CN115628733B - 消除y波导相位电压误差的方法、应力补偿器及光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种消除Y波导相位电压误差的方法、应力补偿器及光纤陀螺。应力补偿器包括应力传感器及压电线路补偿网路，所述应力传感器由胶体形成的薄膜均匀包裹，且该薄膜可有效将应力传感器粘接于Y波导衬底上，与Y波导衬底保持同尺寸伸缩膨胀，准确获得Y波导衬底伸缩变形，由应力传感器准确测量出应力变化。通过压电线路补偿网路将应力变化转换为正比于电压变化，再由反向放大电路加以输出。通过负反馈回路将Y波导的相位电压误差实时补偿，实现对光纤陀螺Y波导相位电压误差进行直接消除，提高光纤陀螺精度和可靠性。

Description

消除Y波导相位电压误差的方法、应力补偿器及光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种消除Y波导相位电压误差的方法、应力补偿器及光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速率传感器，具有体积小、全固态、使用寿命长、精度潜力大、动态范围宽等优点。基于光纤陀螺的捷联式惯性导航系统已被广泛应用于航天航空、陆用车载、舰艇导航等领域。

随着光纤陀螺技术的进步，光纤陀螺的系统应用逐渐推广，高精度光纤陀螺的应用需求日益迫切，尤其是在一些长航时高精度水面、水下应用场合，要求光纤陀螺不仅精度高还要求陀螺连续可靠工作。为了达到陀螺高精度、高可靠设计目的，光纤陀螺的相位复位误差需要精确补偿，以此减小标度因数误差和零偏误差。

传统较高精度的干涉式光纤陀螺如图1所示主要包括光纤环圈1，Y波导2，耦合器3，探测器（PIN）4以及光源（ASE）5。其基本工作原理是光源（ASE）5发出光束经由耦合器3的直通端到达Y波导2，然后经过Y波导2分束后，进入光纤环圈1形成正反两束光，在光纤环圈1各绕一周后再经由Y波导2的双臂合束。当光纤环圈1处于停止且Y波导2没有外加调制电压的情况下，两束光合束后不会形成相位差。当光纤环圈1转动，或者是当Y波导2的Y波导驱动正电极22及Y波导驱动负电极23两个电压输入端有调制电压差的时候，两束光会形成相位差，这时两束光形成干涉光束通过耦合器的耦合端后被探测器（PIN）4所探得，形成强弱分布的光强分布，通过线路解调就可以得到与上述强度成正比的相位差或者转速信息。

消除相位复位误差的技术手段通常在数字闭环回路中增加第二回路，选取2π复位时机点，通过阶梯波复位的残余误差提取2π信息，以此确定2π电压的真实值，上述方法优点是在线路上易于实现且不增加硬件负担。但也带来了新的问题就是2π检测回路软件实现代码较为复杂，而且第一回路的基础上，双回路参数设置不当易出现环路不稳，在陀螺工作在大动态或者高速相位复位过程中极易出现环路不稳导致的陀螺输出“卡死”状态，从而影响陀螺可靠性。还有一些研究通过提取温度信息，对Y波导相位误差或者标度因数进行离线补偿，上述补偿模型的假设前提是基于Y波导的相位误差由温度影响因素引起，当环境影响因素发生变化时，模型适应性往往不强，较为严重的问题是通常Y波导的2π相位误差不单来自于环境温度的变化，其本质原因是来自于Y波导器件本身受到应力导致的双折射形成的相位改变。单纯通过温度补偿模型不准而且效率低下。

由于温度或者外界应力会导致Y波导2形成附加的相位差，进而导致Y波导2的模值电压（2π电压）产生偏差，上述误差信号如果变化频率较高则会形成零偏误差，如果是个缓变信号则会形成标度因数误差。业内通常采用监测2π复位信息，通过第二回路提取2π信息，结合软件编程加以调整或补偿相位电压误差。缺点是上述软件补偿在大动态条件下存在环路不稳问题以及可靠性风险。

上述两种做法都是通过分析探测器（PIN）的输出信号，确定误差补偿量大小，再通过误差相位补偿器7将误差补偿量转化为Y波导驱动正电极22及Y波导驱动负电极23的相位电压补偿量进行补偿。由此可见，针对Y波导相位复位误差消除措施，目前行业的技术问题是技术措施多从软件等间接手段且多停留在温度补偿角度加以解决，尚缺乏从更为直接的应力影响因素出发，采用硬件手段加以解决。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种Y波导应力补偿器及相位电压误差补偿方法，实现对光纤陀螺Y波导相位电压误差进行直接消除，提高光纤陀螺精度和可靠性。

