DE69721475T2 - Pickup coil of an optical fiber gyroscope with improved temperature stability - Google Patents
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Description
Hintergrund der Erfindungbackground the invention
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Faseroptikgyraskope und insbesondere auf Faseroptikgyrosensorspulen und die optische Faser, mit der sie gewickelt sind.This invention relates generally on fiber optic gyroscopes and in particular on fiber optic gyro sensor coils and the optical fiber with which they are wound.
Faseroptikgyroskope fühlen die Drehung durch Messung der Phasendifferenz der Lichtwellen ab, die in entgegengesetzten Richtungen durch eine Spule wandern, die mit einer optischen Faser gewickelt ist. Lichtwellen, die sich durch die Spule in der Drehrichtung fortpflanzen, brauchen eine längere Zeit als Lichtwellen, die durch die Spule in der Richtung entgegengesetzt der Drehrichtung laufen. Diese Zeitdifferenz, als die Phasendifferenz zwischen entgegengesetzten sich fortpflanzenden Lichtwellen gemessen, ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Spule.Fiber optic gyroscopes feel that Rotation by measuring the phase difference of the light waves wander in opposite directions through a coil with an optical fiber is wound. Waves of light passing through propagating the spool in the direction of rotation takes a long time as light waves passing through the coil in the opposite direction run in the direction of rotation. This time difference than the phase difference measured between opposing propagating light waves, is proportional to the angular velocity of the coil.
Die Phasendifferenz zwischen den entgegengesetzten sich fortpflanzenden Lichtwellen in einer Faseroptikgyrosensorspule wird nicht nur durch die Winkelgeschwindigkeit der Spule sondern auch durch Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Spule beeinflußt, die durch Veränderungen der Umweltparameter herbeigeführt werden, wobei die Temperatur der wichtigste ist. Eine Veränderung der Temperatur der Spule verändert den Brechungsindex und die physikalischen Abmessungen der optischen Faser, wodurch direkt die Zeit beeinflußt wird, die benötigt wird, damit die Lichtwelle durch die Spule wandert.The phase difference between the opposing propagating light waves in a fiber optic gyroscope sensor coil is not only due to the angular velocity of the coil but also through changes affects the physical properties of the coil, the through changes the environmental parameters brought about temperature is the most important. A change the temperature of the coil changed the refractive index and the physical dimensions of the optical Fiber which directly affects the time it takes so that the light wave travels through the coil.
Wenn die Veränderungsrate der Temperatur gering genug wäre, daß die Spule im wesentlichen die gleiche Temperatur in ihrem gesamten Volumen hat, wären die Veränderungen der Fortpflanzungszeiten der sich entgegengesetzt fortpflanzenden Wellen im wesentlichen die gleichen, und die gemessene Phasendifferenz wäre im wesentlichen unabhängig von der Veränderungsrate der Temperatur. Jedoch bei Veränderungsraten der Temperatur, auf die die Faseroptikgyroskope treffen, erfahren die entgegengesetzten sich fortpflanzenden Wellen unterschiedliche Temperaturen zu einem gege benen Zeitpunkt und eine vollständige Auslöschung der Temperatureffekte tritt nicht auf. Als eine Folge weist die Phasendifferenz, wie sie von einem Faseroptikgyroskope gemessen wird, eine Vorspannung (bias) auf, die von der gemessenen Phasendifferenz subtrahiert werden muß, um die Phasendifferenz zu erhalten, die der Drehung der Spule zuzuordnen ist.If the rate of change in temperature is low would be enough that the Coil has essentially the same temperature in its entire volume, would they be changes the propagation times of the oppositely propagating waves essentially the same, and the measured phase difference would be in essentially independent from the rate of change the temperature. However, with rates of change the temperature encountered by the fiber optic gyroscopes the opposite propagating waves are different Temperatures at a given time and complete extinction of the Temperature effects do not occur. As a result, the phase difference shows as measured by a fiber optic gyroscope, a bias (bias), which are subtracted from the measured phase difference must to to get the phase difference associated with the rotation of the coil is.
