CN114993282B - 光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法和纤长补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法和纤长补偿器。本发明通过将纤长补偿器固定在光纤陀螺的环圈尾纤，其中所述纤长补偿器包括外围纤圈和可实现伸缩变形的扩缩轴芯；并在检测到光纤陀螺的输出存在漂移时，通过调整所述纤长补偿器的扩缩轴芯的线胀系数改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度；从而实现了对所述光纤陀螺的环圈尾纤的补偿，并解决了光纤陀螺的尾纤在线调整精确度低的问题。

Description

光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法和纤长补偿器

技术领域

本发明涉及光纤陀螺领域，尤其涉及一种光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法和纤长补偿器。

背景技术

与传统的机电陀螺相比，从结构上看，作为全固态惯性仪表的光纤陀螺无运动部件和磨损部件；从性能上看，光纤陀螺具有成本低、寿命长、重量轻、体积小、动态范围大、精度应用覆盖面广、抗电磁干扰、无加速度引起的漂移、结构设计灵活和应用范围广等优点。

光纤陀螺包括光纤环圈，光纤环圈包括光纤尾纤。光纤尾纤的性能参数会直接影响光纤陀螺最后的漂移性能。光纤尾纤的长度是光纤尾纤的重要参数，通过调整光纤尾纤的长度可改变光纤陀螺的环圈的等效中点，当光纤陀螺的环圈的等效中点位于光纤陀螺的对称中心时，光纤陀螺的等效环圈不存在 Shupe 误差，但是目前光纤陀螺的尾纤长度是通过试验剪尾纤的方式确定，该方式具有一定的盲目性和试探性，即便取得较好的结果也会费时、精度不高，难于工艺推广。因此需要找到一种在线对光纤陀螺的环圈尾纤长度进行补偿的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法及纤长补偿器，解决了

现有光纤陀螺的尾纤在线调整精确度低的问题。

第一方面，本发明提供了一种光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法，所述方法包括：

将纤长补偿器固定在光纤陀螺的环圈尾纤，所述纤长补偿器包括外围纤圈和可实现伸缩变形的扩缩轴芯；在检测到光纤陀螺的输出存在漂移时，通过调整所述纤长补偿器的扩缩轴芯的线胀系数改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度，从而实现对所述光纤陀螺的环圈尾纤的补偿。

第二方面，本发明提供了一种纤长补偿器，该纤长补偿器包括外围纤圈和扩缩轴芯，所述扩缩轴芯由可实现伸缩变形的材料构成，以通过所述扩缩轴芯的伸缩变形对所述纤长补偿器的外围纤圈长度进行补偿。

本发明提供的技术方案，通过将纤长补偿器固定在光纤陀螺的环圈尾纤，所述纤长补偿器包括外围纤圈和可实现伸缩变形的扩缩轴芯；在检测到光纤陀螺的输出存在漂移时， 通过调整所述纤长补偿器的扩缩轴芯的线胀系数改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度，从而实现对所述光纤陀螺的环圈尾纤的补偿，从而解决了光纤陀螺的尾纤在线调整精确度低的问题。

附图说明

图 1A-1B 为本发明实施例提供的光纤陀螺的环圈对称度示意图。

图 2 为本发明实施例提供的光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法的流程图。

图 3 为本发明实施例提供的干涉仪的结构示意图。

图 4 为本发明实施例提供的纤长补偿器的结构示意图。

图 5 为本发明实施例提供的纤长补偿器的胶体溶液对应的线胀系数与温度之间关系图。

图 6 为本申请实施例提供的纤长补偿器的胶体溶液对应的线胀系数与紫外光功率之间关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作（或步骤）描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

光纤陀螺的光纤环圈的性能直接影响光纤陀螺的精度。当光纤环圈所处的环境因素发生变化时，在光纤环圈中互为反向传播的两束光波将产生非互易性相位差，这种非互易性相移与角速度引起的萨格奈克（Sagnac）相移在解调过程中不可分离，直接影响光纤环圈的敏感角速度的准确性。造成上述非互易性相位差的原因是光纤环圈内部存在应力分布不对称性引起的光纤环圈相移变化。

随着光纤陀螺的光纤环圈绕制工艺的不断成熟，其内部的应力分布的对称性以及应力分布的均匀性日渐提高，但光纤环圈的尾纤处理仍然需要正确和细致的工艺加以保证，以便获得更为优异的应用性能。然而，光纤陀螺的尾纤和波导熔接完毕通常需要施胶加以固定，以便满足后续振动和温变性能要求。行业共知，Shupe 误差公式表明，尾纤处于光纤环圈的末端，影响因子最大，对光纤陀螺最后的漂移性能影响至关重要。

