[發明專利]一種光纖陀螺儀在線故障檢測方法

在審

• 申請號: 202010919304.3
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112595340A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 王健偉;李明燕;董明杰
• 申請（專利權）人: 北京理工導航控制科技股份有限公司
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C19/72
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 劉西云;李微微

本發明提供一種光纖陀螺儀在線故障檢測方法，由于光強信息對光纖絲的損傷更敏感，通過光強信息，可以更容易發現光纖絲斷裂的情形；因此，本發明通過對Y波導施加過調制信號進行解調，解調后的信號經累加求和平滑后輸出，即在不增加任何硬件成本的情況下，就獲得了光強信息；然后，本發明通過實時檢測光強來判斷生產過程中光纖絲是否存在劃傷等隱患，以及光纖絲熔接是否正常；同時，在整機溫度循環過程中，可以實時監測光強變化，通過檢測微弱的光強變化，即可判斷光纖陀螺是否存在質量隱患；也就是說，本發明通過在線檢測各陀螺儀的光強信號，可以實時判斷各陀螺儀的質量狀況，為專家系統選擇哪個陀螺儀提供參考信息。

技術領域

本發明屬于故障探測技術領域，尤其涉及一種光纖陀螺儀在線故障檢測方法。

背景技術

慣性技術是海陸空天各類運動載體慣性導航、制導控制、定位定向、姿態穩定以及過載傳感器等的核心技術，是同時具備自主性好、信息全面、實時連續、抗干擾強等特性的載體運動信息感知技術。慣性技術在國防和民用領域發揮著越來越大的作用。

陀螺儀是慣性系統的核心部件，用于敏感運動載體相對慣性空間的角運動，測量載體的角位移和角速度，對慣性系統的性能起著關鍵作用，是慣性技術研究的重點內容之一。

光纖陀螺儀是以近代物理學效應為基礎發展起來的光電類陀螺，相比較傳統的機電類陀螺儀，光纖陀螺具有結構簡單、體積小、可靠性高及精度高等優點，近二十年，光纖陀螺儀技術得到迅猛發展。光纖陀螺基于Sagnac效應，即沿閉合光路相向傳播的光波返回到起點干涉后，干涉信號的相位差正比于閉合光路敏感軸的輸入角速度。

典型的干涉型光纖陀螺的基本原理如圖1所示。其中光路部分包括：光源1、耦合器2、Y波導3、光纖環4、探測器5構成；信號處理電路部分主要包含A/D轉換器6、FPAG邏輯控制器7、D/A轉換器8。

如圖1所示，探測器5檢測到的光信號強度為其中，I₀為輸入光強，為陀螺輸入角速度引起的Sagnac相位差，在閉環光纖陀螺中，該項可理解為Sagnac相位差與反饋相位之和，為小量。當相位差時，即光纖陀螺輸出的靈敏度很差，接近于0；零位，由于響應曲線(余弦函數)的對稱性，無法直接確定光纖陀螺的旋轉方向。

為了獲得最大的輸出信號靈敏度，并能分辨角速度的方向，通常對Sagnac干涉儀進行相位偏置，偏置后的響應公式為：

在光纖陀螺儀信號檢測電路中，為了檢測高頻信息，通常把輸入信號進行隔直處理，濾除信號中的直流分量，則響應公式可以簡化為其中，I_D為光強信號的探測值，同理，當對Sagnac干涉儀進行相位偏置，偏置后的響應公式為兩個響應公式相減得到因為閉環光纖陀螺中，為Sagnac相位差與反饋相位之和，為小量，因此上述公式可以簡化成線性模型。偏置后，探測器接收到的光功率隨的變化為正弦函數，因而在零輸入附近具有最大的靈敏度，同時通過調制解調后，可以很方便求得該誤差角。

從圖1可以看出，光纖陀螺結構相對簡單，目前光學器件和信號處理電路都非常成熟，因此，相對于機電陀螺儀，光纖陀螺具有體積小、可靠性高等優點。因為光纖陀螺的精度與光纖絲長度密切相關，在高精度應用場合，廠家都希望盡量增加光纖絲長度，但是，光纖絲長度增加，勢必會帶來體積的增大，為了減小體積而不損失精度，只能減小光纖絲的直徑。目前常用的光纖絲直徑包括125μm、80μm、60μm等，光纖絲非常細，因此在陀螺儀裝配、光纖絲熔接過程中，光纖絲非常容易劃傷，另外，根據目前工藝情況，陀螺儀裝配、光纖絲熔接過程中還無法做到自動化操作，人為的因素導致光纖絲斷裂成了影響光纖陀螺可靠性的短板。

為了提高可靠性，目前常用的方法是在光纖陀螺裝配完成后進行多次溫度循環試驗，使得有缺陷的產品在溫度應力下徹底損壞，通過后續測試剔除有缺陷產品。在高可靠性應用場合，通常采取冗余方案，利用多個陀螺儀同時敏感同一角度信息，通過專家系統，選擇合格的陀螺儀。