高精度干涉式光纤陀螺热漂移分析

发布时间：2021-11-02 10:19

　　为了改进干涉式光纤陀螺的测量精度和温度性能,建立了该仪器输出偏置的解析模型。通过把光纤双折射这一从未被考察过的相位微扰与其它已知误差源进行线性叠加,该模型首次显式地把陀螺性能直接与光纤的力学、光学、热学和几何参数联系起来。利用该模型对常用于10^-3 deg/h精度量级光纤陀螺的64层四极对称环圈进行计算,结果表明,保偏光纤所固有的高双折射及其温度涨落对陀螺输出偏置及其热漂移的影响分别在10^-3 deg/h和10^-2 deg/h量级,而过去研究较多的单模光纤中的舒普效应和热致光弹效应的影响分别在10^-4 deg/h和10^-3 deg/h量级。该模型表明保偏光纤所固有的高应力双折射是干涉式光纤陀螺的主要误差源,同时较为完备地描述了光纤陀螺中源于光纤性能的误差,也解释了该误差对光纤双折射的非线性依赖。 

【文章来源】：中国光学. 2020,13(02)北大核心EICSCD

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【部分图文】：

光纤环圈的结构和参数

由于光纤本身是由玻璃和聚合物构成的一个复合系统(以熊猫型保偏光纤为例,其横截面如图2所示,各组分名称及其对应的符号角标在表2中列出),为计算方程(14)所需的光纤陀螺传感环圈的各项热参数,需要在光纤组分的力学参数和热学参数的基础上,按照常用的3种类型光纤(如表3所示)的几何参数对各组分进行权重平均,进而计算光纤环圈各项参数的有效值。表2 光纤横截面中各区域的组分及符号角标Tab.2 Compositions and symbol subscripts in each area of the fiber cross section 区域 纤芯 包层 应力区 内涂层 外涂层 组分 0.9SiO20.1GeO2 SiO2 0.85SiO20.15B2O3 聚氨酯丙烯酸酯 环氧丙烯酸酯 角标 0 1 2 3 4

图3是采用3种常用类型保偏光纤(几何参数如表3所示,物理参数如表4所示)和固定环圈设计(参数见表6)时,陀螺漂移随环圈热胀系数(取值见表5)的变化结果。图3(a)是实际计算结果,表明3种光纤环圈的热胀系数差异所引起的陀螺热漂移都在10-4deg/h量级,而且相互差异极小(在该图中3条曲线基本重合,甚至不可区分)。为便于比较进行了虚拟处理,图3(b)是虚拟处理后的结果:在保持a1不变的条件下,把a2放大了10倍同时把a3减小了10倍。图3表明100倍的热胀系数差异(从10-6/K到10-8/K)所导致的陀螺漂移差异仍在原来的10-4deg/h量级。在处理后的图中可以看到变化趋势:热漂移随光纤热胀系数的增大而增大。这一点在物理上也是易于理解的,因为热胀系数直接增大了纤芯折射率,更大的热胀系数对应着更大的折射率增量,这正是舒普效应的结果。图4是采用这3种光纤和同一环圈设计时的环圈比热的影响。其效应的量级与热膨胀相同,数值也接近。但是趋势与热胀系数相反:更大的比热产生了更低的漂移。这一结果可以理解为更大的比热导致相同的温度变化需要更多的热量,在热源恒定的条件下(这正是一般的应用环境),大比热环圈产生更低的陀螺漂移。


本文编号：3471856