Es ist möglich, genau die Vorspannung der Spulen zu modellieren, die für hochgenaue Anwendungen ausgelegt sind, und zwar mit einer Funktion der Temperatur (die "Modellierungsfunktion"), die mit thermisch eingeleitetem nicht reziprokem Verhalten in Beziehung steht. (Siehe D. M. Shupe im Thermally Induced Non-Reciprocity in the Fiber Optic Interferometer (Thermisch eingeleitetes nicht-reziprokes Verhalten in dem Faseroptikinterferometer), 19 Applied Physics 654 (1980). Siehe ebenfalls das US-Patent 5 371 593, Sensor Coil for Low-Bias Fiber Optic Gyroscope (Sensorspule für ein Faseroptikgyroskop mit geringer Vorspannung) von A. Cordova und anderen.) Um weiter die Genauigkeit dieser Gyroskope zu verbessern, ist es sehr wichtig, die Temperaturabhängigkeit der Koeffizienten zu eliminieren oder zumindest wesentlich zu reduzieren, die die Modellierungsfunktion definieren.It is possible to exactly the preload to model the coils for high-precision applications are designed, with a function of Temperature (the "modeling function") associated with thermally initiated is not related to reciprocal behavior. (See D. M. Shupe in the Thermally Induced Non-Reciprocity in the Fiber Optic Interferometer (Thermally initiated non-reciprocal behavior in the fiber optic interferometer), 19 Applied Physics 654 (1980). See also U.S. Patent 5,371 593, Sensor Coil for Low-Bias Fiber Optic Gyroscope (sensor coil for a Fiber Optic Gyroscope with Low Preload) by A. Cordova and others.) To further improve the accuracy of these gyroscopes, it is very important the temperature dependence of the coefficient to eliminate or at least significantly reduce the Define modeling function.
Weiterhin sei hingewiesen auf die
Schrift
Es sei auch hingewiesen auf die Schrift US-4 724 316, die einen verbesserten Faseroptiksensor der Bauart offenbart, bei der eine faseroptische Wellenführungskomponente des Sensors so konfiguriert ist, daß sie auf einen externen Parameter anspricht, so daß die Krümmung der faseroptischen Wellenführung ansprechend auf Kräfte verändert wird, die durch Veränderungen des äußeren Parameters eingeleitet werden, der abgefühlt wird. Die Veränderung der Krümmung der faseroptischen Wellenführung bewirkt Intensitätsveränderungen des dort hindurch laufenden Lichtes, wobei diese Veränderungen den Zustand des externen Parameters anzeigen. Die Verbesserung weist Beschichtungsmaterial auf, welches den äußeren Teil der faseroptischen Wellenführung bedeckt, wobei das Beschichtungsmaterial einen Ausdehnungskoeffizienten und eine Dicke hat, so daß die Verzerrung bzw. Verwertung der faseroptischen Wellenführung, die durch thermisch eingeleitete Spannungen zwischen dem Beschichtungsmaterial und der Glasfaser bewirkt wird, im wesentlichen eliminiert wird. Es wird auch ein Tragglied offenbart, um die gekrümmte faseroptische Wellenführung zu stützen, wobei das Tragglied und die faseroptische Wellenführung konfiguriert und angeordnet sind, um die Effekte der thermischen Spannung zu minimieren, die dazu tendiert, die Wellenführung von dem Tragglied zu trennen.Attention is also drawn to the scriptures US 4,724,316 which is an improved type of fiber optic sensor discloses a fiber optic waveguide component of the sensor is configured to responsive to an external parameter so that the curvature of the fiber optic waveguide is responsive on forces changed is going through change of the outer parameter be initiated, the sensed becomes. The change in curvature the fiber optic waveguide causes changes in intensity of the light passing through it, these changes display the status of the external parameter. The improvement points Coating material on which the outer part of the fiber optic Wave guide covered, wherein the coating material has a coefficient of expansion and has a thickness so that the Distortion or utilization of the fiber optic waveguide, the due to thermally induced tensions between the coating material and the fiber is caused to be substantially eliminated. There is also disclosed a support member for the curved fiber optic wave guide to support wherein the support member and the fiber optic waveguide are configured and are arranged to increase the effects of thermal stress minimize that tends to undulate the shaft from the support member separate.
Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention
Eine faseroptische Gyrosensorspule mit verbesserter Temperaturstabilität zur Anwendung bei Temperaturen zwischen T1 und T2 wird vorgesehen, wobei T1 kleiner als –30°C ist, und wobei T2 größer als 60°C ist. Die Spule ist mit einer optischen Faser gewickelt, die eine oder mehrere Ummantelungen hat. Die eine oder mehreren Ummantelungen sind aus Material hergestellt, die Glasübergangsregionen außerhalb des Temperaturbereiches von T1 bis T2 haben.A fiber optic gyro sensor coil with improved temperature stability for use at temperatures between T1 and T2 is provided where T1 is less than -30 ° C and where T2 is greater than 60 ° C. The coil is wound with an optical fiber that has one or more sheaths. The one or more casings are made of material, the glass transition regions outside the temperature range from T1 to T2.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispieledescription of the preferred embodiments
Ein Grund für die starke Temperaturabhängigkeit
der Modellierungsfunktionskoeffizienten ist die große Veränderung
der physikalischen Eigenschaften der Ummantelung der optischen Faser
in der Spule mit der Temperatur.
