光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计.pdf
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1、 传感器与微系统()年第卷第期:()光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计常扬,傅军,宁治文,吴力华,黄宇(海军工程大学电气工程学院,湖北武汉;海军工程大学电子工程学院,湖北武汉;天津海关科技处,天津)摘要:扁平式光纤陀螺的合理光纤环设计对提高小型化程度和精度具有重要现实意义。提出了嵌套式多层多匝光纤环设计思路。首先,介绍了光纤陀螺仪小型化设计途径、嵌套式多层多匝光纤环的设计结构与原理。其次,对光纤环进行了建模计算和模拟仿真。结果表明:嵌套式多层多匝光纤环可以在扁平式光纤陀螺同样空间和布局内增加更多的光纤长度,从而比一般光纤环有更高的检测精度,仿真出的精度提高的范围在 之间。仿真表明,零偏漂移也有一
2、定提高。在相同精度要求情况下,嵌套式多层多匝光纤环可以将扁平式光纤陀螺尺寸设计的更小,高效利用空间。关键词:光纤陀螺仪;光纤环;嵌套式;小型化;效应;零偏稳定性中图分类号:;文献标识码:文章编号:(),(,;,;,):,:;引言随着无人机、智能机器人等新型科技迅速发展,对陀螺仪小型化提出更高的要求。因干涉型光纤陀螺(,)拥有灵敏度高、无转动部分等优势,中等精度、小型化、轻型化颇具发展潜力。在小型化设计中,缩短光纤环长度和内径是减小尺寸的最重要方式,但光纤环长度和内径的减小,陀螺测量精度和零偏稳定性也会变差。当前国内小尺寸产收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()品化,光纤环长度可达,内
3、径可达,高度可达。清华大学提出的多次循环,扩大光程,达到了提高灵敏度、抑制误差的效果。由此得到启发,改进光纤环的光程,将对陀螺小型化的改进起到意想不到的效果。在特殊空间条件下为了压缩空间,需要用到扁平式光纤陀螺。扁平式小型光纤陀螺光纤环内部空间设计还不够完善,其光纤环只是一个环状体,内部结构是空的,一定程度上浪费了内部空间。本文提出了嵌套式多层多匝光纤环,将若干个内径不第期常扬,等:光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计同的光纤环组合成一体,以嵌套的形式将几个小光纤环内外叠加,从外层到内层直径逐渐减小,形成一个完整的集成化光纤环,实现扁平式进一步小型化。基本原理基于效应如图,假设运载体逆时针旋转,为
4、运载体运动前光波开始传播的位置,为运载体运动过程中光波传播一圈返回起点发生干涉的位置,由于运载体的转动,光波顺时针和逆时针传播经过的路程不等。tcwtccwRSS图 效应原理 设光纤环敏感线圈匝数为,半径为,长度为,其中。则光波沿光纤环顺时针传播所用的时间可表示为()式中 为光波在真空中传播速度,为运载体旋转的角速度。光波沿光纤环逆时针传播所用的时间可表示为()光波沿光纤环顺时针传播和逆时针传播的时间之差,即渡越时间可表示为()束光波传播产生的相位差可表示为()式中 为光源发出光波的波长,为光纤环的平均直径,且。是通过测量相位差实现对角速度的测量,相向传播的束光波在光纤环线圈中累积相位可达,由
5、上式可知,在一定的旋转角速度情况下,由于光纤环内径不同,产生的渡越时间和相位差也不同。嵌套式多层多匝光纤环设计方法在工程实际中,光纤环径向截面尺寸对陀螺性能影响较大,光纤环径向截面如图所示。hl图光纤环的径向截面 光纤环截面高度与宽度比是光纤环的关键设计参数,。由于温度和力学环境的适应性,每个光纤环的不能过大也不能过小。一般高度与宽度比在 之间,比值过大或过小会造成较大热扰动和效应误差。若要陀螺具有较好性能,每个小光纤环的截面高度与宽度应折中选择,不能无限增加。由于特殊空间环境需要,扁平式光纤陀螺一般高度较低,陀螺直径较大,安装在其他惯性器件底部或侧端,由于的限制,光纤环的高度与宽度一定,不能
6、超过。为了满足精度,只能在光纤环骨架设置在靠近壳体一端,浪费了内部空间。嵌套式多层多匝光纤环可解决此问题,结构如图所示。tcwtccw光纤环 5光纤环4光纤环 3光纤环 2光纤环 1图嵌套式多层多匝光纤环结构 不同直径的若干小光纤环从内到外嵌套组合,每个小环缠绕成多匝多层结构。每个小环截面高度与宽度均折中选择,不变,保持每个环良好性能。每个小环独立封装,温度学和力学适应性互不影响。将每个小环尾纤相连,组成集成的大光纤环。集成大光纤环既具有每个小环的热膨胀性能,又增加了总长度,节省陀螺空间。嵌套式多层多匝光纤环可由不同环数目组成,最少个,无上限数目,可根据环内空间大小以及光纤环间距具体确定,每个
7、小环选择相同保偏光纤以及尾纤连接材料。环间距一般间隔。每个小环采用多层多匝互易性结构设计,最内侧小环的内径不宜过小,最小内径为,否则会使陀螺检测精度变得过小。众所周知,光纤陀螺温度性能与绕制方法、绕纤精度、固化胶体以及骨架材料、环境温度场等多种复杂因素有关,目前最有效方法是采用精密对称绕法抑制效应。光纤陀螺中通常采用四极对称绕法。在本文中,使用非理想四极对称绕法来减小温度变化和振动引起的误差。由于光纤环对称性对陀螺漂移的影响,温度扰动变化造成的非互易误差与环中温度变化率成正比,且距离环中点越远,影响越大。本文设计减小了非互易性造成的热误差,每个小环的非理想四极对称绕法的层坐标如下()(),()
8、,()()(),(),()式中 为第个小光纤环的层坐标,为第小光纤环的半径。由最内侧环圈中点,作为敏感线圈中点,离光纤环中点等距部分缠绕在一起,每个小环各部分有对称点,且距离中点等距部分相同,缠绕在一起。小环尾纤相连,尾纤连接采用跳线架跳接,同时应用聚氯乙烯()保护传 感 器 与 微 系 统第卷套,有效保证尾纤连接安全,减小损耗。嵌套式多层多匝光纤环比一般光纤环具有更大优势,内部的光学器件紧凑设置在环之间。在相同光纤环长度要求下,嵌套式多层多匝光纤环由于内外相嵌套的环数较多,最外层半径小,占用空间小,减小陀螺体积。在相同尺寸要求下,嵌套式多层多匝光纤环由于内外环数增多,光纤长度增大,提高了陀螺
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