光纤陀螺仪的制作方法

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺仪。

背景技术：

光纤陀螺仪是基于sagnac效应发展出来的一种角速率测量仪表，该光纤陀螺仪具有结构简单、耐冲击、动态范围大的技术优点，同时具有寿命长、可靠性高的使用效果，现已被广泛的应用在航空航天、机器人控制、石油煤炭开采等多个领域。

目前，市面上的光纤陀螺，其光路部分主要由5个器件组成，即光源、光纤耦合器、y波导集成光学调制器、光纤环和光电探测器。然而，由于y波导集成光学调制器相对比较昂贵，导致该光纤陀螺仪比较昂贵，无法进行民用化推广。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种光纤陀螺仪，通过采用差频测相原理来实现测量转动角，代替相对昂贵的y波导集成光学调制器，有利于该光纤陀螺仪的民用化推广。

本发明实施例提供一种光纤陀螺仪，包括：微控制器以及依次电性连接的锁相器、激光调制发射器、光纤环、混频接收器和滤波放大器，所述锁相器、所述激光调制发射器、所述混频接收器、所述滤波放大器均与所述微控制器电性连接，所述锁相器还电性连接所述混频接收器；

所述锁相器用于产生驱动时钟信号和本振时钟信号，还输出同步时钟到所述微控制器；

所述激光调制发射器用于根据所述驱动时钟信号调制发射激光并将得到的调制激光导入所述光纤环；

所述混频接收器用于接收所述调制激光并与所述本振时钟信号进行混频，以输出混频信号；

所述微控制器用于对经过所述滤波放大器处理后的混频信号进行采样并根据得到的采样信号计算相位差及所述光纤环的转动角。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，所述激光调制发射器包括驱动调制电路和激光二极管，所述驱动调制电路分别电性连接所述微控制器和所述锁相器，所述激光二极管电性连接所述驱动调制电路。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，还包括：led发光二极管，所述led发光二极管电性连接所述驱动调制电路，所述驱动调制电路用于根据所述驱动时钟信号调制led发射光，所述混频接收器还用于直接接收调制后的led发射光。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，所述混频接收器包括调理电路和外光电接收器，所述调理电路分别连接所述锁相器和所述外光电接收器，所述外光电接收器连接所述滤波放大器；

所述调理电路用于对所述本振时钟信号进行信号调理；

所述外光电接收器用于接收所述调制激光并与调理后的本振时钟信号进行混频。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，所述外光电接收器包括电压偏置电路和光电二极管，所述电压偏置电路分别电性连接所述微控制器和所述光电二极管，所述光电二极管电性连接所述滤波放大器。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，还包括：分光镜和内光电接收器，所述分光镜设于所述激光二极管和所述光纤环之间，所述内光电接收器分别电性连接所述调理电路和所述滤波放大器；

所述分光镜用于将所述调制激光分光成两路，一路导入所述光纤环，另一路由所述内光电接收器接收。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，还包括：温度传感器，所述温度传感器设置在距离所述光电二极管的预设位置处；

所述温度传感器用于检测所述光电二极管的温度以供所述微控制器对应调节所述光电二极管的偏置电压。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，所述激光二极管和所述光纤环之间设有聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述调制激光进行聚焦后导入所述光纤环中。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，所述锁相器为锁相环或数字式频率合成器。

在上述光纤陀螺仪中，可选地，还包括：显示器和/或输入面板，所述显示器和/或所述输入面板电性连接所述微控制器。

本发明的光纤陀螺仪通过锁相器产生用于调制激光的驱动时钟信号及本振信号，并利用经过光纤环传输的调制激光信号与本振信号进行混频以得到差频信号，从而利用差频测相原理来实现测量转动角目的，代替了相对昂贵的y波导集成光学调制器，可降低光纤陀螺仪的成本，有利于该光纤陀螺仪的民用化推广。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例的光纤陀螺仪的第一种结构示意图；

图2示出了本发明实施例的光纤陀螺仪的第二种结构示意图；

图3示出了本发明实施例的光纤陀螺仪的第三种结构示意图。

主要元件符号说明：

1、2、3-光纤陀螺仪；10-微控制器；11-锁相器；12-激光调制发射器；13-光纤环；14-混频接收器；15-滤波放大器；16-led发光二极管；17-分光镜；18-内光电接收器；121-驱动调制电路；122-激光二极管；131-聚焦透镜；141-调理电路；142-光电二极管；143-电压偏置电路。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参照图1，本实施例提出一种光纤陀螺仪1，可用于多种场合下的转动角或转动角速度的测量，如机器人控制、无人自动驾驶、无人机控制等等。下面对该光纤陀螺仪1的结构进行详细说明。