Theoretische Berechnungen sagen scharfe Veränderungen bei den Modellierungsfunktionskoeffizienten für Spulen vorher, die mit optischen Fasern gewickelt sind, die herkömmliche Ummantelungen haben, und zwar bei jedem Ende eines Temperaturbereiches, aufgrund der großen Veränderung des Elastizitätsmoduls des inneren Silikonummantelungsmaterials bei niedrigen Temperaturen und aufgrund der großen Veränderung des Moduls des äußeren Acrylatummantelungsmaterials bei hohen Temperaturen.Theoretical calculations say sharp changes in the modeling function coefficients for coils previously with optical Fibers are wound, the conventional Have jackets at each end of a temperature range, because of the big change of the modulus of elasticity the inner silicone sheathing material at low temperatures and because of the big one change of the module of the outer acrylic coating material at high temperatures.
Der Elastizitätsmodul als eine Funktion der Temperatur
für das
innere Silikonummantelungsmaterial einer Faser mit einer herkömmlichen
Ummantelung ist in
Der Schlüsselmodellierungsfunktionskoeffizient
als eine Funktion der Temperatur ist für drei Spulenkonfigurationen
in
Ein Vergleich der Modulkurven mit
den Modellierungsfunktionskoeffizientenkurven zeigt die Verbindung
zwischen den Veränderungen
des Elastizitätsmoduls
für die
inneren und äußeren Ummantelungen
und den Veränderungen
des Schlüsselmodellierungsfunktionskoeffizienten
für eine
Spule, die mit einer optischen Faser mit herkömmlichen Ummantelungen gewickelt
ist. Die wesentliche Veränderung des
Schlüsselmodellierungsfunktionskoeffizienten bei
niedrigen Temperaturen entspricht der schnellen Veränderung
des Moduls des inneren Ummantelungsmaterials (
Der Temperaturbereich, über dem sich der Modul eines Ummantelungsmaterials von einem hohen zu einem niedrigen Wert verändert, wird als "Glasübergangsbereich" bezeichnet. Der Median dieses Temperaturbereichs wird als die "Glasübergangstemperatur" bezeichnet. Bei Temperaturen unter dem Glasübergangsbereich ist das Ummantelungsmaterial weich oder "gummiartig". Das untere Ende des Glasübergangsbereiches ist so definiert, daß dies die Temperatur ist, bei der der Modul ein Drittel des hohen Glaszustandswertes ist. Das obere Ende des Glasübergangsbereiches ist so definiert, daß dies die Temperatur ist, bei der der Modul dreimal so groß ist wie der Wert bei dem niedrigen gummiartigen Zustand. Ein Ummantelungsmaterial kann mehrere Glasübergangsregionen haben.The temperature range over which the modulus of a cladding material from high to high changed low value, is called the "glass transition area" designated. The median of this temperature range is called the "glass transition temperature" designated. At temperatures below the glass transition area, the cladding material is soft or "rubbery". The lower end of the glass transition area is defined to be this is the temperature at which the module is a third of the high glass state value is. The upper end of the glass transition area is defined to be this is the temperature at which the module is three times as large as the value at the low rubbery state. A sheathing material can have multiple glass transition regions to have.
Idealerweise sollte der Elastizitätsmodul von allen Ummantelungsmaterialien ungefähr konstant über den Betriebstemperaturbereich des Gyroskops sein. Daher sollten die Glasübergangsbereiche von allen Ummantelungsmaterialien außerhalb des Betriebstemperaturbereiches sein. Für die Ummantelungsmaterialien geeignete Materialien, die sowohl oberhalb als auch unterhalb der Betriebsbereiche der Gyroskope Glasübergangsbereiche haben, sind in der Technik wohl bekannt.Ideally, the modulus of elasticity of all sheathing materials approximately constant over the Operating temperature range of the gyroscope. Therefore, the Glass transition areas of all sheathing materials outside the operating temperature range his. For the cladding materials suitable materials that are both above as well as below the operating areas of the gyroscope glass transition areas are well known in the art.
Claims (12)
Applications Claiming Priority (1)
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EP97102810A EP0860686B1 (en) | 1995-12-22 | 1997-02-20 | Fiber optic gyro sensor coil with improved temperature stability |
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DE69721475T Expired - Fee Related DE69721475T2 (en) | 1997-02-20 | 1997-02-20 | Pickup coil of an optical fiber gyroscope with improved temperature stability |
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1997
- 1997-02-20 DE DE69721475T patent/DE69721475T2/en not_active Expired - Fee Related
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DE69721475D1 (en) | 2003-06-05 |
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