CN116046026A - 一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统，包括如下步骤：采用应力因子测量环圈性能，拟合出
、
及
，取已知分级好的多个光纤陀螺分别进行温度实验计算出
，从而确定各等级光纤陀螺
的取值范围，将待测试光纤陀螺进行温度实验，计算出
的值，并将
的值与预先确定的各等级光纤陀螺
的取值范围进行比较，
的值落在哪一等级取值范围内，则判定待测试光纤陀螺为哪一等级。本发明提供的方法及系统能够准确测量出光纤陀螺的性能，并依照出厂分级方法进行准确分级，防止对产品等级产生分歧或应用不当。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统。
背景技术
光纤陀螺是基于Sagnac效应测量相对惯性空间旋转运动的一种惯性测量元件，是惯性导航系统（ＩＮＳ）的重要部件，它能够向系统提供沿正交方向运动的转动速率信息，与三轴向加速度传感器的测量信息相结合就能够计算出系统相对于惯性空间的位置与运动速度。相对于其他陀螺而言，光纤陀螺具有成本低、质量轻、体积小、结构简单、使用寿命长、精度范围广、抗电磁干扰、无运动部件等优势，是一种新型的全固态惯性仪表。
光纤陀螺的光纤环圈是测量元件，是光纤陀螺的传感核心，对于光纤陀螺而言，它不但是影响精度的主要因素，又是提高精度的重要途径。当温度变化时，光纤环圈内的温度梯度、热应力以及光纤中因绕制产生的挤压应力均会改变光纤的折射率同时，光纤环圈中的交压现象目前也不可避免。
由于保偏光纤本身的性能缺陷，绕环工艺不理想，以及绕环时胶黏剂添加不均匀等因素都会使光纤环圈在实际工作中容易受到各种外力（尤其是温度环境变化）的干扰，产生相应的附加相位漂移，妨碍Sagnac相移的精确检测。
光纤环圈是光纤陀螺的核心的敏感元件，当光纤陀螺的工作环境温度变化时，光纤环圈内存在一个温度场与一个热应力场，并随着光纤的空间位置以及时间而变化。当温度变化时，光纤环圈内温度场变化，同时也会影响光纤环圈中的材料的物理参数，如导热系数、线性热膨胀系数与弹性模量等对温度变化，则又会导致温度场与应力场的分布情况的变化，进一步改变光纤的折射率，导致光纤环圈中传播的光波产生相位变化。在几百米甚至千米以上的光纤中相向传播的两束光在到达同一点具有时间延迟，产生非互易相移。光纤环圈的绕制方法与工艺不同，绕制时光纤的交叉与挤压，受长度与直径等方面的限制不能形成对称绕制等问题均会对导致光纤陀螺的输出误差。
大量的理论分析与工程实践表明：温度场与应力场之间存在着不同程度的耦合作用。一、温度场对应力场的作用主要以热应力的形式产生，当温度变化时，Ｘ、Ｙ、Ｚ三个主轴上会产生热应力分量作用在应力场上。同时当温度变化时，与应力有关的固体特征参数如热膨胀系数、弹性模量、泊松比、比热容等物理参数也会发生变化，对应力场产生相应的影响。二、应力场对温度场的作用主要以能量转换的形式产生，当应力场发生变化时，在光纤环圈内部存在力学的能量转换以及能量的内部耗散，力学能量转换为热能作用于温度场，导致温度场的相应变化。同时当应力场变化时，与固体形变相关的热特征参数也会发生变化，会导致温度场相应的变化。
由于温度场和应力场的耦合以及光纤环圈本身应力的复杂性，导致光纤陀螺准确的性能测试难度高，测试手段缺乏。但是如果不预先对光纤陀螺的性能做出准确测量，就将其装配完成并应用，可能会导致光纤陀螺性能不符合设计要求，出现不合格品。
