[發明專利]一種基于應力因子的光纖陀螺性能測量方法及系統

有效

• 申請號: 202310332459.0
• 申請日: 2023-03-31
• 公開（公告）號: CN116046026B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 顏苗;陳龍淼;左文龍;張曉明;鄭志勝;楊正
• 申請（專利權）人: 中國船舶集團有限公司第七〇七研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 天津展譽專利代理有限公司 12221
• 代理人: 劉永會

本發明涉及光纖陀螺技術領域，尤其涉及一種基于應力因子的光纖陀螺性能測量方法及系統，包括如下步驟：采用應力因子測量環圈性能，擬合出、及，取已知分級好的多個光纖陀螺分別進行溫度實驗計算出，從而確定各等級光纖陀螺的取值范圍，將待測試光纖陀螺進行溫度實驗，計算出的值，并將的值與預先確定的各等級光纖陀螺的取值范圍進行比較，的值落在哪一等級取值范圍內，則判定待測試光纖陀螺為哪一等級。本發明提供的方法及系統能夠準確測量出光纖陀螺的性能，并依照出廠分級方法進行準確分級，防止對產品等級產生分歧或應用不當。

技術領域

本發明涉及光纖陀螺技術領域，尤其涉及一種基于應力因子的光纖陀螺性能測量方法及系統。

背景技術

光纖陀螺是基于Sagnac效應測量相對慣性空間旋轉運動的一種慣性測量元件，是慣性導航系統（ＩＮＳ）的重要部件，它能夠向系統提供沿正交方向運動的轉動速率信息，與三軸向加速度傳感器的測量信息相結合就能夠計算出系統相對于慣性空間的位置與運動速度。相對于其他陀螺而言，光纖陀螺具有成本低、質量輕、體積小、結構簡單、使用壽命長、精度范圍廣、抗電磁干擾、無運動部件等優勢，是一種新型的全固態慣性儀表。

光纖陀螺的光纖環圈是測量元件，是光纖陀螺的傳感核心，對于光纖陀螺而言，它不但是影響精度的主要因素，又是提高精度的重要途徑。當溫度變化時，光纖環圈內的溫度梯度、熱應力以及光纖中因繞制產生的擠壓應力均會改變光纖的折射率同時，光纖環圈中的交壓現象目前也不可避免。

由于保偏光纖本身的性能缺陷，繞環工藝不理想，以及繞環時膠黏劑添加不均勻等因素都會使光纖環圈在實際工作中容易受到各種外力（尤其是溫度環境變化）的干擾，產生相應的附加相位漂移，妨礙Sagnac相移的精確檢測。

光纖環圈是光纖陀螺的核心的敏感元件，當光纖陀螺的工作環境溫度變化時，光纖環圈內存在一個溫度場與一個熱應力場，并隨著光纖的空間位置以及時間而變化。當溫度變化時，光纖環圈內溫度場變化，同時也會影響光纖環圈中的材料的物理參數，如導熱系數、線性熱膨脹系數與彈性模量等對溫度變化，則又會導致溫度場與應力場的分布情況的變化，進一步改變光纖的折射率，導致光纖環圈中傳播的光波產生相位變化。在幾百米甚至千米以上的光纖中相向傳播的兩束光在到達同一點具有時間延遲，產生非互易相移。光纖環圈的繞制方法與工藝不同，繞制時光纖的交叉與擠壓，受長度與直徑等方面的限制不能形成對稱繞制等問題均會對導致光纖陀螺的輸出誤差。

大量的理論分析與工程實踐表明：溫度場與應力場之間存在著不同程度的耦合作用。一、溫度場對應力場的作用主要以熱應力的形式產生，當溫度變化時，Ｘ、Ｙ、Ｚ三個主軸上會產生熱應力分量作用在應力場上。同時當溫度變化時，與應力有關的固體特征參數如熱膨脹系數、彈性模量、泊松比、比熱容等物理參數也會發生變化，對應力場產生相應的影響。二、應力場對溫度場的作用主要以能量轉換的形式產生，當應力場發生變化時，在光纖環圈內部存在力學的能量轉換以及能量的內部耗散，力學能量轉換為熱能作用于溫度場，導致溫度場的相應變化。同時當應力場變化時，與固體形變相關的熱特征參數也會發生變化，會導致溫度場相應的變化。

由于溫度場和應力場的耦合以及光纖環圈本身應力的復雜性，導致光纖陀螺準確的性能測試難度高，測試手段缺乏。但是如果不預先對光纖陀螺的性能做出準確測量，就將其裝配完成并應用，可能會導致光纖陀螺性能不符合設計要求，出現不合格品。

目前，對光纖陀螺性能進行測量主要是針對光纖陀螺的光纖環圈性能測試，一般采用散搭成光纖陀螺，通過溫度變化來測試出光纖陀螺產生的相移，進而判斷光纖陀螺的性能。這種測試方法存在如下弊端：散搭成光纖陀螺進行測試，外界擾動會對裸露的光學器件、光纖尾纖帶來干擾，導致測試的不準確，同時很難對光纖陀螺進行準確分級，從而根據光纖陀螺的應用環境選用合適等級的光纖陀螺，并且現有的光纖陀螺性能測試方法尤其是在對出廠光纖陀螺進行性能測試時，由于二者測試標準不同，很可能導致測試結果產生差異，從而對產品等級產生分歧或應用不當。

發明內容