本发明提供一种消除Y波导相位电压误差的方法，包括如下步骤：

S1.在Y波导衬底上附着与Y波导衬底尺寸同时变化的应力补偿器的应力传感器；

S2.将步骤S1中应力传感器与应力补偿器的压电线路补偿网路连接，所述压电线路补偿网路的电压输出端反向连接Y波导驱动正电极与Y波导驱动负电极；

S3.当外界环境变化使得Y波导衬底及附着其上的应力传感器同时发生尺寸变化，应力传感器测量到尺寸变化而产生的应力变化；

S4.压电线路补偿网路产生与步骤S3的应力变化趋势相反的电压，并通过实时补偿回路负反馈到Y波导驱动正电极与Y波导驱动负电极之间。

根据本发明提供的步骤S1中所述附着的方式为采用固化胶体粘贴的方式。

本发明还提供一种消除Y波导相位电压误差的应力补偿器，所述应力补偿器包括互相连接的应力传感器及压电线路补偿网路，所述应力传感器粘贴在Y波导衬底上，并与Y波导衬底尺寸同时变化，所述压电线路补偿网路将补偿回路负反馈到Y波导驱动正电极与Y波导驱动负电极之间。

根据本发明提供的所述应力传感器由胶体形成的薄膜均匀包裹，并粘贴在Y波导衬底上。

根据本发明提供的所述应力传感器由弹性系数恒定的金属丝构成，所述金属丝对拉应力或压应力敏感，所述金属丝通过曲折盘绕的方式粘贴在Y波导衬底上。

所述压电线路补偿网路包括压电转换电路及放大器，所述压电转换电路采用电桥连接方式，通过金属丝的电阻值变化调节压电转换电路的输出电压，所述压电转换电路的一电压输出端通过放大器连接Y波导驱动正电极，另一电压输出端连接Y波导驱动负电极。

根据本发明提供的电桥连接方式的电路由三个平衡电阻及金属丝组成，其中三个平衡电阻为精密电阻，其电阻值不随环境改变，三个平衡电阻的电阻值均为金属丝在无应力条件下的电阻值。

根据本发明提供的所述应力传感器由压电陶瓷片构成，所述压电陶瓷片设置有多个，并粘贴在沿Y波导衬底的长度的延伸方向，多个所述压电陶瓷片串联连接。

根据本发明提供的所述压电线路补偿网路为负反馈电路，所述负反馈电路由电压比较器以及参考电压源组成，所述参考电压源的电压为串联的所述压电陶瓷片在无附加应力时的电压，所述负反馈电路输出端连接Y波导驱动正电极，Y波导驱动负电极接地。

本发明还提供一种光纤陀螺，包括上述的消除Y波导相位电压误差的应力补偿器。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明中应力补偿器包括应力传感器和压电线路补偿网路。所述应力传感器由胶体形成的薄膜均匀包裹，且该薄膜可有效将应力传感器粘接于Y波导衬底上，与Y波导衬底保持同尺寸伸缩膨胀，准确获得Y波导衬底伸缩变形，由应力传感器准确测量出应力变化。通过压电线路补偿网路将应力变化转换为正比于电压变化，再由反向放大电路加以输出。通过负反馈回路将Y波导的相位电压误差实时补偿，实现对光纤陀螺Y波导相位电压误差进行直接消除，提高光纤陀螺精度和可靠性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中消除Y波导相位电压误差的光纤陀螺；

图2是本发明提供的消除Y波导相位电压误差的应力补偿器实施例一的示意图；

图3是本发明提供的消除Y波导相位电压误差的应力补偿器实施例二的示意图。

附图标记：

1、光纤环圈；2 、Y波导；21、Y波导衬底；22、Y波导驱动正电极；23、Y波导驱动负电极；3、耦合器；4、探测器（PIN）；5、光源（ASE）；6、应力补偿器；61、胶体形成的薄膜；62、金属丝；63、压电线路补偿网路；64、平衡电阻；65、恒压电源；66、压电陶瓷片；67、放大器；7、误差相位补偿器；8、电压比较器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

本发明提出一种消除Y波导相位电压误差的方法、应力补偿器及光纤陀螺，图2为本发明提供的消除Y波导相位电压误差的应力补偿器实施例一的示意图。在传统干涉式陀螺结构中加入应力补偿器6。该应力补偿器其组成包括3部分，分别是应力传感器（本例中为金属丝62）、胶体形成的薄膜61以及压电线路补偿网路63。