目前，对光纤陀螺性能进行测量主要是针对光纤陀螺的光纤环圈性能测试，一般采用散搭成光纤陀螺，通过温度变化来测试出光纤陀螺产生的相移，进而判断光纤陀螺的性能。这种测试方法存在如下弊端：散搭成光纤陀螺进行测试，外界扰动会对裸露的光学器件、光纤尾纤带来干扰，导致测试的不准确，同时很难对光纤陀螺进行准确分级，从而根据光纤陀螺的应用环境选用合适等级的光纤陀螺，并且现有的光纤陀螺性能测试方法尤其是在对出厂光纤陀螺进行性能测试时，由于二者测试标准不同，很可能导致测试结果产生差异，从而对产品等级产生分歧或应用不当。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统，能够准确测量出光纤陀螺的性能并准确分级，从而根据光纤陀螺的应用环境选用合适等级的光纤陀螺为光纤陀螺运行过程中的稳定输出提供了有力保障。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其包括如下步骤：
S1：控制隔振温箱使光纤环圈的温度按照预设温度曲线变化，通过应力测试仪获取光纤环圈的应力信息，根据式（1）拟合出第一应力因子及第二应力因子；
（1）
其中为光纤环圈实时应力，为光纤环圈实时温度，为光纤环圈温度变化；
S2：获得光纤环圈在预设温度曲线下的实时输出角速度，根据式（2）拟合出综合因子；
（2）
S3：取已知分级好的多个光纤陀螺分别按照步骤S1-S2进行温度实验，拟合出多组、、，通过对、、进行加权处理获得多个光纤陀螺性能多权重拟合判据，并将计算出的多个值与参加温度实验的多个光纤陀螺的等级进行比较，从而确定各等级光纤陀螺的取值范围，并确定、、的权重；
S4：将待测试光纤陀螺按照步骤S1-S2进行温度实验，并将拟合出的、、以及步骤S3确定的权重计算出的值，并将的值与步骤S3确定的各等级光纤陀螺的取值范围进行比较，的值落在哪一等级取值范围内，则判定待测试光纤陀螺为哪一等级。
步骤S3进一步限定为：根据式（3）计算出多个光纤陀螺性能多权重拟合判据：
（3）
其中，为第一权重系数，为第二权重系数，为第三权重系数。
进一步，宽带光源发出的激光到达第一耦合器后分为两束光，一束光传输给调制器相位调制，另一束光传输给第二探测器进行光电转换以测试宽带光源光功率的实时变化，经调制器相位调制后的光分成两束敏感光波，第一束敏感光波直接接入光纤环圈的一端，第二束敏感光波经第二耦合器后再接入光纤环圈的另一端，两束敏感光波在光纤环圈中相向传播后，第一束敏感光波经第二耦合器后再与第二束敏感光波到达调制器相位调制后形成干涉光再返回第一耦合器分成两束干涉光，第一束干涉光进入第一探测器再经过第一AD转换器进行模式转换后，经过数字处理模块对信号进行采集解算后获得Sagnac相移后，一方面将陀螺角速度输出信息传输给上位机，同时交由第一DA转换器进行模式转换，进入后级运放器后反馈给调制器。
进一步，传输给第二探测器的光经第二探测器进行光电转换后，再经过第二AD转换器进行模式转换，然后传输给数字处理模块进行解算得到宽带光源实时光功率。
一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量系统，用以执行上述基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其包括宽带光源、第一耦合器、第二耦合器，调制器、光纤环圈、数字处理模块、第一探测器、应力测量仪、隔振温箱及上位机，所述光纤环圈放在隔振温箱内，宽带光源的输出端与第一耦合器的输入端耦合连接，第一耦合器输出端与调制器的输入端耦合连接，调制器的一个尾纤与光纤环圈的一个尾纤耦合连接，调制器的另一个尾纤与第二耦合器的输入端耦合连接，第二耦合器的输出端与光纤环圈的另一个尾纤耦合连接，第一探测器的输入端与第一耦合器的探测端耦合连接，第一探测器的输出端依次通过第一运放器、第一AD转换器与数字处理模块的输入端耦合连接，数字处理模块的反馈端与DA转换器的输入端耦合连接，DA转换器的输出端与后级运放器的输入端耦合连接，后级运放器的输出端与调制器的反馈端耦合连接，数字处理模块的输出端与上位机连接，应力测试仪输入端与第二耦合器测试端连接，应力测试仪输出端与上位机连接。
进一步，第一耦合器设有第一输出端口及第二输出端口，第一输出端口与调制器的输入端耦合连接，第二输出端口与第二探测器的输入端耦合连接，第二探测器的输出端通过第二AD转换器与数字处理模块的输入端耦合连接。
