1上，通过连接光纤10与待测光纤环7连接，光纤环测试模块2上的电连接器13用于连接上位机；
所述金属托板4通过支撑件3支撑设置于基座1上方；
所述加热组件5、温度传感器9、温度控制组件12构成温度控制模块，加热组件5安装在金属托板4底部中心位置，环基准台6固定在金属托板4顶部中心位置，待测光纤环7设置于环基准台6上端面上，温度传感器9粘贴在环基准台6上。
其中，所述装置还包括顶罩8，所述顶罩8倒扣在金属托板顶部4上，环基准台6、待测光纤环7、温度传感器9置于顶罩8内部。
其中，所述金属托盘4用于实现均匀的热场分布；
所述加热组件5与金属托盘4底部接触面涂导热硅脂，利于热传导；
环基准台6用于为待测光纤环7提供测试基准，同时减缓热传导速率，顶罩8用于将待测光纤环7与外界空气流隔离，提高测量精度。
其中，所述金属托盘4选用具有良好导热系数的金属材料加工。
其中，环基准台6为等厚度非金属材料。
其中，所述光纤环测试模块2包括：光源组件201、微光学分束器202、铌酸锂集成光学芯片203、光电采集与信号处理电路组件205；所述微光学分束器202单端的输出尾纤与光源组件201的输出尾纤连接，微光学分束器202双端的输出尾纤分别与铌酸锂集成光学芯片203的输入端、光电采集与信号处理电路组件205的输入端连接；铌酸锂集成芯片203的双根光纤204端尾纤并排加套管固定，用于与待测光纤环连接。
其中，所述温度控制模块中，所述加热组件5为半导体热组件或电热丝组件，与温度控制组件12之间通过连接导线11连接，用于加热；
所述温度传感器9与控制组件12之间用导线连接，用于测量环基准台6的温度变化；
所述控制组件12根据实际温度和期望温度的差值，驱动加热组件5工作，实现温度的闭环控制。
此外，本发明还提供一种光纤环温度性能测量方法，所述方法采用权利要求1所述光纤环温度性能测量装置来实施；
所述方法包括：
步骤1：利用光纤环温度性能测量装置精确模拟实际使用环境的温度变化或温升梯度；
步骤2：利用光纤环温度性能测量装置测量光纤环在模拟实际使用工况下在陀螺级的零偏相位差漂移和在惯组级的对准精度误差。
其中，在所述步骤1之前，首先将待测光纤环放置在基准台上，盖上顶罩，等待一段时间确保光纤环内部温度场稳定；
使用光纤环温度性能测量装置进行光纤环测试前，先测得实际使用工况在确定测试时间内的温度及温度梯度变化，以此来设置光纤环温度性能测量装置的温度梯度控制参数；
测试的基本原理是，光纤Sagnac干涉仪敏感到的相位差φ与传感光路的输入转速Ω之间的关系为φ＝K·Ω，K是与测试模块工作波长、待测光纤环直径、光纤长度、测试模块内部增益倍数相关的常数，当待测光纤环结构尺寸一致时，该常数不变。
其中，使用光纤环温度性能测量装置进行光纤环测试时，具体操作如下：首先不启动温度控制模块，待光纤环内部温度场稳定后，用上位机给光纤环测试模块上电并采集数据，测试一定时间，取均值，并记录光纤环的初始相位差为φ0；然后启动温度控制模块，加载模拟实际工况的温度控制参数，给待测光纤环提供设计的温度场变化，在此过程中连续采集光纤环模块输出并记录，测试时间不小于1小时，截取测试数据中后半个小时相对稳定的数据，标记为φ；
将φ与初始相位差φ0相减，即φ-φ0，得到光纤环在实际使用工况下的相位差漂移量，进而可以得到光纤陀螺在启动热环境影响下的零偏漂移；利用公式(1)计算得到待测光纤环相位差漂移量对光纤陀螺惯性导航装置定向对准精度的影响，式中φUs为对准角度误差量，ωie为地球自转角速度，L为测试点的地理纬度。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明提供了一种光纤环温度性能筛选装置，针对光纤环易受温度影响的特性，设计了一种温度和温度梯度可控的加热装置，可准确模拟光纤环在具体使用环境下的温升状况，相比于传统温箱测试方法，不仅消除了安装及测试工装差异带来的误差影响，而且温度可控，可精确模拟实际使用工况下的温升情况，测试成本低、效率高，尤其适用于大批量光纤环生产和筛选测试场合。