相位电压误差补偿方法基本原理是：

当环境有应力变化后， Y波导衬底21将发生形变变形，与附着于其上的铌酸锂产生应力。同样，上述形变也同时对应力补偿器产生应力，通过测量胶体形成的薄膜应力达到对铌酸锂应力同步监测。上述应力可由但不限于曲折的金属丝62感知，并产生弹性变形，进而产生长度伸缩。上述伸缩会导致金属丝的电阻发生成比例的变化。电阻的电阻值变化被压电转换电路（本例中为电桥连接方式）转化成电压变化，该变化正比于金属丝电阻值Rx的变化，当然也正比于电阻丝的应力变化。

通过放大器67放大后，反向送入Y波导2，其中放大器67的放大倍数参数可由实际传感器电阻值决定，对于良好的线性度电阻器典型放大倍数取值为4R0/Rx，其中R0为平衡电阻64电阻值。

结合以上补偿原理，相位电压补偿方法实施步骤如下：

S1.在Y波导衬底上附着与Y波导衬底尺寸同时变化的应力补偿器的应力传感器。

具体实施线路连接方法是，首先将应力补偿器的应力传感器（本例中为金属丝62）固定附着在Y波导衬底21上，保证均匀附着，没有相对位移，确保两种贴合面同步伸缩。

S2.将应力补偿器的电压输出端直接串联到Y波导的模值电压（2π电压）参考源上。

然后将压电线路补偿网路的电桥电阻输入端连接到应力传感器（本例中为金属丝62）的两个接线端头。将压电线路补偿网路的输出端通过放大器67接于Y波导驱动正电极22、Y波导驱动负电极23的接线柱上。注意，压电线路补偿网路的正、负接线柱与Y波导驱动正电极、Y波导驱动负电极反接。上述反接的目的是实现负反馈。

S3.应力补偿器中的应力传感器（本例中为金属丝62）测量到因为外界环境变化引起Y波导衬底变形导致的应力的变化；

S4.应力补偿器中的压电线路补偿网路产生与上述应力变化趋势相反的电压，并通过实时补偿回路负反馈到Y波导的电压参考源上，即Y波导驱动正电极、Y波导驱动负电极之间。

对Y波导模值电压进行实时修正，确保Y波导的模电压准确更新，改善复位电压误差导致的标度因数误差和零偏误差；

如果检测到反馈电压不为零继续循环步骤S3~步骤S4。

实施例一是一种电阻式的应力传感器组成的应力补偿器。其中应力补偿器的应力传感器由金属丝和胶体形成的薄膜61构成，应力传感器呈长条状，金属丝材质可由金、银、铜等材料组成，金属丝界面均匀可以为圆形或者矩形，确保金属丝在轴向具有良好的线胀特性。应力传感器长条状通常要求长度远大于宽度，这样确保金属丝敏感测量长度方向的应力。金属丝界面尺寸通常小于0.2mm。胶体形成的薄膜的厚度要求大于0.2mm且不超过0.5mm，目的是具有良好的电绝缘性同时具有良好的粘接强度，确保金属丝与胶体形成的薄膜随外界应力同步伸缩。金属丝可采取但不限于规则盘绕，也可以如图2所示曲折盘绕。金属丝的电阻值Rx达到规定的电桥的平衡电阻64电阻值R0，最后由正上、正下方分别引出两个接线柱（头），作为应力传感器的输出端。

图2中，压电线路补偿网路63的作用是将应力转换为电压，包括采样端、三个电阻值完全相同的平衡电阻64、采样电阻以及恒压电源65组成。采样端连接采样电阻，采样电阻即为前文所述的金属丝62。采样电阻的初始值为应力传感器在无应力条件下的电阻值，通常情况下与平衡电阻的电阻值相等。平衡电阻为精密电阻，其电阻值不随环境改变。四个电阻形成的电学网路呈四边形，一个对角线连接恒压电源，一个对角线作为压电线路补偿网路的输出端。

除了电阻式应力补偿器外，如图3实施例二示例了一种由压电材料如压电陶瓷片66串联构成应力传感器。压电陶瓷片66串联起来的目的是放大应力信号。压电陶瓷片呈长条形状的目的是确保长度方向应力信号远大于宽度方向，形成有效地应力提取方向。类似于前文所述的电阻式应力补偿器，压电陶瓷片首尾呈“蛇形”连接后形成两个接线头作为电压输出端。压电陶瓷片由均匀胶体形成的薄膜61包裹，胶体形成的薄膜的厚度不超过0.5mm，起到固定附着，与Y波导衬底21同步收缩的作用。

