CN114136302B - 一种能提升光纤陀螺中零偏对称性的光纤环及其测试、评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提升光纤陀螺中零偏对称性的光纤环及其测试、评估方法，选取全温热膨胀系数及变化趋势相近的金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C装配为光纤环，使光纤环具有一致的热机械性能。本发明通过选取全温热膨胀系数及变化趋势相近的金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C装配为光纤环，使光纤环具有一致的热机械性能，可以显著地提升光纤陀螺在升温过程和降温过程中的零偏对称性，使得光纤陀螺在温度变化环境中的零偏更加稳定，从而提升光纤陀螺的环境适应性，最终实现光纤陀螺在更多的领域得到广泛应用的目标。

Description

一种能提升光纤陀螺中零偏对称性的光纤环及其测试、评估 方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，具体涉及一种能提升光纤陀螺中零偏对称性的光纤环及其测试、评估方法。

背景技术

光纤陀螺是一种测量角速度的惯性仪表，具有高度自主性的特性，可用于惯性导航系统，由于其全固态结构、动态范围宽、启动时间短、抗冲击能力强的特点，在现代航空、航天和国防工业等领域得到了广泛的应用。

得到工程化应用的光纤陀螺属于干涉式数字闭环光纤陀螺，这种光纤陀螺中的关键器件是光纤环，组成光纤环的熊猫型保偏光纤对温度十分敏感，这也造成了光纤陀螺应用过程中需要针对温度进行特殊设计，如采用四极对称光纤环绕制方式、温度补偿等措施。这些措施使得光纤陀螺的温度适应性得到了显著的提升，工程化应用得到广泛地扩充，市场需求逐渐向高精度、长期稳定、动态环境中保持稳定等方向发展。在光纤陀螺技术提升的过程中出现了多个急需解决的问题，其中，光纤陀螺在升温过程和降温过程中的零偏对称性不良这一问题成为限制其进一步发展的因素。

现有技术中，光纤陀螺在升温过程和降温过程中表现出了不对称的零偏，针对这一现象的研究较少，且机理不够清晰，尚无解决措施，成为限制光纤陀螺更加广泛应用的限制因素。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能提升光纤陀螺中零偏对称性的光纤环，以解决现有技术中光纤陀螺在温度变化过程中出现不对称零偏的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种能提升光纤陀螺中零偏对称性的光纤环，选取全温热膨胀系数及变化趋势相近的金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C装配为光纤环，使光纤环具有一致的热机械性能。

优选地，金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C的全温热膨胀系数需满足以下条件：

a)任一材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度处于0.9～1.1之间；

b)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异不大于100ppm。

本发明还提供一种光纤环测试方法，用于测量本发明所述光纤环，包括如下步骤：

步骤1：使用金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C分别制备为多个材料样品，样品尺寸根据热膨胀系数测试仪所需标准尺寸确定；

步骤2：分别将样品置于热膨胀系数测试仪中，设定测试温度范围和升温、降温过程，启动热膨胀系数测试仪，采集测试过程中的温度T和样品长度L，得到样品热膨胀系数；

步骤3：提取采集到的温度和样品长度数据，进行数据处理，得到光纤环材料热膨胀系数、热膨胀系数对称度及热膨胀系数对称度差异。

优选地，步骤3中，数据处理过程如下：

步骤a：求取各个样品在升温、降温过程中任意两个温度之间的热膨胀系数对称度α，定义热膨胀系数对称度公式：

(L₁₂-L₁₁)/(T₁₂-T₁₁)＝α×(L₂₂-L₂₁)/(T₂₂-T₂₁)，

T₁₁、T₁₂为升温过程中任意两个时刻的温度，单位为℃；

T₂₁、T₂₂为降温过程中与T₁₁、T₁₂相同的温度，单位为℃；

L₁₁为样品在升温过程中T₁₁时刻的长度，单位为m；

L₁₂为样品在升温过程中T₁₂时刻的长度，单位为m；

L₂₁为样品在降温过程中T₂₁时刻的长度，单位为m；

L₂₂为样品在降温过程中T₂₂时刻的长度，单位为m。

步骤b：求取任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β，求取公式如下：

|(α₁-α₂)/(α₁+α₂)|＝β₁，

|(α₂-α₃)/(α₂+α₃)|＝β₂，

|(α₁-α₃)/(α₁+α₃)|＝β₃，

β＝MAX[β₁，β₂，β₃]，

α₁为样品A在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₂为样品B在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₃为样品C在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