(2)本发明提供了一种光纤环测试方法，通过精确温度和温度梯度控制，模拟实际使用工况的环境温度，准确获得光纤环因温度影响在陀螺级产生的零偏漂移和在光纤惯组级产生的对准精度误差，有利于提高光纤环的筛选效率和准确性。
附图说明
图1为本发明光纤环温度性能测量装置的一种结构示意图；
其中：基座1、光纤环测试模块2、支撑件3、金属托板4、加热组件5、环基准台6、待测光纤环7、顶罩8、温度传感器9、连接光纤10、连接导线11、温度控制组件12、电连接器13；
图2为光纤环测试模块的结构示意图；
其中：光源组件201、微光学分束器202、铌酸锂集成光学芯片203、测试尾纤204、光电采集与信号处理电路组件205、顶盖206；
图3为光纤环测试模块光路、电路结构原理图；
图4为温度控制模块的控制原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤环温度性能测量装置，如图1-图4所示，其包括：基座1、光纤环测试模块2、支撑件3、金属托板4、加热组件5、环基准台6、待测光纤环7、温度传感器9、连接光纤10、温度控制组件12、电连接器13；
所述光纤环测试模块2固定在基座1上，通过连接光纤10与待测光纤环7连接，光纤环测试模块2上的电连接器13用于连接上位机；
所述金属托板4通过支撑件3支撑设置于基座1上方；
所述加热组件5、温度传感器9、温度控制组件12构成温度控制模块，加热组件5安装在金属托板4底部中心位置，环基准台6固定在金属托板4顶部中心位置，待测光纤环7设置于环基准台6上端面上，温度传感器9粘贴在环基准台6上。
其中，所述装置还包括顶罩8，所述顶罩8倒扣在金属托板顶部4上，环基准台6、待测光纤环7、温度传感器9置于顶罩8内部。
其中，所述金属托盘4用于实现均匀的热场分布；
所述加热组件5与金属托盘4底部接触面涂导热硅脂，利于热传导；
环基准台6用于为待测光纤环7提供测试基准，同时减缓热传导速率，顶罩8用于将待测光纤环7与外界空气流隔离，提高测量精度。
其中，所述金属托盘4选用具有良好导热系数的金属材料加工。
其中，环基准台6为等厚度非金属材料。
其中，所述光纤环测试模块2包括：光源组件201、微光学分束器202、铌酸锂集成光学芯片203、光电采集与信号处理电路组件205；所述微光学分束器202单端的输出尾纤与光源组件201的输出尾纤连接，微光学分束器202双端的输出尾纤分别与铌酸锂集成光学芯片203的输入端、光电采集与信号处理电路组件205的输入端连接；铌酸锂集成芯片203的双根光纤204端尾纤并排加套管固定，用于与待测光纤环连接。
其中，所述温度控制模块中，所述加热组件5为半导体热组件或电热丝组件，与温度控制组件12之间通过连接导线11连接，用于加热；
所述温度传感器9与控制组件12之间用导线连接，用于测量环基准台6的温度变化；
所述控制组件12根据实际温度和期望温度的差值，驱动加热组件5工作，实现温度的闭环控制。
此外，本发明还提供一种光纤环温度性能测量方法，所述方法采用权利要求1所述光纤环温度性能测量装置来实施；
所述方法包括：
步骤1：利用光纤环温度性能测量装置精确模拟实际使用环境的温度变化或温升梯度；
步骤2：利用光纤环温度性能测量装置测量光纤环在模拟实际使用工况下在陀螺级的零偏相位差漂移和在惯组级的对准精度误差。
其中，在所述步骤1之前，首先将待测光纤环放置在基准台上，盖上顶罩，等待一段时间确保光纤环内部温度场稳定；
使用光纤环温度性能测量装置进行光纤环测试前，先测得实际使用工况在确定测试时间内的温度及温度梯度变化，以此来设置光纤环温度性能测量装置的温度梯度控制参数；
