光纤环内部温度场的分析和补偿

刘 颖, 徐金涛, 王敏娟

(1.西安邮电大学 自动化学院,陕西 西安 710121;2.中国科学院西安光学精密机械研究所 光纤惯性测量与传感工程中心,陕西 西安 710119)

光纤环内部温度场的分析和补偿

刘 颖1, 徐金涛2, 王敏娟1

(1.西安邮电大学 自动化学院,陕西 西安 710121;2.中国科学院西安光学精密机械研究所 光纤惯性测量与传感工程中心,陕西 西安 710119)

根据光纤陀螺在实际应用环境中温度的干扰,分析了光纤陀螺的内部热源,建立光纤环随温度变化的数学模型,设计和完成了光纤环在全温范围(-40℃～+60℃)的温度实验,分析光纤环的内外温差,确定补偿模型的系数,并对光纤陀螺在全温范围内的测试输出进行补偿。经验证,通过热设计和温度补偿有机结合的方式,光纤陀螺的零偏稳定性可以提高一倍,可以保证光纤陀螺长时间的稳定性和精度。

光纤陀螺；光纤环；补偿； 零偏稳定性

光纤陀螺是一种全固态角速率传感器,以其自身的独特优势,在惯性技术领域得到了广泛的应用[1-2]。而光纤陀螺在工作温度范围(-40℃～+60℃)的温度漂移严重制约了光纤陀螺的发展[3]。

光纤环是由多匝光纤在骨架上按特定的方式绕制而成,是光纤陀螺的核心器件,其稳定性和抗干扰能力直接影响光纤陀螺的性能,制约着光纤陀螺向高精度、高可靠性应用领域的发展[4]。光纤环对温度十分敏感,是决定光纤陀螺的温度性能的关键因素[5-7]。在光纤陀螺的研制过程中,光纤环在全温范围内的性能研究是一个重要环节。

对光纤环的温度场进行的研究较多,文献[8]分析了不同热辐射方式、不同绕线环境下光纤环的温度特性；文献[9]用仿真和实验的方法分析了光纤环由温度变化带来的温度漂移；文献[10]利用温度瞬态响应模型分析了三维坐标下温度梯度造成的热致非互易效应。这些文献仅对光纤环的温度场进行了分析,并没有研究针对光纤环温度场的补偿方案。文献[11]采用分类拟合方法确定模型阶次,辨识模型参数，基于温度速率实验,提出迭代补偿算法。算法较复杂,适用性较差,不利于工程应用[12]。

本文通过分析温度对光纤环的影响以及光纤陀螺产生温度漂移的主要原因,建立光纤环的温度模型类型,通过实验确定光纤环的温度函数,并设计了温度补偿方案。最后,通过对光纤陀螺在全温范围内的时间来验证补偿的。

1 温度对光纤环的影响

温度对光纤环的影响主要来自于两个方面,一方面是光纤陀螺内部热源散热,另一方面是环境温度的变化对光纤陀螺的影响。从系统结构组成上看,光源和信号板上功率大的电子元器件是光纤陀螺主要的内部热源。光纤环对周围环境温度的变化非常敏感,当发生变化时,光源和电子元器件的功耗会超出常温下的功耗,这些内部热源与环境温度均会对光纤环产生作用,从而直接影响光纤陀螺的零偏稳定性[8]。

光纤环内两束干涉光分别以顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向传输通过长度为L、折射率为n,温度变化产生的热致非互易相位误差,也称为Shupe效应[12, 13]

(1)

光纤环引入的热导致光路非互异性,是引起光纤陀螺零偏漂移、标度因数不稳定的主要原因之一[14-16]。因此,对于环境温度变化剧烈,高精度高可靠性惯性导航领域,为了进一步减小该误差,采用建模的方法对陀螺温度模型进行辨识、补偿,可以得到更好的精度,得到理想的效果。

2 建立温度模型

光纤环受温度影响产生附加相位差,除了与绝对温度有关外,还受温度梯度的影响。

假设其它元器件是理想的,这里只考虑光纤环受温度影响产生的附加相位差对光纤陀螺的影响。此时,光纤陀螺输出的相位差可以表示为

φ=φs+φT+φΔT,

(2)

式中φT为光纤环绝对温度值产生的附加相位差,φΔT为光纤环的温度梯度产生的附加相位差。

采用多项式模型来表示光纤环受温度影响产生的附加相位差

φT=a1T+a2T2，

(3)

φΔT=b1(ΔT)+b2(ΔT)2,

(4)

式中T为光纤环的绝对温度,取T=(T1+T2)/2,ΔT为光纤环的温度梯度T=T1-T2,a1、a2,b1和b2为拟合系数。

将式(3)和式(4)代入式(2)可得

φ=φs+a1T+a2T2+b1(ΔT)+b2(ΔT)2,

(5)