β₁为样品A、B在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₂为样品B、C在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₃为样品A、C在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β为样品A、B、C在升温、降温段中的最大热膨胀系数对称度差异。

本发明还提供一种光纤陀螺的光纤环在升温和降温过程中零偏对称性的评估方法，用于评估本发明所述光纤环在升温和降温过程中的零偏对称性，包括如下内容：

(1)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β≤100ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性最优，为A级；

(2)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β≤200ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性良好，为B级；

(3)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β≤500ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性一般，为C级；

(4)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β>500ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性差，为D级。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过选取全温热膨胀系数及变化趋势相近的金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C装配为光纤环，使光纤环具有一致的热机械性能，可以显著地提升光纤陀螺在升温过程和降温过程中的零偏对称性，使得光纤陀螺在温度变化环境中的零偏更加稳定，从而提升光纤陀螺的环境适应性，最终实现光纤陀螺在更多的领域得到广泛应用的目标。

2、本发明通过针对光纤环材料的热膨胀系数、热膨胀系数对称度及热膨胀系数对称度差异等一系列参数进行测量，并根据评估标准对光纤环材料在升温过程和降温过程中的零偏对称性这一性能进行评判，有助于技术人员更好的选择光纤环的制作材料。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例：选取全温热膨胀系数及变化趋势相近的金属材料1、粘环胶材料2和光纤环圈材料3，分别制备为Φ2.5mm×20mm的圆柱体样品1A、2A和3A。

步骤1：分别将样品1A、2A和3A置于热膨胀系数测试仪中，设定测试温度范围和升温、降温过程，启动热膨胀系数测试仪，采集测试过程中的温度T、样品长度L等数据，获得样品1A、2A和3A的热膨胀系数测试数据。

步骤2：将金属材料1、粘环胶材料2和光纤环圈材料3总装在光纤陀螺中，测试光纤陀螺在升温和降温过程中的零偏。

步骤3：计算样品1A、2A和3A在升温、降温过程中任意两个温度之间的热膨胀系数对称度α、热膨胀系数对称度差异β。

计算公式如下：

步骤a：热膨胀系数对称度α公式：

(L₁₂-L₁₁)/(T₁₂-T₁₁)＝α×(L₂₂-L₂₁)/(T₂₂-T₂₁)，

T₁₁、T₁₂为升温过程中任意两个时刻的温度，单位为℃；

T₂₁、T₂₂为降温过程中与T₁₁、T₁₂相同的温度，单位为℃；

L₁₁为样品在升温过程中T₁₁时刻的长度，单位为m；

L₁₂为样品在升温过程中T₁₂时刻的长度，单位为m；

L₂₁为样品在降温过程中T₂₁时刻的长度，单位为m；

L₂₂为样品在降温过程中T₂₂时刻的长度，单位为m。

步骤b：热膨胀系数对称度差异β公式：

|(α₁-α₂)/(α₁+α₂)|＝β₁，

|(α₂-α₃)/(α₂+α₃)|＝β₂，

|(α₁-α₃)/(α₁+α₃)|＝β₃，

β＝MAX[β₁，β₂，β₃]，

α₁为样品1A在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₂为样品2A在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₃为样品3A在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

β₁为样品1A、2A在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₂为样品2A、3A在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₃为样品1A、3A在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β为样品1A、2A和3A在升温、降温段中的最大热膨胀系数对称度差异。

计算结果汇总如下：

表1

最大参数	计算结果
		α<sub>1</sub>	0.984
α<sub>2</sub>	0.908
		α<sub>3</sub>	1.024
β<sub>1</sub>	57ppm
		β<sub>2</sub>	31ppm
β<sub>3</sub>	92ppm
		β	92ppm

样品1A、2A和3A在升温、降温段中的最大热膨胀系数对称度差异为92ppm，根据本发明提供的一种光纤陀螺升温、降温过程零偏对称性评估标准，光纤陀螺在升温和降温过程零偏对称性最优，为A级。

本发明通过选取全温热膨胀系数及变化趋势相近的金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C装配为光纤环，使光纤环具有一致的热机械性能，可以显著地提升光纤陀螺在升温过程和降温过程中的零偏对称性，使得光纤陀螺在温度变化环境中的零偏更加稳定，从而提升光纤陀螺的环境适应性，最终实现光纤陀螺在更多的领域得到广泛应用的目标。本发明通过针对光纤环材料的热膨胀系数、热膨胀系数对称度及热膨胀系数对称度差异等一系列参数进行测量，并根据评估标准对光纤环材料在升温过程和降温过程中的零偏对称性这一性能进行评判，有助于技术人员更好的选择光纤环的制作材料。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种能提升光纤陀螺中零偏对称性的光纤环，其特征在于，选取全温热膨胀系数及变化趋势相近的金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C装配为光纤环，使光纤环具有一致的热机械性能；

