一种抑制光纤陀螺温度误差或振动误差的方法与流程

本发明涉及一种抑制光纤陀螺温度误差和振动误差的方法，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术：

光纤陀螺在实际应用中经常遇到的问题之一是环境温度变化所引起的输出误差。光纤陀螺工作时的温度范围通常在-40℃到60℃且有时还会伴随剧烈的温度变化即快速的升降温过程，这些情况都会使陀螺的稳态输出包含有长周期的不可忽略的热漂移误差。光纤陀螺实际的热漂移误差不仅仅只有传统的shupe误差，还应包括光纤环热应变所引起的弹光效应误差，且后者的热应变大小，与绕环胶的弹性模量在全温范围内的变化规律密切相关。因此，在shupe效应误差模型的基础上，通过引入弹光效应来改进并完善光纤陀螺的热漂移误差模型，分析绕环胶的弹性模量对热应力分布的影响，并进一步对陀螺最终输出误差的影响，能够为今后光纤环的设计与工艺改善提供重要的参考价值。

光纤陀螺理论上所具有的全固态和无运动部件等特点，使其拥有了抗振动、抗冲击、对加速度不敏感等优势。但实际上，由于光纤本身弹光效应的存在，外界的振动往往会使光纤环与机械结构之间、光纤与绕环胶之间、光纤与光纤之间产生相互的应力作用，进而引起光纤的长度发生形变同时折射率也会发生改变，并最终导致在光纤环中相向传输的偏振光产生非互易相移误差。振动引起的光纤环内部应力和温度变化引起的热应力本质上是相同的。因此，振动所导致的光纤陀螺输出误差可以直接类比热应力所引起的热漂移误差，同时也考虑了光纤形变所带来的影响。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以分别降低热漂移误差和振动输出误差的抑制光纤陀螺温度误差或振动误差的方法，从而改善光纤陀螺的环境适应性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种抑制光纤陀螺温度误差或振动误差的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据光纤环的绕制参数和材料参数，进行光纤环的几何建模和温度、应变分布的仿真计算；

步骤2：将光纤环绕环胶的弹性模量在1mpa到1gpa的范围内取值进行模拟仿真，得到光纤陀螺在使用不同弹性模量绕环胶时的温度误差或振动误差曲线，进而确定使得热漂移误差或振动输出误差达到最小时相应的弹性模量。

作为本发明的一种优选方案：步骤1中的绕制参数包括环长度、环直径、绕制层数和每层匝数。

作为本发明的另一种优选方案，步骤1中的材料参数包括材料属性、比热容、密度、热导率、热膨胀系数、弹性模量、泊松比。

本发明有益效果：

本发明利用光纤环shupe效应误差和由振动引起光纤形变的误差与弹光效应误差符号相反，即两者之间可以起到相互抵消的原理，能够使用一种方法分别减少热漂移误差或振动输出误差，使光纤陀螺能够分别适应对温度误差和振动误差要求较高的场合。

本发明提出的新思路能够有效地抑制光纤陀螺的温度误差或振动误差，改善光纤陀螺的环境适应性。此方法易于工程实践，能在同类光纤陀螺的基础上有效得提高性能，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2(a)为光纤环绕环胶的弹性模量为1mpa时，针对表1参数的光纤陀螺全温范围内的热漂移误差曲线图；

图2(b)为光纤环绕环胶的弹性模量为500mpa时，针对表1参数的光纤陀螺全温范围内的热漂移误差曲线图；

图2(c)为光纤环绕环胶的弹性模量为1gpa时，针对表1参数的光纤陀螺全温范围内的热漂移误差曲线图；

图3为光纤陀螺受到垂直方向振动时的示意图；

图4(a)为光纤环绕环胶的弹性模量为5mpa时，针对表1参数的光纤陀螺的振动输出误差曲线图；

图4(b)为光纤环绕环胶的弹性模量为10mpa时，针对表1参数的光纤陀螺的振动输出误差曲线图；

图4(c)为光纤环绕环胶的弹性模量为100mpa时，针对表1参数的光纤陀螺的振动输出误差曲线图；

图5为针对表1参数的光纤陀螺振动误差与绕环胶弹性模量的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。

本发明是采用以下技术方案实现的：利用实际光纤环的绕制和材料参数，通过有限元分析软件对光纤环进行几何建模和温度、应变分布的仿真，利用具体实施方式中建立的shupe—应力误差模型，计算出光纤环绕环胶的最佳弹性模量。将光纤环绕环胶的弹性模量在1mpa到1gpa范围内分别取不同大小的值，取值点尽量覆盖市场上几种主要绕环胶的弹性模量，进行模拟仿真，得到光纤陀螺在使用不同弹性模量绕环胶时的温度误差或振动误差曲线，从而找出使得热漂移误差或振动输出误差达到最小时相应的弹性模量，以此模量设计绕环胶、绕制光纤环，从而达到减小误差的目的。该方法的独创性是能够使用一种方法分别减少热漂移误差和振动输出误差，使得光纤陀螺能够分别适应对温度误差或振动误差要求较高的场合。

一种通过调整光纤环绕环胶的弹性模量，减少光纤陀螺热漂移误差的方法，包括以下步骤：

1)光纤陀螺sagnac效应的角速率误差表达式为：

其中，前两项表示的是热光效应即shupe效应所引起的误差，后三项表示的是弹光效应所引起的误差。

2)利用表1中的绕制和材料参数，在comsol中进行光纤环的几何建模和温度、应变分布的仿真计算，将光纤环绕环胶的弹性模量在1mpa到1gpa范围内分别取不同大小的值进行模拟仿真，得到光纤陀螺在使用不同弹性模量绕环胶时的温度误差曲线，如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，从而找出使得热漂移误差达到最小时相应的弹性模量。

表1光纤环的材料和绕制参数

一种通过调整光纤环绕环胶的弹性模量，减少光纤陀螺振动输出误差的方法，包括以下步骤：

1)如图3所示，1为空气层，2为铝盖，3为铝槽，4为光纤线圈，环境的振动通常是以正弦函数f＝asin(2πft)的形式表现出来，a和f为振动的幅值和频率。因为振动引起的光纤环内部应力和温度变化引起的热应力本质相同，同时考虑光纤形变带来的影响，sagnac效应的角速率误差表达式为：

在上式中，第一项表示光纤形变引起的误差，后三项表示弹光效应引起的误差。

2)利用表1中的绕制和材料参数，在comsol中进行光纤环的几何建模和应变分布的仿真计算，将光纤环绕环胶的弹性模量在1mpa到1gpa范围内分别取不同大小的值进行模拟仿真，得到光纤陀螺在使用不同弹性模量绕环胶时的振动误差曲线，如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，从而找出使得振动输出误差达到最小时相应的弹性模量。图5总结了多组光纤陀螺的振动误差与绕环胶弹性模量数据之间的关系。