应力分析仪在光纤陀螺传感环圈测量中的应用

光纤传感环圈是光纤陀螺的核心敏感部件,其内部应力分布对陀螺整体性能有不可忽视的影响。对应力分析仪的测量原理——受激布里渊散射(SBS)进行了分析,并介绍了STA202型应力分析仪的主要性能指标。使用该应力分析仪对多个不同的光纤陀螺传感环圈进行了测试,观察到了环圈内部存在的多种应力分布状况,并对其产生原因进行了初步分析。测试结果表明:应力分析仪能够测量光纤环圈内部的应力分布,了解环圈缠绕的均匀性,并为改进光纤陀螺环圈的缠绕工艺、提高环圈质量提供有力的支持。     

基于ANSYS Workbench的高精度光纤陀螺结构优化设计

温度性能是影响光纤陀螺性能的主要因素,该文针对光纤陀螺的不同应用环境,对光纤陀螺的结构进行优化设计,通过材料热导率的设计,控制光纤环内的温度变化,从而提高光纤陀螺的温度稳定性;通过ANSYS Workbench的有限元分析法,对陀螺骨架的温度进行模拟仿真,既能对结构设计进行理论指导,又能验证结构设计的效果;最终对组装的高精度光纤陀螺样机进行测试,在未进行任何温度补偿的条件下,零偏稳定性达到了0.001(°)/h量级。     

光纤双折射对光纤环保偏能力影响的实验研究

为了研究光纤双折射对陀螺光纤环保偏能力的影响,选用三种不同型号的光纤采用相同的绕制方法制作相同规格的光纤环。采用白光干涉仪测试光纤环的偏振耦合分布,并利用光纤环两端尾纤与白光干涉仪尾纤的熔点引起的偏振耦合干涉峰计算绕环光纤的双折射。通过不同光纤环测试结果的比较,分析绕环光纤双折射对光纤环保偏能力的影响。测试结果表明,三种绕环光纤的双折射分别为7.47×10－4、6.36×10－4、5.78×10－4,对应的三只光纤环的整体偏振耦合幅值分别为－74.79 dB、－70.06 dB、－64.97 dB。选取了相同对应位置的5个大耦合点进行偏振耦合幅值的统计,三只光纤环平均偏振耦合幅值分别为－57.85 dB、－49.85 dB、－44.49 dB。实验结果表明采用高双折射的保偏光纤有利于提高光纤环的整体保偏能力,且高双折射光纤具有较强的抵御外界应力影响的能力。     

光纤陀螺用光纤环的应力分布实验研究

阐述了光纤陀螺中光纤环的的作用和绕制技术，介绍了布里渊光时域反射计(BOTDR)的工作原理和性能。利用一种BOTDR首次对不同情况下保偏光纤环的应力分布进行了测试和分析，揭示了光纤环中出现的工艺缺陷并进行了定位和分析。结果表明，利用BOTDR对光纤和光纤环进行应力分布测试，可有效的发现和控制这些缺陷的影响。     

空间用光纤陀螺辐射诱导磁场误差变化机理研究

干涉式光纤陀螺在空间环境下受粒子辐射、电磁场等多种物理场共同影响,使角速度输出误差劣化。文章通过分析光纤陀螺磁场误差主要来源,推导了光纤陀螺磁场误差模型。基于磁场误差模型探究辐射对磁场误差相关参数的影响,建立辐射诱导磁场误差变化理论模型。在此基础上,通过影响机理分析和实验验证,确定辐射主要通过影响维尔德常数和光纤应力双折射进而影响光纤陀螺输出零偏。进一步地,通过搭建小型化光纤陀螺样机,对保偏光纤环进行辐射处理并进行了相应磁场误差测试。测试结果表明,光纤陀螺磁场误差随辐射总剂量发生变化,其变化规律符合辐射诱导磁场误差变化模型。     

基于布里渊散射的保偏光纤环应力分布特性研究

保偏光纤环是光纤陀螺的核心部件,其性能受温度的影响较大,主要表现为热致互易相移,影响光纤陀螺的精度。针对该问题,提出采用应力分布法测量光纤环的温度非互易相移。通过对不同温度点的光纤环应力分布数据进行分析,建立光程对中数学模型,基于该模型对光纤环的尾纤进行适当调整,改进其光学对称性,降低由温度变化引起的非互易相移。通过陀螺整机实验表明:该方法能大幅提高光纤陀螺的精度,过程简单方便,对成品光纤环具有一定的修复作用,提高了成品率,实用性较好。     