图 1A-1B 为本发明实施例提供的光纤陀螺的环圈对称度示意图。如图 1A 和 1B所示，将光纤环圈视作为一个等效的黑箱模型，该黑箱模型包含输入端、输出端以及中间模型。如图 1A-1B 所示，输入端为最外层纤长，输出端为最内层纤长，中间模型包括每一层纤长。从图 1A-1B 中看，在光纤环圈中互为反向传播的两束光波将产生非互易性相位差， 这种非互易性相移与角速度引起的 Sagnac 相移在解调过程中不可分离，直接影响环圈的敏感角速度的准确性。造成上述非互易性误差的根本原因是光纤敏感环圈存在应力分布不对称，从而引起环圈相移发生变化。

随着光纤陀螺环圈绕制工艺的不断成熟，其环圈内部的不对称性以及应力分布均匀性日渐提高，但环圈的尾纤处理仍然需要正确和细致的工艺加以保证，以便获得更为优异的应用性能。然而，光纤陀螺尾纤和波导熔接完毕通常需要施胶加以固定，以便满足后续振动和温变性能要求。行业共知，Shupe 误差公式表明，环圈尾纤处于环圈的末端，影响因子最大，对陀螺最后的漂移性能影响至关重要。可将环圈视作为一个等效的黑箱模型（见图1），模型包含输入、输出以及中间模型关系。

深入分析 Shupe 积分模型后我们会发现，由于光纤环圈可以根据位置和权重因子加以划分，判据是等效积分和。如果积分不为零，也就是说多极绕制等效 Shupe 误差不为零， 如图 1A 所述，光纤环圈的等效对称中心并未位于对称中点，因此该光纤陀螺的输出为

。无论光纤陀螺的输出是正或者负，都可以得到其等效中点位置。如图 1 所示，可以人为的通过改善最外层的纤长以及最外层绕制不对称性，进而改善最外层积分和，从而达到改变总的等效积分和，这样可以将最终环圈等效中点进行位置上的偏移，如果将新的等效中点移至对称中点（0 位置），那么最后的等效环圈就没有 Shupe 误差。以上改变光纤纤长分布可以调整对称中心，从而降低 Shupe 误差的基本原理。

由于绕环过程通常是由里层向外层缠绕，特别是采用涂胶工艺通常对里层先刷胶固化后再进行外层的缠绕。上述工艺使得调整里层光纤变得复杂甚至是不可能。由此改变环圈外层缠绕，尤其是最后一层尾纤长度变得相对简单。如果单纯采用实验剪尾纤的方法，往往具有一定的盲目性和试探性，即便取得较好的结果也会费时、精度不高，难于工艺推广。特别地，对于高精度光纤陀螺，通常工作在某一个温控点条件下，这时当最外层尾纤由于熔接误差或者在装配过程中为了配合盘绕直径的整圈条件，双纤并绕的过程中由于内外层直径差等原因很难将两根尾纤保持严格一致。在两端尾纤相差不 1 到 2 厘米的情况下，往往剥线钳或者切割刀的切割量误差都会超过 1cm。因为熔接一旦失败，往往需要两端尾纤都整圈剪除再重新熔接。上述情况熔接装配工艺复杂，浪费严重。急需找到一种在线精确尾纤调整方法。

尾纤在线补偿是实现精密绕环的关键技术，该技术的目标是在最外层光纤固化之前依据等效漂移误差模型计算出等效尾纤长度误差，将尾纤按长度误差进行剪除或者是增绕， 最后完成外层固化。该过程类似一个求解多元参数的方程组过程，通过多组输入输出关系， 可以确定方程的系数，亦即获得输入输出的线性映射关系。等效纤长计算实际上是上述模型建模的反过程，就是在知道模型参数映射关系后，如何确定新的尾纤长度，实现Shupe 误差达到预定要求。在长度优化求解过程中，需要设定尾纤裁剪长度范围和每步裁剪步长，进行遍历计算从而得到每个步长的 Shupe 计算误差，如果存在某一步 Shupe 误差符合指标精度要求，那么输出该裁剪长度。如果达不到要求，进一步加大尾纤裁剪长度和精细化裁剪步长， 直到达到指标要求位置。更为简洁的概括就是通过微调尾纤的长度，在线监测陀螺环圈的Shupe 误差，如果 Shupe 误差收敛达到设定的满意区间，则上述微调长度即为所求的尾纤补偿量。

图 2 为本发明实施例一提供的一种光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法的流程图。为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法。参照图 2，该方法包括：S110、将纤长补偿器固定在光纤陀螺的环圈尾纤，所述纤长补偿器包括外围纤圈和可实现伸缩变形的扩缩轴芯。