金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C的全温热膨胀系数需满足以下条件：

a)任一材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度处于0.9～1.1之间；

b)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异不大于100ppm；

所述热膨胀系数对称度通过如下计算式进行计算：

(L₁₂-L₁₁)/(T₁₂-T₁₁)＝α×(L₂₂-L₂₁)/(T₂₂-T₂₁)，

T₁₁、T₁₂为升温过程中任意两个时刻的温度，单位为℃；

T₂₁、T₂₂为降温过程中与T₁₁、T₁₂相同的温度，单位为℃；

L₁₁为样品在升温过程中T₁₁时刻的长度，单位为m；

L₁₂为样品在升温过程中T₁₂时刻的长度，单位为m；

L₂₁为样品在降温过程中T₂₁时刻的长度，单位为m；

L₂₂为样品在降温过程中T₂₂时刻的长度，单位为m；

所述热膨胀系数对称度差异通过如下计算式进行计算：

|(α₁-α₂)/(α₁+α₂)|＝β₁，

|(α₂-α₃)/(α₂+α₃)|＝β₂，

|(α₁-α₃)/(α₁+α₃)|＝β₃，

β＝MAX[β₁，β₂，β₃]，

α₁为样品A在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₂为样品B在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₃为样品C在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

β₁为样品A、B在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₂为样品B、C在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₃为样品A、C在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β为样品A、B、C在升温、降温段中的最大热膨胀系数对称度差异。

2.一种光纤环测试方法，其特征在于，用于测量权利要求1所述光纤环，包括如下步骤：

步骤1：利用金属材料A、粘环胶材料B和光纤环圈材料C分别制备为多个材料样品；

步骤2：分别将样品置于热膨胀系数测试仪中，设定测试温度范围和升温、降温过程，启动热膨胀系数测试仪，采集测试过程中的温度T和样品长度L，得到样品热膨胀系数；

步骤3：提取采集到的温度和样品长度数据，进行数据处理，得到光纤环样品热膨胀系数、热膨胀系数对称度及热膨胀系数对称度差异；

步骤3中，数据处理过程如下：

步骤a：求取各个样品在升温、降温过程中任意两个温度之间的热膨胀系数对称度α，定义热膨胀系数对称度公式：

(L₁₂-L₁₁)/(T₁₂-T₁₁)＝α×(L₂₂-L₂₁)/(T₂₂-T₂₁)，

T₁₁、T₁₂为升温过程中任意两个时刻的温度，单位为℃；

T₂₁、T₂₂为降温过程中与T₁₁、T₁₂相同的温度，单位为℃；

L₁₁为样品在升温过程中T₁₁时刻的长度，单位为m；

L₁₂为样品在升温过程中T₁₂时刻的长度，单位为m；

L₂₁为样品在降温过程中T₂₁时刻的长度，单位为m；

L₂₂为样品在降温过程中T₂₂时刻的长度，单位为m。

步骤b：求取任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β，求取公式如下：

|(α₁-α₂)/(α₁+α₂)|＝β₁，

|(α₂-α₃)/(α₂+α₃)|＝β₂，

|(α₁-α₃)/(α₁+α₃)|＝β₃，

β＝MAX[β₁，β₂，β₃]，

α₁为样品A在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₂为样品B在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

α₃为样品C在升温、降温段的热膨胀系数对称度；

β₁为样品A、B在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₂为样品B、C在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β₃为样品A、C在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异；

β为样品A、B、C在升温、降温段中的最大热膨胀系数对称度差异。

3.一种光纤陀螺的光纤环在升温和降温过程中零偏对称性的评估方法，其特征在于，用于评估权利要求1所述光纤环在升温和降温过程中的零偏对称性，包括如下内容：

(1)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β≤100ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性最优，为A级；

(2)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β≤200ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性良好，为B级；

(3)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β≤500ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性一般，为C级；

(4)任两种材料在升温、降温段的热膨胀系数对称度差异β>500ppm时，光纤陀螺升温和降温过程零偏对称性差，为D级。