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光纤陀螺温度误差及其抑制方法研究

作 者: 王玥泽
导 师: 陈晓冬
学 校: 天津大学
专 业: 光学工程
关键词: 光纤陀螺 光纤环圈 Shupe误差 缓冲层 十六极绕法 补偿匝
分类号: V241.5
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


陀螺仪是惯性技术领域指示方位角的重要传感器,在导航、制导、卫星定位、大地测量等军用和民用的诸多领域起着至关重要的作用。基于Sagnac效应的光纤陀螺由于具有质量轻、尺寸小、精度高、寿命长、无运动部件的优点,已经成为现今国际上工业应用的重要陀螺仪之一。国外研制的光纤陀螺及其系统已经得到了广泛的应用,而国内光纤陀螺的研发状况远远落后于国际先进水平。制约国内光纤陀螺研发及其工化应用的主要问题在于:光纤陀螺在应用环境中易受温度变化与温度梯度的影响,导致陀螺输出存在较大漂移。而光纤环圈作为光纤陀螺中最重要的敏感核心,它对温度的敏感程度直接影响陀螺的温度性能。本文主要研究内容如下:(1)首先阐述了光纤陀螺基本原理及其国内外发展现状,以及引起光纤陀螺中敏感核心—光纤环圈发生温度漂移的机理。(2)分析了热应力引起的温度误差机理,提出带有缓冲层的新型光纤环圈模式,建立光纤环圈的温度有限元模型,通过有限元分析及实验验证,证明带有缓冲层的新型光纤环圈在降低热应力引起的误差方面较传统光纤环圈有明显的优势。(3)在详细研究由温度梯度引起的Shupe非互异性误差的机理后,指出使用特殊的光纤环圈绕制方法可以有效的抑制陀螺由于温度梯度而引起的漂移问题。通过理论推导,证明采用现阶段最为常用的四极对称方法制作而成的光纤环圈仍然存在残余的Shupe误差。经过提出光纤环圈的十六极绕法。通过理论分析和对比实验证明,采用十六极绕法绕制的光纤环圈可以更为有效的抑制Shupe误差的影响。(4)提出加入补偿匝的方法,对光纤环圈及Y波导的尾纤的相对长度进行适当调整,实验证明该方法可以对光纤环圈制作过程中的非理想因素引入的Shupe误差进行抑制。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 光纤陀螺概述  9-11
    1.1.1 光纤陀螺的特点及应用领域  9-10
    1.1.2 光纤陀螺的分类  10-11
  1.2 光纤陀螺的研究进展与应用现状  11-13
    1.2.1 国外光纤陀螺及其系统的发展现状  11-13
    1.2.2 国内工程化光纤陀螺及其系统的发展现状  13
  1.3 论文的研究内容及目的  13-15
第二章 光纤陀螺的基本原理及基本构成  15-20
  2.1 光纤陀螺的基本原理  15-17
    2.1.1 SAGNAC 效应与光纤环形敏感器  15-17
    2.1.2 互异性结构  17
  2.2 干涉式光纤陀螺的基本构成  17-18
  2.3 干涉式光纤陀螺的主要性能指标  18-19
  2.4 本章小结  19-20
第三章 光纤环圈温度误差机理研究  20-28
  3.1 热应力对光纤环圈温度性能的影响  20-24
    3.1.1 热应力对光纤环圈偏振态的影响  20-23
    3.1.2 由热应力引入的相位误差  23-24
  3.2 Shupe 误差对光纤环圈温度性能的影响  24-26
  3.3 本章小结  26-28
第四章 热应力引起误差的抑制方法及热应力误差检测  28-41
  4.1 热应力误差的抑制方法  28-31
    4.1.1 采用温度系数较小的光纤制作光纤环形敏感器  28-30
    4.1.2 采用开放式骨架及全脱骨结构  30-31
  4.2 采用带有缓冲层的光纤环圈结构形式对热应力误差进行抑制  31-35
    4.2.1 带有缓冲层的光纤环圈  31-32
    4.2.2 基于 ANSYS 有限元分析的光纤环圈热应力分析  32-35
  4.3 光纤环圈热应力误差检测  35-40
    4.3.1 基于 BOTDR 的光纤环圈热应力检测  35-38
    4.3.2 热应力引起的非互易性相位差检测  38-40
  4.4 本章小结  40-41
第五章 Shupe 误差的抑制方法  41-54
  5.1 现有光纤环圈的绕制方法及其对 Shupe 误差的补偿作用  41-46
  5.2 带有补偿匝的十六级绕法的理论分析  46-53
    5.2.1 十六级绕法的理论分析  46-51
    5.2.2 补偿匝对于残余 SHUPE 误差的抑制作用  51-53
  5.3 本章小结  53-54
第六章 十六极光纤环圈制作及其 Shupe 误差检测  54-63
  6.1 光纤绕环机简介  54-55
  6.2 光纤绕环机功能及十六极绕法的工艺实现  55-58
    6.2.1 光纤绕环机的主要功能  55-57
    6.2.2 十六极绕法的工艺实现  57-58
  6.3 Shupe 误差引起的非互易性相位差检测  58-59
  6.4 利用补偿匝对光纤陀螺中残余 Shupe 误差进行补偿  59-62
  6.5 本章小结  62-63
第七章 总结与展望  63-65
  7.1 全文总结  63-64
  7.2 对下一步工作的展望  64-65
参考文献  65-68
发表论文和参加科研情况说明  68-69
致谢  69

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 航空仪表、航空设备 > 陀螺仪表
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