光纤陀螺温度漂移建模与补偿

分析了光纤陀螺温度漂移产生的基本原理及其主要的影响因素.在对某型光纤陀螺进行大量高低温环境试验的基础上,根据试验数据,建立了一种零偏温度补偿模型.采用最小二乘逼近的方法,确定了模型参数,实现了对该陀螺零偏的补偿.通过对未参加建模的试验数据进行补偿,进一步验证了模型的正确性和通用性.实验结果表明,光纤陀螺经模型补偿后零偏基本可以减小2个数量级,零偏稳定性可以改善近80%,完全满足实时补偿的要求,具有较强的工程实用价值.     

结构谐振对闭环光纤陀螺振动性能的影响

振动性能是体现光纤陀螺环境适应性的一项重要指标。结构谐振是引起光纤陀螺振动误差的主要因素之一。在描述了光纤传感环圈骨架谐振对陀螺振动性能影响的试验现象的基础上,通过环圈骨架的有限元分析,以及光纤陀螺振动误差模型的推导,得出了环圈骨架谐振频率与陀螺振动输出零位漂移最大点的频率相吻合的结论。针对环圈骨架的薄弱环节进行改进设计及实验验证,结果表明消除结构谐振后的陀螺在0～2000Hz之间振动,输出不再发生明显漂移,振动过程中陀螺的零偏变化不超过0.2(o)/h。     

光纤陀螺环热扩散延迟响应模型及补偿技术研究

基于热扩散机理,研究了光纤陀螺中光纤环热扩散非互易相位误差导致的零漂的延迟响应特性,发现了延迟时间的温度相关性,获得了光纤环零漂延迟补偿模型。搭建高精度光纤陀螺实验系统,在不同温度段,采用近似"方波"形台阶温变激励,验证了热致非互易性相位误差的延迟特性,并获得了实验光纤环的模型参数。进行了光纤陀螺全温变零偏测试,实验结果表明采用改进模型可获得更好的零偏补偿效果,验证了新建模型的正确性和有效性。     

光纤陀螺正交磁漂移研究

提出了与陀螺敏感环平面垂直的正交磁场作用下保偏光纤(PMF)陀螺产生非互易相位差(NPD)的理论,建立了相应的数学模型,并对该模型进行仿真分析和实验验证。正交磁致非互易相位差源于光纤的弯曲,与光纤环的直径、光纤直径、光纤长度及正交磁场大小等参数密切相关。理论、仿真和实验结果表明,光纤环尾纤与集成光学元件(IOC)尾纤0°熔接的保偏光纤陀螺的正交磁漂移在一定范围内随机分布,而45°熔接的保偏光纤陀螺的正交磁漂移比较稳定,其正交磁漂移与正交磁场大小呈线性关系。     

光纤陀螺光纤环温度瞬态效应的模拟仿真

对光纤陀螺(FOG)中的光纤环建立了三维柱坐标模型,通过ANSYS Workbench软件,结合实际检测到的光纤环温度,采用有限元分析法对光纤环在各种温度条件下的内部温度场分布进行了模拟仿真,得到光纤环中各层、各圈的时间-温度变化曲线;利用光纤环中温度场分布的仿真结果,及温度瞬态效应相关的热致非互易相位变化理论,编写相关算法,计算出光纤环由温度变化带来的温度漂移;将模拟仿真的温度漂移与陀螺实际输出进行对比,验证了所有模拟仿真工作的正确性,从而对绕环工艺起到理论指导的作用。     

光纤陀螺方波调制误差的分析与抑制

基于光纤陀螺的调制-解调原理,讨论了调制方波的频率、相位、占空比和光纤环特征频率对方波调制误差的影响,推导出方波调制误差的数学模型.测量光纤环特征频率、调制方波频率、相位及其温度系数,分析了温度变化对方波调制误差的影响.提出了数字时域梳状滤波的解调方法,推导出消除方波调制误差的条件表达式.实验结果显示,数字时域梳状滤波可以使方波调制误差引起的偏置漂移减小到0.3°/h以下.     