发明的有益效果：
本发明提供的一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统，能够准确测量出光纤陀螺的性能，并依照出厂分级方法进行准确分级，防止对产品等级产生分歧或应用不当，从而根据光纤陀螺的应用环境选用合适等级的光纤陀螺，为光纤陀螺运行过程中的稳定输出提供有力保障。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图2是本发明预设温度曲线示意图。
图中：1.宽带光源，2.第一耦合器，3.调制器，4.第二耦合器，5.隔振温箱，6. 光纤环圈，7.应力测量仪，8.上位机，9.第一探测器，10.第一运放器，11.第一AD转换器，12.数字处理模块，13.第二探测器，14.第二AD转换器，15.DA转换器，16.后级运放器。
具体实施方式
一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其包括如下步骤：
S1：控制隔振温箱使光纤环圈的温度按照预设温度曲线变化，通过应力测试仪获取光纤环圈的应力信息，根据式（1）拟合出第一应力因子及第二应力因子；
（1）
其中为光纤环圈实时应力，为光纤环圈实时温度，为光纤环圈温度变化；预设温度曲线示意图可如附图2所示；
S2：获得光纤环圈在预设温度曲线下的实时输出角速度，根据式（2）拟合出综合因子；
（2）
S3：取已知分级好的多个光纤陀螺分别按照步骤S1-S2进行温度实验，拟合出多组、、，通过对、、进行加权处理获得多个光纤陀螺性能多权重拟合判据，并将计算出的多个值与参加温度实验的多个光纤陀螺的等级进行比较，从而确定各等级光纤陀螺的取值范围，并确定、、的权重；多个光纤陀螺性能多权重拟合判据的确定可以采用现有技术已有的方式进行加权拟合确定，具体可以通过式（3）来确定，但不限于此种方式。
（3）
其中，为第一权重系数、为第二权重系数及为第三权重系数。
S4：将待测试光纤陀螺按照步骤S1-S2进行温度实验，并将拟合出的、、以及步骤S3确定的权重计算出的值，并将的值与步骤S3确定的各等级光纤陀螺的取值范围进行比较，的值落在哪一等级取值范围内，则判定待测试光纤陀螺为哪一等级。
由于光纤陀螺的光纤环圈由保偏光纤及绕制胶体组成，保偏光纤为了保持传输光电偏振态，会在光纤内部加入应力芯，利用该应力芯来保持光偏振。同时，绕制胶体在高温时流动性增加，低温时流动性减弱。因此，采用保偏光纤和绕制胶体制作成的光纤环圈在高低温时会产生强烈的应力变化。由于光纤应力变化和胶体流动性变化带来的光纤环圈整体应力变化复杂，通过基于应力因子对光纤环圈整体应力变化进行综合性能测试，相对于散搭成光纤陀螺的测试方式，可以更加方便而准确的测量出光纤环圈的性能。由于光纤环圈是光纤陀螺的核心部件，光纤环圈应力变化直接影响光纤陀螺的性能。
但是仅仅根据测试出的光纤环圈的应力变化对光纤陀螺进行分级，可能与出厂时光纤环圈标定的等级不一致，从而造成产品等级产生分歧或应用不当。本发明通过步骤S5，取已知分级好的多个光纤陀螺分别进行温度实验，拟合出多组、 ，然后计算出多个光纤陀螺性能多权重拟合判据，并将计算出的多个值与参加温度实验的多个光纤陀螺的等级进行比较，从而确定各等级光纤陀螺的取值范围及第一权重系数、第二权重系数及第三权重系数的取值，然后再将待测试光纤陀螺进行温度实验，并将测试过程中拟合出的、、以及步骤S5确定的第一权重系数、第二权重系数、第三权重系数的取值代入式（3），计算出的值，并将的值与步骤S5确定的各等级光纤陀螺的取值范围进行比较，看的值落在哪一等级取值范围内，则判定待测试光纤陀螺为哪一等级。这样将测试过程与出厂标定结果结合起来确定光纤陀螺的性能，不仅能够准确确定光纤陀螺的等级，而且不会对产品等级产生分歧或应用不当。
