[发明专利]一种检测陀螺用光纤环质量的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于光学测量、光纤传感技术领域；涉及一种适用于评判光纤陀螺用光纤环绕制质量的检测方法及其检测装置。

背景技术

陀螺仪是一种用于敏感角速度的惯性器件，是惯性系统核心器件之一。光纤陀螺（Fiber Optic Gyro）是近三十年发展起来的一种新型光学陀螺仪，它是一种基于Sagnac原理的光纤角速度传感器。与以往陀螺仪（如传统的机械陀螺乃至比较先进的激光陀螺）相比，具有无机械部件、灵敏度高等特点；与微机电陀螺仪相比，在技术指标和环境适应性上具备优势；与激光陀螺相比，它无需超高精度光学加工，不需要机械偏置和高压，不必采用高性能气体密封，容易制造，易于集成，寿命更长。

光纤陀螺通常由五大器件构成，包括探测器、Y波导、光源、光调制器和光纤环，其工作过程大致为：光源发出光，通过Y波导分成两束从光纤环的两端进入到光纤环当中，在光纤环传输后回到一点并产生光干涉，探测器用来测量干涉信号；当光纤环发生转动的时候，干涉信号就会随着发生对应变化，通过测量干涉信号的变化，就可以判断转动角度；光调制器用来将信号调制在敏感区域，使得整个光纤陀螺的测量精度更高。由于光纤环是光纤陀螺的传感核心部件，它的缠绕质量好坏直接决定光纤陀螺的精度，特别是其温度稳定性和抗振动干扰能力直接影响整个光纤陀螺的性能。它对光纤陀螺来说，既是提高精度的重要途径，同时也是主要影响精度的因素。在实际应用中光纤陀螺容易受到磁场、振动和温度梯度等瞬态环境干扰，导致光纤环内正反向传播的两束光受外界环境的影响不同，产生非互易性相位误差。这种瞬态效应会严重地削弱光纤陀螺的性能。目前在光纤环绕制上普遍采用对称绕法来消除光纤环瞬态效应。对称绕法在原理上合理的，但实现起来存在较大困难，由于其绕制周期长，绕制工艺复杂，人工绕制等众多因素，导致所绕制的环对称性得不到保证。

在光纤陀螺中，若两束相向传输的光波到达光纤中同一点时存在一个微小时间延迟。当存在温度梯度时，同一温度场中不同时刻温度对光波传输影响不同，从而导致了两束光波之间产生非互易性相位差当以光纤环中点s＝L/2（L为整段光纤长度）为坐标原点时，如图1所示，其数学模型为：

其中，为两束光波的相位差，n为光纤的折射率，为待测光纤双折射随温度变化系数，τ为光纤环的渡越时间，为外界温度激励随时间变温情况，s和s′均为正值，规定它们的正方向相反，s以逆时针方向递增，s′以顺时针方向递增，两者的取值范围都为：0~L/2。

通常光纤陀螺用于测量旋转，光纤环中相向传输的两束光波的相位差Δφ_e与光纤环长度L光纤环直径D和待测量转速Ω有关，具体关系式如下：

式中λ₀为光源中心波长，c₀为光速。

将式（2）分别代入式（1），可得光纤环热致误差速率表达式为：