测试的基本原理是，光纤Sagnac干涉仪敏感到的相位差φ与传感光路的输入转速Ω之间的关系为φ＝K·Ω，K是与测试模块工作波长、待测光纤环直径、光纤长度、测试模块内部增益倍数相关的常数，当待测光纤环结构尺寸一致时，该常数不变。
其中，使用光纤环温度性能测量装置进行光纤环测试时，具体操作如下：首先不启动温度控制模块，待光纤环内部温度场稳定后，用上位机给光纤环测试模块上电并采集数据，测试一定时间，取均值，并记录光纤环的初始相位差为φ0；然后启动温度控制模块，加载模拟实际工况的温度控制参数，给待测光纤环提供设计的温度场变化，在此过程中连续采集光纤环模块输出并记录，测试时间不小于1小时，截取测试数据中后半个小时相对稳定的数据，标记为φ；
将φ与初始相位差φ0相减，即φ-φ0，得到光纤环在实际使用工况下的相位差漂移量，进而可以得到光纤陀螺在启动热环境影响下的零偏漂移；利用公式(1)计算得到待测光纤环相位差漂移量对光纤陀螺惯性导航装置定向对准精度的影响，式中φUs为对准角度误差量，ωie为地球自转角速度，L为测试点的地理纬度。
实施例1
如附图1所示，本实施例提供一种光纤陀螺用光纤环温度性能测试装置，包括基座1、光纤环测试模块2、支撑件3、金属托板4、加热组件5、基准台6、待测光纤环7、顶罩8、温度传感器9、连接光纤10、连接导线11、温度控制组件12、电接插件13，光纤环测试模块固定在基座上，通过光纤与待测光纤环连接，光纤环测试模块上的电接插件接上位机，用于数据采集；加热组件安装在金属托板底部中心位置，用于产生可控的温度场，加热组件与金属托板的接触面涂导热硅脂，用于实现良好的热传导；环基准台固定在金属托板顶部，用于为待测光纤环提供测试基准，同时减缓热传导速率；加热组件、温度传感器、温度控制组件、连接导线构成温度控制模块，测试时，光纤环置于基准台上，顶罩将光纤环与外界空气流隔离，用于降低空气对流的影响。
如附图2所示，为本实施例中光纤环测试模块的结构图，包括光源组件、微光学分束器、铌酸锂集成光学芯片、光电采集与信号处理电路组件，微光学分束器单端的输出尾纤与光源组件的输出尾纤连接，双端的输出尾纤分别与铌酸锂集成光学芯片的输入端、光电采集与信号处理电路组件的输入端连接；铌酸锂集成芯片的双根光纤端尾纤并排加套管固定，用于与待测光纤环连接。
如附图3所示，为本实施例中光纤环测试模块的光路、电路结构原理图，光源模块输出的光束经微光学分束器后进入铌酸锂集成光学芯片，然后被分为两束光，两束光按照正反两个方向进入被测光纤环，在光纤环中传输完一周后返回的两束光再次进入铌酸锂集成光学芯片后发生干涉，干涉光束经微光学分束器后进入采集与信号处理组件，采集与信号处理组件从干涉光强信号中解调出光纤环因其的相位差后输出给上位机，同时完成对铌酸锂集成光学芯片的反馈控制。
如附图4所示，所述温度控制模块，包括加热组件、温度传感器、控制组件，加热组件为半导体热组件或电热丝组件，与控制组件之间用导线连接，用于加热；温度传感器与控制组件之间用导线连接，用于测量侧环基准台的温度变化；控制组件包括AD采集电路、温度控制电路、驱动电路、参数设置与显示终端，AD采集电路将温度传感器采集到的温度数据送入温度控制电路，得到温度实际值，与设定的目标温度进行比较得到差值，根据设定的温度控制梯度需求，经PID算法得出控制量，经驱动电路驱动加热制冷组件工作，从而控制温度变化。
实施例2
本实施例中，使用本发明装置时，首先将待测光纤环与本发明装置连接，并将待测光纤环放置在基准台上，盖上顶罩，等待一段时间确保光纤环内部温度场稳定。
使用本发明装置进行光纤环测试前，要先测得实际使用工况在确定测试时间内的温度及温度梯度变化，以此来设置本发明装置的温度梯度控制参数。
测试的基本原理是，光纤Sagnac干涉仪敏感到的相位差φ与传感光路的输入转速Ω之间的关系为φ＝K·Ω，K是与测试模块工作波长、待测光纤环直径、光纤长度、测试模块内部增益倍数等相关的常数，当待测光纤环结构尺寸一致时，该系数不变。光纤环相位差φ温度漂移模型为