以出厂时已知分级好的100个光纤陀螺为例，假设已知这100个光纤陀螺中等级为优的为50个，等级为良的为30个，等级为合格的为20个，对这100个光纤陀螺进行温度实验时，假设步骤S5计算出的值中有50个≤100，有30个100＜≤200之间，有20个＞200，则在步骤S6中待测试光纤陀螺按照步骤S1-S4进行温度实验，最终计算出的值，若≤100，则判定待测试光纤陀螺的等级为优，若100 ＜≤200之间，则判定待测试光纤陀螺的等级为良，若＞200，则判定待测试光纤陀螺的等级为合格。
具体光纤陀螺通过应力测试仪获取光纤环圈的应力信息可以通过如下方法进行，但不限于此方法：宽带光源发出的激光到达第一耦合器后分为两束光，一束光传输给调制器相位调制，另一束光传输给第二探测器进行光电转换，测试宽带光源光功率的实时变化，经调制器相位调制后的光分成两束敏感光波，第一束敏感光波直接接入光纤环圈的一端，第二束敏感光波经第二耦合器后再接入光纤环圈的另一端，两束敏感光波在光纤环圈中相向传播后，第一束敏感光波经第二耦合器后再与第二束敏感光波到达调制器相位调制后形成干涉光再返回第一耦合器分成两束干涉光，第一束干涉光进入第一探测器再经过第一AD转换器进行模式转换后，经过数字处理模块对信号进行采集解算后获得Sagnac相移后，一方面将陀螺角速度输出信息传输给上位机，同时交由第一DA转换器进行模式转换，进入后级运放器后反馈给调制器。
进一步，传输给第二探测器的光经第二探测器进行光电转换后，再经过第二AD转换器进行模式转换，然后传输给数字处理模块进行解算得到宽带光源实时光功率，可以检测宽带光源的稳定性，从而保证检测结果的准确性。
一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量系统，用以执行上述基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，系统具体结构示意图如附图1所示，包括宽带光源1、第一耦合器2、第二耦合器4，调制器3、光纤环圈6、数字处理模块12、第一探测器9、应力测量仪7、隔振温箱5及上位机8，所述光纤环圈放在隔振温箱内，宽带光源的输出端与第一耦合器的输入端耦合连接，第一耦合器输出端与调制器的输入端耦合连接，调制器的一个尾纤与光纤环圈的一个尾纤耦合连接，调制器的另一个尾纤与第二耦合器的输入端耦合连接，第二耦合器的输出端与光纤环圈的另一个尾纤耦合连接，第一探测器的输入端与第一耦合器的探测端耦合连接，第一探测器的输出端依次通过第一运放器10、第一AD转换器11与数字处理模块的输入端耦合连接，数字处理模块的反馈端与DA转换器15的输入端耦合连接，DA转换器的输出端与后级运放器16的输入端耦合连接，后级运放器的输出端与调制器的反馈端耦合连接，数字处理模块的输出端与上位机8连接，应力测试仪输入端与第二耦合器测试端连接，应力测试仪输出端与上位机连接。
进一步，第一耦合器设有第一输出端口及第二输出端口，第一输出端口与调制器的输入端耦合连接，第二输出端口与第二探测器13的输入端耦合连接，第二探测器的输出端通过第二AD转换器14与数字处理模块的输入端耦合连接。
通过设置第二探测器，可以实时测试宽带光源光功率的实时变化，从而检测宽带光源的稳定性，保证检测结果的准确性。
综上所述，本发明提出的一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统，能够准确测量出光纤陀螺的性能，并依照出厂分级方法进行准确分级，防止对产品等级产生分歧或应用不当，从而根据光纤陀螺的应用环境选用合适等级的光纤陀螺，为光纤陀螺运行过程中的稳定输出提供有力保障。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：控制隔振温箱使光纤环圈的温度按照预设温度曲线变化，通过应力测试仪获取光纤环圈的应力信息，根据式（1）拟合出第一应力因子及第二应力因子；
（1）
其中为光纤环圈实时应力，为光纤环圈实时温度，为光纤环圈温度变化；