具体补偿方法的实施过程如下：

将应力补偿器的负反馈电压输出端直接串联到Y波导的模值电压（2π电压）参考源上；即所述负反馈电路输出端连接Y波导驱动正电极22，Y波导驱动负电极23接地。

应力补偿器中的应力传感器（本例中为压电陶瓷片66）测量到因为外界环境变化引起Y波导衬底变形导致的应力的变化；

压电陶瓷片变化电压V_out与参考电压源通过电压比较器8，其中参考电压源为串联的压电陶瓷片在无附加应力时的电压V_电压源，通过电压比较器8后所得电压为V_out-V_电压源，目的是求出整体压电陶瓷片受应力后的电压变化。产生与上述应力变化趋势相反的电压，并通过实时补偿回路负反馈电路输出到Y波导驱动正电极22；

对Y波导模值电压进行实时修正，确保Y波导的模值电压准确更新，改善复位电压误差导致的标度因数误差和零偏误差。

本发明方法示例虽为单轴陀螺形式，但本发明方法不仅适用于单轴光纤陀螺，而且对于双轴、三轴乃至多轴陀螺同样适用，特别是在大过载、大动态条件下，尤其适用于软件2π相位补偿方法失效情况下。

本发明还提供一种光纤陀螺，包括上述的消除Y波导相位电压误差的应力补偿器。

本发明提供的一种消除Y波导相位电压误差的方法、应力补偿器及光纤陀螺。具有如下优点：

1、响应快，采用闭环负反馈机制，具有实时在线补偿特点。

2、补偿效果好，有效降低Y波导复位电压误差带来误差，增强抗光纤陀螺抗干扰能力。

3、适用范围广，不仅适用于单轴光纤陀螺，而且对于双轴、三轴乃至多轴陀螺同样适用，特别是在大过载、大动态条件下，尤其适用于软件2π相位补偿方法失效情况下。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种消除Y波导相位电压误差的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.在Y波导衬底上附着与Y波导衬底尺寸同时变化的应力补偿器的应力传感器，附着的方式为应力传感器由胶体形成的薄膜均匀包裹，并粘贴在Y波导衬底上；

S2.将步骤S1中应力传感器与应力补偿器的压电线路补偿网路连接，所述压电线路补偿网路的电压输出端反向连接Y波导驱动正电极与Y波导驱动负电极；

S3.当外界环境变化使得Y波导衬底及附着其上的应力传感器同时发生尺寸变化，应力传感器测量到尺寸变化而产生的应力变化；

S4. 压电线路补偿网路产生与步骤S3的应力变化趋势相反的电压，并通过实时补偿回路负反馈到Y波导驱动正电极与Y波导驱动负电极之间。

2.一种消除Y波导相位电压误差的应力补偿器，其特征在于，所述应力补偿器包括互相连接的应力传感器及压电线路补偿网路，所述应力传感器由胶体形成的薄膜均匀包裹，并粘贴在Y波导衬底上，并与Y波导衬底尺寸同时变化，所述压电线路补偿网路将补偿回路负反馈到Y波导驱动正电极与Y波导驱动负电极之间。

3.根据权利要求2所述的一种消除Y波导相位电压误差的应力补偿器，其特征在于，所述应力传感器由弹性系数恒定的金属丝构成，所述金属丝对拉应力或压应力敏感，所述金属丝通过曲折盘绕的方式粘贴在Y波导衬底上。

4.根据权利要求3所述的一种消除Y波导相位电压误差的应力补偿器，其特征在于，所述压电线路补偿网路包括压电转换电路及放大器，所述压电转换电路采用电桥连接方式，通过金属丝的阻值变化调节压电转换电路的输出电压，所述压电转换电路的一电压输出端通过放大器连接Y波导驱动正电极，另一电压输出端连接Y波导驱动负电极。

5.根据权利要求4所述的一种消除Y波导相位电压误差的应力补偿器，其特征在于，电桥连接方式的电路由三个平衡电阻及金属丝组成，其中三个平衡电阻为精密电阻，其电阻值不随环境改变，三个平衡电阻的电阻值均为金属丝在无应力条件下的电阻值。

6.根据权利要求2所述的一种消除Y波导相位电压误差的应力补偿器，其特征在于，所述应力传感器由压电陶瓷片构成，所述压电陶瓷片设置有多个，并粘贴在沿Y波导衬底的长度的延伸方向，多个所述压电陶瓷片串联连接。

7.根据权利要求6所述的一种消除Y波导相位电压误差的应力补偿器，其特征在于，所述压电线路补偿网路为负反馈电路，所述负反馈电路由电压比较器以及参考电压源组成，所述参考电压源的电压为串联的所述压电陶瓷片在无附加应力时的电压，所述负反馈电路输出端连接Y波导驱动正电极，Y波导驱动负电极接地。

8.一种光纤陀螺，其特征在于，包括如权利要求2至7任一项所述的消除Y波导相位电压误差的应力补偿器。

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