其中
分别为温度、温度梯度及温度梯度变化率。
使用本发明装置进行光纤环测试时，具体操作如下：首先不启动温度控制模块，待光纤环内部温度场稳定后，用上位机给光纤环测试模块上电并采集数据，测试一定时间(不小于10分钟)，取均值，并记录光纤环的初始相位差为φ0；然后启动温度控制模块，加载模拟实际工况的温度控制参数，给待测光纤环提供设计的温度场变化，在此过程中连续采集光纤环模块输出并记录，测试时间不小于1小时，截取测试数据中后半个小时相对稳定的数据，标记为φ。
将φ与初始相位差φ0相减，即φ-φ0，可到的光纤环在实际使用工况下的相位差漂移量，进而可以得到光纤陀螺在启动热环境影响下的零偏漂移，此处不再详细说明；利用公式(1)可计算得到待测光纤环相位差漂移量对光纤陀螺惯性导航装置定向对准精度的影响，式中φUs为对准角度误差量，ωie为地球自转角速度，L为测试点的地理纬度。
实施例3
本实施例提供一种光纤陀螺用光纤环温度性能测试装置，包括：测试装置结构、光纤环测试模块、温度控制模块。
所述测试装置结构，包括基座、支撑件、金属托板、加热组件、环基准台、顶罩，支撑件安装在基座上，支撑件的顶部与金属托板固定；加热组件安装在金属托板底部中心位置；环基准台安装在金属托板顶部中心位置，用于为待测光纤环提供测试基准；温度传感器粘贴在基准台上，用于测量温度变化；顶罩用于将光纤环与外界空气流隔离。
所述光纤环测试模块，是一种光电集成模块，包括光源组件、微光学分束器、铌酸锂集成光学芯片、光电采集与信号处理电路组件。
所述温度控制模块，包括加热组件、温度传感器、温度控制组件，加热组件与控制组件之间用导线连接，用于产生期望的热场；温度传感器与控制组件之间用导线连接，用于测量侧环基准台的温度变化；温度控制组件用于控制温度变化。
此外，本实施例还提供一种采用所述测试装置的光纤环温度性能测量方法，其包括：
1)光纤环陀螺级零偏漂移测量；
2)光纤环惯导级对准精度测量。
所述1)，由测试装置提供与使用环境接近的温度变化或温升梯度，测量光纤环在模拟实际使用工况下在陀螺级的相位差漂移。
所述2)，由测试装置提供与使用环境接近的温度变化或温升梯度，测量光纤环在模拟使用工况条件下在惯组级的对准精度误差。
综上，本发明属于光纤环技术领域，具体涉及一种光纤环温度性能测量装置及方法。该装置包括：结构组件、光纤环测试模块、温度控制模块，其中，结构组件包括基座、支撑件、金属托盘、测试基准台、顶罩；光纤环测试模块包括光路组件、电路组件和结构件，用于测量光纤环的性能；温度控制模块包括加热模块、温度传感器、控制模块。本发明能够利用测量装置中的温度控制模块精确模拟实际使用环境的温度变化或温升梯度，利用光纤环测试模块测量光纤环在模拟实际使用工况下在陀螺级的零偏漂移和在惯组级的对准精度误差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光纤环温度性能测量装置，其特征在于，其包括：基座(1)、光纤环测试模块(2)、支撑件(3)、金属托板(4)、加热组件(5)、环基准台(6)、待测光纤环(7)、温度传感器(9)、连接光纤(10)、温度控制组件(12)、电连接器(13)；
所述光纤环测试模块(2)固定在基座(1)上，通过连接光纤(10)与待测光纤环(7)连接，光纤环测试模块(2)上的电连接器(13)用于连接上位机；
所述金属托板(4)通过支撑件(3)支撑设置于基座(1)上方；
所述加热组件(5)、温度传感器(9)、温度控制组件(12)构成温度控制模块，加热组件(5)安装在金属托板(4)底部中心位置，环基准台(6)固定在金属托板(4)顶部中心位置，待测光纤环(7)设置于环基准台(6)上端面上，温度传感器(9)粘贴在环基准台(6)上。