S120、在检测到光纤陀螺的输出存在漂移时，通过调整所述纤长补偿器的扩缩轴芯的线胀系数改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度，从而实现对所述光纤陀螺的环圈尾纤的补偿。

本发明实施例的光纤陀螺的环圈尾纤补偿方法摒弃了目前的开环式光纤尾纤裁剪方式，选择一种在线闭环式光纤尾纤调整方法，这样尾纤长度能够精准连续变化，而且变化过程还能够保持干涉仪处于工作状态，即尾纤在线连续精准调整。

图3为本发明实施例提供的一种干涉仪的结构示意图。如图 3 所示，该干涉仪包括光纤陀螺 1、纤长补偿器 2 和相位调制器 3。在光纤陀螺 1 的环圈中，环圈尾纤 100包括两部分：一部分是参考端尾纤 101，一部分是补偿端尾纤 102，在补偿端尾纤 102 中增加一个补偿调整器 2。基本思路是纤长补偿器 2 可以动态调整补偿端尾纤 102 的长度，达到让参考端光纤 101 与补偿端尾纤 102 关于环圈的长度中心点成对称，确保从环圈到相位调制器 3 构成的干涉仪正反两路光的光程相等，从而达到减小光纤干涉仪的Shupe 误差之目的。

图4为本发明实施例提供的一种纤长补偿器的结构示意图。该纤长补偿器的制作如图 4 所示，纤长补偿器 2 包括补偿纤 20 和扩缩轴芯 21，该补偿纤 20 包括左尾纤201 和右尾纤 202，补偿纤 20 的初始长度为图 3 所示的参考端尾纤 101 与补偿端尾纤102 长度的差。将补偿纤 20 绕制在半径为 r 的金属骨架芯轴上，然后进行刷胶固化，固化后将芯轴脱骨，得到空芯缠绕补偿纤圈。制作尺寸和芯轴同等尺寸的胶体扩缩轴芯 21，方法是将胶体溶液灌注到补偿线圈中，通过上下透明法兰加以封闭。光固化或者热固化（如图4中的光照或加热的方式）实现胶水的预定型，之后脱下上下法兰完成胶体扩缩轴芯 21制备。接下来将扩缩轴芯 21 插入补偿纤圈中，完成轴芯装配，为了体现配合效果通常要求过盈装配，要求过盈间隙不超过 20um。

完成纤长补偿器 2 的制作后，将纤长补偿器 2 接入 Sagnac 干涉仪，首先将纤长补偿器固定在光纤陀螺的环圈的外缘处，接下来将纤长补偿器 2 的补偿纤 20 的左尾纤 201 熔接到光纤陀螺 1 的环圈的参考端尾纤 101 上，将补偿纤 20 的左尾纤 202 熔接到光纤陀螺 1 的环圈的补偿端尾纤 102 上，将补偿纤还是那个除左尾纤和右尾纤之外的尾纤按照整圈盘绕到环圈最外轮廓中。当然还需完成光纤陀螺 1 的环圈参考端尾纤101 与补偿端尾纤 102 的熔接，保证整个参考端尾纤 101 按照整圈盘绕在光纤外轮廓。到此完成所有干涉仪的装配。

接下来，进行光纤陀螺的装配及调测。该部分具体内容为比较常规，这里不再赘述。本步骤的主要目的是采集光纤陀螺的零偏。将光纤陀螺加热到恒定的温控点，记录光纤陀螺的零偏值，计算温控点和常温点两次零偏差值，该值为待补偿零偏差值，与补偿纤长有关系。

最后，进行纤长补偿器 2 的尾纤固定和纤长调整。

等效光纤长度计算方法为微分方程

其中，

为求变化量的微分算符，l 为所述纤长补偿器调整后的外围纤圈长度，

为所述纤长补偿器调整前的初始外围纤圈长度，t 为对胶体溶液进行调节时的摄氏温度，

为 t 摄氏度时胶体溶液对应的线胀系数。

图 5 为本发明实施例提供的纤长补偿器的胶体溶液对应的线胀系数与温度之间关系图。胶体溶液对应的线胀系数是预先由 DMA（动态机械分析仪）测试出来，如图 5 所示，横坐标表示对胶体溶液进行调节时的摄氏温度 t，纵坐标表示胶体溶液的线胀系数。