光纤陀螺在直流及交变磁场中的磁敏感性研究

介绍了光纤陀螺的磁敏感性机理并进行了实验研究。利用亥姆霍兹线圈装置和光纤陀螺测试平台,研究了光纤陀螺在直流磁场中的磁敏感性,得到光纤陀螺数据输出与磁感应强度基本呈线性关系,以及轴向磁场和径向磁场影响系数的大小和光纤陀螺磁敏感轴的方向。主要针对50Hz的交流磁场研究交流磁场对光纤陀螺零偏和零漂的影响及其交流磁敏感性,得到交流磁场对零偏的影响可以忽略,但磁感应强度与陀螺零漂值的大小基本呈线性关系。研究了不同频率交流磁场对光纤陀螺输出的影响,说明了光纤陀螺数据输出主要与瞬态的磁感应强度成正比,不同频率交流磁场对光纤陀螺零漂值的影响不同,存在一个频率(或频率范围)对光纤陀螺零漂的影响较大,其频率范围与光纤陀螺输出带宽有关。     

受激布里渊散射光纤陀螺中光纤光源的阈值光功率研究

从非线性受激布里渊散射产生机理出发 ,研究了受激布里渊散射光纤陀螺 (SBS- FOG)中光纤光源的阈值光功率与光源谱宽及保偏光纤敏感环参数之间的函数关系 ,为进一步研究这种光纤光源的构造以及建立受激布里渊散射光纤陀螺系统打下了理论基础。     

Reduced phase error of a fiber optic gyroscope using a polarization maintaining photonic crystal fiber

We report the first measurement of the polarization crosscoupling of a 900-m length of quadrupolar-wound sensing coil for the fiber optic gyroscope (FOG) using polarization maintaining photonic crystal fibers (PM-PCFs). The crosscoupling is analyzed with the Optical Coherence Domain Polarimeter (OCDP). Also the polarization extinction ratio (PER) of the PM-PCF coil is measured. For comparison, a standard panda fiber coil with nearly the same length is examined. The results show that PER of the PM-PCF coil is ～10 dB larger than the panda fiber coil, and polarization crosscoupling in the PM-PCF coil is ～10 dB less than in the panda fiber coil. Moreover, based on measurements, a 4-fold reduction in phase error is demonstrated numerically in a FOG made of the PM-PCF coil, compared to the same gyro operated with a similar coil of panda fiber. These findings have important benefits in a higher measurement precision and stability of FOG.     

Rogowski线圈的FBG电流传感器研究

电流是电力设备进行计量、监控和保护的重要参量,对其准确测量是电力系统安全、稳定、可靠和经济运行的保证。研制了一种Rogowski线圈、叠堆压电陶瓷和光纤Bragg光栅组合成的测量大电流的电流传感器。利用Rogowski线圈把高压侧大电流线性地转换为低电压,输出电压加在叠堆压电陶瓷上,由逆压电效应,叠堆压电陶瓷伸缩带动光纤Bragg光栅伸缩,将叠堆压电陶瓷的应变线性转换为光纤Bragg光栅的中心反射波长的移位,增加温补光栅消除环境温度的影响,通过测量光纤Bragg光栅中心反射波长的移位来测量电流的大小。测试结果表明,该电流传感器的灵敏度为0.071 8pm/A,非线性误差为3.47%FS,滞后误差为4.17%FS,重复性误差为4.17%FS。     

光子晶体光纤陀螺标度因数特性研究

光子晶体光纤陀螺原理上具有磁敏感性低、温度稳定性好及抗辐照等特点,是光纤陀螺一个新的重要发展方向。很多学者研究了其零偏特性,但未见对其标度因数的研究报道。研究了光子晶体光纤陀螺标度因数的误差构成,并试验测量了光子晶体光纤环引入的误差。研究结果表明,光子晶体光纤陀螺标度因数具有更稳定的温度和辐照特性,在-40~+70℃的温度范围内,标度因数重复性为242.310-6(未补偿时),约为普通光纤陀螺的1/2。在经历总剂量为50 krad(Si)的辐照后,光纤陀螺标度因数变化10910-6,重复性和非线性没有明显变化,比普通光纤陀螺稳定1 倍以上。     

变张力下光纤线圈内部应力分布研究

针对光纤敏感线圈绕制过程中,不同层绕制张力变化引起其内部应力分布状态不同会导致光纤敏感线圈不能正常使用的问题,通过研究光纤敏感线圈中不同层光纤的受力状态,结合具体的绕制参数,建立对应的物理模型,采用有限元软件对其内部应力进行仿真分析,从而得到光纤线圈内部应力优化的具体方法.通过仿真及数据分析可得:采用绕制张力逐渐减小的方法能够有效提升光纤线圈在绕制初始阶段内部应力降低的速率,有助于增加其应力较小的层数,缩短应力释放时间,提高其在应用中的可靠性.