S2：获得光纤环圈在预设温度曲线下的实时输出角速度，根据式（2）拟合出综合因子；
（2）
S3：取已知分级好的多个光纤陀螺分别按照步骤S1-S2进行温度实验，拟合出多组、、 ，通过对、、 进行加权处理获得多个光纤陀螺性能多权重拟合判据，并将计算出的多个值与参加温度实验的多个光纤陀螺的等级进行比较，从而确定各等级光纤陀螺的取值范围，并确定、、 的权重；
S4：将待测试光纤陀螺按照步骤S1-S2进行温度实验，并将拟合出的、、 以及步骤S3确定的权重计算出的值，并将的值与步骤S3确定的各等级光纤陀螺的取值范围进行比较，的值落在哪一等级取值范围内，则判定待测试光纤陀螺为哪一等级。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其特征在于：所述步骤S3进一步限定为：根据式（3）计算出多个光纤陀螺性能多权重拟合判据：
（3）
其中，为第一权重系数,为第二权重系数,为第三权重系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其特征在于：宽带光源发出的激光到达第一耦合器后分为两束光，一束光传输给调制器相位调制，另一束光传输给第二探测器进行光电转换以测试宽带光源光功率的实时变化，经调制器相位调制后的光分成两束敏感光波，第一束敏感光波直接接入光纤环圈的一端，第二束敏感光波经第二耦合器后再接入光纤环圈的另一端，两束敏感光波在光纤环圈中相向传播后，第一束敏感光波经第二耦合器后再与第二束敏感光波到达调制器相位调制后形成干涉光再返回第一耦合器分成两束干涉光，第一束干涉光进入第一探测器再经过第一AD转换器进行模式转换后，经过数字处理模块对信号进行采集解算后获得Sagnac相移后，一方面将陀螺角速度输出信息传输给上位机，同时交由第一DA转换器进行模式转换，进入后级运放器后反馈给调制器。
4.根据权利要求3所述的一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其特征在于：传输给第二探测器的光经第二探测器进行光电转换后，再经过第二AD转换器进行模式转换，然后传输给数字处理模块进行解算得到宽带光源实时光功率。
5.一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量系统，用以执行如权利要求1-4任一项所述的一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法，其特征在于：包括宽带光源、第一耦合器、第二耦合器，调制器、光纤环圈、数字处理模块、第一探测器、应力测量仪、隔振温箱及上位机，所述光纤环圈放在隔振温箱内，宽带光源的输出端与第一耦合器的输入端耦合连接，第一耦合器输出端与调制器的输入端耦合连接，调制器的一个尾纤与光纤环圈的一个尾纤耦合连接，调制器的另一个尾纤与第二耦合器的输入端耦合连接，第二耦合器的输出端与光纤环圈的另一个尾纤耦合连接，第一探测器的输入端与第一耦合器的探测端耦合连接，第一探测器的输出端依次通过第一运放器、第一AD转换器与数字处理模块的输入端耦合连接，数字处理模块的反馈端与DA转换器的输入端耦合连接，DA转换器的输出端与后级运放器的输入端耦合连接，后级运放器的输出端与调制器的反馈端耦合连接，数字处理模块的输出端与上位机连接，应力测试仪输入端与第二耦合器测试端连接，应力测试仪输出端与上位机连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量系统，其特征在于：第一耦合器设有第一输出端口及第二输出端口，第一输出端口与调制器的输入端耦合连接，第二输出端口与第二探测器的输入端耦合连接，第二探测器的输出端通过第二AD转换器与数字处理模块的输入端耦合连接。
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