如图1所示，该光纤陀螺仪1主要由微控制器10、锁相器11、激光调制发射器12、光纤环13、混频接收器14和滤波放大器15等组件构成。示范性地，该微控制器10、锁相器11、激光调制发射器12、光纤环13、混频接收器14和滤波放大器15依次电性连接；锁相器11、激光调制发射器12、混频接收器14、滤波放大器15还分别与微控制器10电性连接，而该锁相器11还电性连接滤波放大器15。

本实施例中，该锁相器11主要用于产生驱动时钟信号和本振时钟信号。此外，锁相器11还输出同步时钟到微控制器10，以保证微控制器10的时钟同步。具体地，该锁相器11将产生相位稳定的两路频率大小不同的驱动时钟信号和本振动时钟信号，其中，该驱动时钟信号主要用于调制激光，而本振时钟信号作为基准信号，可用于与调制后的激光信号进行混频处理。示范性地，该锁相器11具体可采用锁相环pll或数字式频率合成器dds等实现，当然，也可以采用如cpld、fpga等可编程逻辑器件实现。

本实施例中，该激光调制发射器12用于根据由锁相器11输出的驱动时钟信号调制发射激光并将调制得到的调制激光导入光纤环13中。

示范性地，如图1所示，该激光调制发射器12包括驱动调制电路121和激光二极管122，该驱动调制电路121分别电性连接微控制器10和锁相器11，该激光二极管122电性连接驱动调制电路121。例如，该驱动调制电路121可通过如三极管等驱动电路及调制器构成。本实施例中，该驱动调制电路121用于驱动该激光二极管122发射出激光，并根据由锁相器11输出的驱动时钟信号调制该发射激光，从而得到调制激光。可以理解，该调制激光的振幅将随着驱动时钟信号电压而变化。

本实施例中，该光纤环13位于激光调制发射器12和混频接收器14之间，用于将激光调制发射器12导入的调制激光传输到混频接收器14，进而由混频接收器14进行光信号接收及混频处理。示范性地，如图1所示，可在激光二极管122和光纤环13之间设有聚焦透镜131，该聚焦透镜131用于将由激光调制发射器12输出的调制激光进行聚焦后导入光纤环13中。

可以理解，根据光在光纤内传输的原理可知，当光纤环13处于静止状态时，激光传输的距离是一个固定值，而当光纤环13处于转动状态时，激光会发生相位变化且传输的距离也相应变化。例如，当光纤环13的旋转方向与激光传输的方向一致时，相对于静止状态下的距离，该激光传输的距离会相应变大；而当光纤环13的旋转方向与激光传输的方向相反时，激光传输的距离会相应缩短。因此，本实施例的光纤陀螺仪1将基于差频测相的方式来测量光纤环13对应的转动角或转动角速度等。

本实施例中，该混频接收器14用于接收经光纤环13传输的调制激光并进行光电转换后得到对应的待混频信号。

示范性地，如图1所示，该混频接收器14包括调理电路141和外光电接收器，调理电路141分别连接锁相器11和外光电接收器，而该外光电接收器连接滤波放大器15。其中，该调理电路141用于对由锁相器11输出的本振时钟信号进行如滤波等信号调理。该外光电接收器则用于接收经光纤环13传输的调制激光，并将其与调理后的本振时钟信号进行混频，从而最终输出一混频信号，也为差频信号。

本实施例中，该外光电接收器包括光电二极管142和电压偏置电路143，该电压偏置电路143分别电性连接该微控制器10和光电二极管142，而该光电二极管142电性连接滤波放大器15。具体地，该电压偏置电路143用于为光电二极管142提供正常工作所需的偏置电压，例如，可采用信号放大器等。该光电二极管142用于接收从光纤环13传输出来的调制激光并与调理电路141输出的本振时钟信号进行混频，以得到一混频信号。本实施例中，该滤波放大器15用于将上述输出的混频信号进行低通滤波处理以得到一滤波后的混频信号。示范性地，该滤波放大器15主要包括低通滤波器和信号放大器组成。考虑到滤波后的差频信号比较微弱，可先对其进行信号放大处理后再送入微控制器10进行采样，这样可提高采样准确率等。

本实施例中，该微控制器10用于对采样得到的混频信号计算相位差，并根据所述相位差计算该光纤环13的转动角。例如，该微控制器10具体可采用如msc-51系列、stc系列、msp430系列或arm9/11系列等不同型号的微处理器芯片。