2.如权利要求1所述光纤环温度性能测量装置，其特征在于，所述装置还包括顶罩(8)，所述顶罩(8)倒扣在金属托板顶部(4)上，环基准台(6)、待测光纤环(7)、温度传感器(9)置于顶罩(8)内部。
3.如权利要求2所述光纤环温度性能测量装置，其特征在于，所述金属托盘(4)用于实现均匀的热场分布；
所述加热组件(5)与金属托盘(4)底部接触面涂导热硅脂，利于热传导；
环基准台(6)用于为待测光纤环(7)提供测试基准，同时减缓热传导速率，顶罩(8)用于将待测光纤环(7)与外界空气流隔离，提高测量精度。
4.如权利要求1所述光纤环温度性能测量装置，其特征在于，所述金属托盘(4)选用具有良好导热系数的金属材料加工。
5.如权利要求1所述光纤环温度性能测量装置，其特征在于，环基准台(6)为等厚度非金属材料。
6.如权利要求1所述光纤环温度性能测量装置，其特征在于，所述光纤环测试模块(2)包括：光源组件(201)、微光学分束器(202)、铌酸锂集成光学芯片(203)、光电采集与信号处理电路组件(205)；所述微光学分束器(202)单端的输出尾纤与光源组件(201)的输出尾纤连接，微光学分束器(202)双端的输出尾纤分别与铌酸锂集成光学芯片(203)的输入端、光电采集与信号处理电路组件(205)的输入端连接；铌酸锂集成芯片(203)的双根光纤(204)端尾纤并排加套管固定，用于与待测光纤环连接。
7.如权利要求1所述光纤环温度性能测量装置，其特征在于，所述温度控制模块中，所述加热组件(5)为半导体热组件或电热丝组件，与温度控制组件(12)之间通过连接导线(11)连接，用于加热；
所述温度传感器(9)与控制组件(12)之间用导线连接，用于测量环基准台(6)的温度变化；
所述控制组件(12)根据实际温度和期望温度的差值，驱动加热组件(5)工作，实现温度的闭环控制。
8.一种光纤环温度性能测量方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1所述光纤环温度性能测量装置来实施；
所述方法包括：
步骤1：利用光纤环温度性能测量装置精确模拟实际使用环境的温度变化或温升梯度；
步骤2：利用光纤环温度性能测量装置测量光纤环在模拟实际使用工况下在陀螺级的零偏相位差漂移和在惯组级的对准精度误差。
9.如权利要求8所述光纤环温度性能测量方法，其特征在于，在所述步骤1之前，首先将待测光纤环放置在基准台上，盖上顶罩，等待一段时间确保光纤环内部温度场稳定；
使用光纤环温度性能测量装置进行光纤环测试前，先测得实际使用工况在确定测试时间内的温度及温度梯度变化，以此来设置光纤环温度性能测量装置的温度梯度控制参数；
测试的基本原理是，光纤Sagnac干涉仪敏感到的相位差φ与传感光路的输入转速Ω之间的关系为φ＝K·Ω，K是与测试模块工作波长、待测光纤环直径、光纤长度、测试模块内部增益倍数相关的常数，当待测光纤环结构尺寸一致时，该常数不变。
10.如权利要求9所述光纤环温度性能测量方法，其特征在于，
使用光纤环温度性能测量装置进行光纤环测试时，具体操作如下：首先不启动温度控制模块，待光纤环内部温度场稳定后，用上位机给光纤环测试模块上电并采集数据，测试一定时间，取均值，并记录光纤环的初始相位差为φ0；然后启动温度控制模块，加载模拟实际工况的温度控制参数，给待测光纤环提供设计的温度场变化，在此过程中连续采集光纤环模块输出并记录，测试时间不小于1小时，截取测试数据中后半个小时相对稳定的数据，标记为φ；
将φ与初始相位差φ0相减，即φ-φ0，得到光纤环在实际使用工况下的相位差漂移量，进而可以得到光纤陀螺在启动热环境影响下的零偏漂移；利用公式(1)计算得到待测光纤环相位差漂移量对光纤陀螺惯性导航装置定向对准精度的影响，式中φUs为对准角度误差量，ωie为地球自转角速度，L为测试点的地理纬度。
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