将式(5)变换可得

(6)

求解线性方程组即可得到拟合系数a1、a2,b1和b2。

在实际的使用中,每个光纤环通过高低温环境试验,得到的a1、a2,b1和b2是不同的,这与光纤环缠绕的紧密程度,光纤环采用的固化方式(灌胶或涂胶),选用固化胶的特性以及光纤环缠绕的质量等有关。

3 光纤环的温度实验

取两个温度传感器,一个安装到靠近光纤环内侧的骨架上,另一个安装到光纤环的外侧,只将光纤环放到高低温箱内,当箱内温度发生变化,未达到温度平衡时光纤环不仅会受到温度对其产生的附加调制还会受到内外两侧的温度梯度对其产生的附加调制,从而影响到光纤陀螺输出。

将光纤陀螺在室温下放置1h,然后将光纤环和光纤陀螺的内部热源放入高低温箱内,其它对温度敏感的元器件在高低温箱的外面,室温为20℃。先使高低温箱的温度以2℃/min的速度降到-40℃,保温30min,然后以2℃/min的速度升温到60℃,保温30min,再以2℃/min的速度降到室温20℃。高低温箱和光纤环的内外侧温度随时间的变化情况如图1所示,光纤环内侧与外侧的温差如图2所示。

图1 温度变化曲线

图2 内外温差

实验过程中,两个传感器是每1s采一个点。为了方便观察光纤陀螺受光纤环温度变化的趋势,这里采用10s累加的方式进行测试输出,光纤陀螺的输出数据如图3中散乱点所示。从图中散乱点可以看出,光纤陀螺的输出信号中存在误差信号,该误差主要是由光纤环受温度影响产生的附加效应产生的,其变化趋势与光纤环的温度和温度梯度变化趋势相似。可以按建立的模型对光纤陀螺输出信号进行补偿。

图3 补偿前后的陀螺输出

根据式(6)拟合出系数,a1=0.041 37,a2=-0.000 16,b1=-0.023 15,b2=0.001 28。

由于光纤环温度变化使光纤环产生附加调制,从而导致光纤陀螺的零偏发生变化,建立了光纤陀螺输出与光纤环温度之间的数学模型,将拟合系数写入检测电路的FPGA,实时采集温度传感器的温度,补偿光纤环在整个温度区间对光纤陀螺输出引起的漂移,采用了FPGA与DSP相结合的数字信号处理与输出,其系统结构如图4所示。补偿后光纤陀螺的实验数据如图3中的线图所示,补偿前光纤陀螺的零偏稳定性为0.08°/h,补偿后光纤陀螺的零偏稳定性为0.03°/h。补偿后光纤陀螺的温度性能有了明显提高,与光纤陀螺恒温时精度指标相当,补偿方法有效。

图4 光纤陀螺信号处理的系统结构

4 结束语

分析了光纤陀螺光纤环受内部热源和外部温度场的影响,设计了光纤环的温度实验,建立了光纤环随温度变化引入的附加相位差的数学模型；研究了光纤环的温度场对光纤陀螺零位漂移影响。最后,设计了基于光纤环温度场的温度补偿方案。实验验证,通过补偿,可以使光纤陀螺的零偏稳定性从0.08°/h变为0.03°/h。

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[责任编辑：祝剑]

Analysis and compensation of the temperature field inside fiber optic coil

LIU Ying1, XU Jintao2, WANG Minjuan1

(1. School of Automation, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China; 2. Center of Fiber Optic Inertial Measure and Sensor Engineering, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, Xi’an 710119, China)

In this paper, an analysis of the internal heat source of fiber optic coil is carried out according to the temperature interference in the practical application and a mathematical model of the fiber coil with changeable temperature is built. Temperature experiments of the fiber optic coil within range from -40℃ to +60℃ are designed and completed, and the difference of the temperature between inside and outside the fiber coil is analyzed to determine the factor of the compensation model. The output of fiber optic gyroscope is compensated over the full temperature range. Experiments show that the bias stability can be doubled through the organic combination of the thermal design and the temperature compensation, and the long-term stability and accuracy can be ensured.

fiber optic gyro, fiber coil, compensation, bias stability

2015-02-08

陕西省教育厅专项科硕计划资助项目(2013JK0993,2013JK1073)

刘颖(1979-),女,博士,讲师,从事光纤传感、优化设计研究。E-mail: ly676@163.com 徐金涛(1979-),男,硕士,工程师,从事光纤传感、惯性测量研究。E-mail: xujintao@opt.ac.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.05.015

TH745

A

2095-6533(2015)05-0076-04