示范性地，微控制器10可通过adc采样来获取到该混频信号，进而根据该相位差来计算光纤环13的转动角或转动角速率。假设驱动时钟信号为本振时钟信号为而微控制器10采样到的混频信号为故根据混频原理可知，w1＝ws-wo，进而可计算得到相位差而对于转动角的计算，即根据光纤环13静止状态的相位差以及转动状态的相位差来计算得到。

例如，可采用如下算法：若光纤环13的环数为n，光纤环13的半径为r，所述主控信号的频率为f，其中，c为光速，当所述光纤环13静止时，计算得到对应的静止相位差为当所述光纤环13转动时，计算得到对应的转动相位差为在保证其他参数不变的前提下，所述转动角δθ的计算公式如下：

当然，还可以根据上述公式或其他算法计算出光纤环13的转动角和对应的转动角速度。其中，转动角速度即为单位时间内的转动角。

可以理解，当光纤环13静止时，调制激光传输的距离是固定的，对应有一相位差；而当光纤旋转时，调制激光的传输距离将发生变化，同样对应有一相位差，于是可利用这两个相位差来实现该光纤陀螺仪1的测角功能。优选地，在每次测角时可进行多次采样以提高测量精度，减小计算误差等。

进一步优选地，该光纤陀螺仪1还包括温度传感器，该温度传感器与微控制器10电性连接，其中，该温度传感器可设置在距离该光电二极管142的预设位置处。具体地，该温度传感器用于检测光电二极管142的温度，使得该微控制器10可以根据该温度对应调节光电二极管142的偏置电压，以达到温度补偿目的。可选地，还可根据该温度调节激光二极管122的输出等等。

可以理解，根据光电二极管142的温度特性可知，当温度高于一定值时，光电二极管142的输出特性均会受到影响，而通过实时检测温度情况，可以实现及时调整光电二极管142的偏置电压值，也可以及时调整该激光二极管122的输出，从而可减小因温度变化而产生的测量误差，提高光纤陀螺仪1的测量精度等。

进一步可选地，该光纤陀螺仪1还可包括用于显示测量结果及测量状态等的显示器，该显示器电性连接该微控制器10。示范性地，该显示器可包括显示驱动器和显示面板，而该显示面板可采用如lcd液晶显示屏等。

进一步可选地，该光纤陀螺仪1还可包括用于接收用户输入指令的输入面板，其中，该输入面板电性连接该微控制器10。示范性地，该输入面板可为输入按键、旋转按钮、触摸屏等等。

本实施例的光纤陀螺仪利用差频测相的原理可实现测角或角速率的测量等，通过用成本较低的电路组成来代替相对昂贵的y波导集成光学调制器，从而大大降低了该光纤陀螺仪的生产成本，这样有利于该光纤陀螺仪的民用化推广等。

实施例2

请参照图2，本实施例还提出一种光纤陀螺仪2，与上述实施例1不同之处仅在于，该光纤陀螺仪2还包括led发光二极管16，其中，该led发光二极管16电性连接驱动调制电路121，该驱动调制电路121同样根据由锁相器11输出的驱动时钟信号调制led发射光。

本实施例中，该混频接收器14还用于直接接收调制后的led发射光，以形成一内光路。可以理解，由光纤环13传输的调制激光可形成一外光路。通过结合该内光路的测量结果可进一步提高该光纤陀螺仪2的转动角测量精度。由于该内光路没有经过光纤环13传输，即直接将调制信号与本振信号进行混频后，可进一步计算出与经过光纤环13传输得到的混频信号存在的误差等，进而提高该光纤陀螺仪2的整体测量精度等。

上述的光纤陀螺仪2的结构与上述实施例1中的光纤陀螺仪的结构相同，而上述实施例1中的光纤陀螺仪的可选项同样适用于本实施例，故在此不再详述。

实施例3

请参照图3，本实施例还提出一种光纤陀螺仪3，与上述实施例1不同之处仅在于，该光纤陀螺仪3还包括分光镜17和内光电接收器18，其中，该分光镜17设于激光二极管122和光纤环13之间，而该内光电接收器18则电性连接滤波放大器15。示范性地，该内光电路接收器可采用与上述实施例1中的外光电路接收器相同的光电接收结构，故在此不再详述。

本实施例中，该分光镜17用于将激光调制发射器12输出的调制激光分光成两路，其中一路导入光纤环13，另一路由该内光电接收器18接收。可以理解，该分光镜17和内光电接收器18将同样用于形成一内光路，其原理与上述实施例2类似，即通过结合该内光路的测量结果同样可进一步提高该光纤陀螺仪3的转动角测量精度。

上述的光纤陀螺仪3的结构与上述实施例1中的光纤陀螺仪的结构相同，而上述实施例1中的光纤陀螺仪的可选项同样适用于本实施例，故在此不再详述。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。