由上述曲线求导得到相应线胀系数变化率，进而带入关系式求出纤长的变化。一开始保持纤长补偿器调整前的初始外围纤圈长度

与光纤陀螺的参考端尾纤 101 相等。因外界温度等条件变化，环圈两端等效光程关于中心点不相等时，会导致陀螺输出一定的漂移，上述漂移的大小与最外层尾纤长短差值有关，通过改变芯轴的固化胶水的固化温度，可以非常灵敏地调整上述胶水的线胀系数，进而导致纤长补偿器整体光纤长度发生变化，纤长变化按照上文公式进行计算，升温导致膨胀，降温导致收缩。上述变化可以通过光纤陀螺闭环负反馈得到调整，即通过连续调整线胀系数曲线，当光纤陀螺零偏误差消失后即停止。

通常为了提高整体放大比，要求

= 100 米，以胶体溶液为树脂为例，纤长补偿器的外围纤圈长度的补偿范围为±2.5cm，这对于一个 5000m 纤长的 0.0001°/h 的高精度光纤陀螺仪来说零偏漂移调整幅度为大致在-0.0005~0.0005°/h，细分精度 0.000025°/h上述调整已经足够精确。而且在误差得到补偿后，对胶体保持求解温度点进行恒温连续固化确保固化充分不再发生可逆反应，至此完成全部调整过程。

此外，上述变温线胀法实现起来容易受到温箱加热的不均匀导致 Shupe 补偿效果打折扣。更好的方法是采用光固化方法，比如用紫外光固化，这样能够更好的抑制热应力带来的交叉影响。

图 6 为本申请实施例提供的纤长补偿器的胶体溶液对应的线胀系数与紫外光功率之间关系图。

当胶体溶液为紫外光固树脂时，如图 6 所示，采用圆周方向平均分布的光照等，对轴芯进行紫外光照射，通过调整紫外灯的功率以及照射时间可以灵敏地改变芯轴的线胀系数。固化过程的温度变化对线胀系数影响可以忽略。该方法的另一个好处是可以采用手持式紫外灯对相位补偿器单独完成照射成型。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种光纤陀螺的环圈尾纤长度补偿方法，其特征在于，包括：将纤长补偿器固定在光纤陀螺的环圈尾纤，所述纤长补偿器包括外围纤圈和可实现伸缩变形的扩缩轴芯；在检测到光纤陀螺的输出存在漂移时，调整所述纤长补偿器的扩缩轴芯的线胀系数以改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度，从而实现对所述光纤陀螺的环圈尾纤长度的补偿；

所述光纤陀螺的环圈尾纤包括参考端尾纤和补偿端尾纤，所述纤长补偿器固定在所述补偿端尾纤的外缘处；初始外围纤圈长度等于所述参考端尾纤与所述补偿端尾纤的长度之差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩缩轴芯由高弹性胶体构成；调整所述纤长补偿器的扩缩轴芯的线胀系数改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度的步骤包括：通过变温线胀法调整所述扩缩轴芯的固化温度；在固化温度升高时，随着所述高弹性胶体的线胀系数增大，增长所述纤长补偿器的外围纤圈长度；在固化温度降低时，随着所述高弹性胶体的线胀系数减小，缩短所述纤长补偿器的外围纤圈长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩缩轴芯由紫外光固树脂构成；调整所述纤长补偿器的扩缩轴芯以改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度的步骤包括：通过光固化法调整所述紫外光固树脂的线胀系数以改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过光固化法调整所述紫外光固树脂的线胀系数以改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度的步骤包括：利用在圆周方向上平均分布的紫外光照射所述紫外光固树脂，调整所述紫外光的功率和/或照射时间，改变所述紫外光固树脂的线胀系数以改变所述纤长补偿器的外围纤圈长度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩缩轴芯的线胀系数与所述纤长补偿器的外围纤圈长度之间的关系为

其中，

为求变化量的微分算符，

为所述纤长补偿器调整后的外围纤圈长度，

为所述纤长补偿器调整前的初始外围纤圈长度，t为对扩缩轴芯进行调节时的摄氏温度，

为 t 摄氏度时所述扩缩轴芯对应的线胀系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

=100m，所述纤长补偿器的外围纤圈长度的补偿范围为±2.5cm，所述纤长补偿器的细分精度为

。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将纤长补偿器固定在光纤陀螺的环圈尾纤的预设位置之前，还包括：将补偿纤绕制在半径为r的金属骨架芯轴上，并对绕制好的补偿纤进行刷胶固化，所述补偿纤包括左尾纤、右尾纤和中间尾纤；将所述金属骨架芯轴脱骨，得到空芯绕制的补偿纤圈；将高弹性胶体溶液浇注到所述补偿纤圈内，光固化或者热固化使得所述高弹性胶体溶液定型，得到所述扩缩轴芯，完成所述补偿纤圈和所述扩缩轴芯的装配得到所述纤长补偿器，所述扩缩轴芯与所述补偿纤圈之间是过盈装配，且过盈间隙小于或等于20um。

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