【摘要】：光纖陀螺是第三代慣性測量組合的核心部件,是一種基于Sagnac效應(yīng)的角速度傳感器。因其具有全固態(tài)、高動態(tài)、低成本、質(zhì)量輕,長壽命、動態(tài)范圍大等諸多優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于船舶、潛艇等各種船用載體上。經(jīng)過多年的發(fā)展,我國光纖陀螺技術(shù)的已日趨成熟,特別是光纖環(huán)繞制等關(guān)鍵技術(shù)的突破,使高精度光纖陀螺進一步發(fā)展成為可能。為滿足船用光纖陀螺導(dǎo)航設(shè)備高精度、長航時的需求,往往會選擇大直徑、長距離的光纖環(huán),隨著光纖長度的增加,光纖環(huán)繞制難度不斷提升,其對溫度和應(yīng)力等環(huán)境物理場的敏感程度也會顯著增加。因此,針對復(fù)雜物理場情況下的環(huán)境適應(yīng)性研究是船用光纖陀螺工程應(yīng)用研究的重要組成部分。在此背景下,本文深入研究光纖陀螺溫度-應(yīng)力交聯(lián)耦合效應(yīng)對光纖傳輸特性的影響,建立考慮溫度場、應(yīng)力場等因素條件下的光纖陀螺漂移誤差模型,揭示陀螺漂移與物理場及光纖環(huán)各參數(shù)之間的關(guān)系,尋找抑制漂移誤差的手段,具體研究工作主要包括以下幾個方面:首先,分析溫度場和應(yīng)力場對光纖折射率和長度的影響,以此為依據(jù)推導(dǎo)光纖環(huán)非互易性相位差的表達式。進一步在非互易性相位差表達式和Sagnac效應(yīng)的基礎(chǔ)上,將光纖環(huán)等效半徑、光纖長度變化、尾纖不對稱和跨層躍遷等以往分析中忽略的因素添加到誤差模型中,分別定義光纖環(huán)權(quán)重矩陣和四個物理場矩陣,然后根據(jù)矩陣空間的內(nèi)積定理,將原有累加求和形式的陀螺漂移誤差推導(dǎo)成為四對矩陣內(nèi)積的形式,不僅使誤差模型更加簡明易懂,還可提高運算效率。最后,推導(dǎo)標準四極對稱光纖環(huán)權(quán)重矩陣的計算公式,完成溫度場、應(yīng)力場和多因素條件下內(nèi)積形式的光纖陀螺漂移誤差模型的建立。其次,通過對光纖陀螺有限元模型的仿真分析,確定光纖環(huán)的邊界條件,并以此建立包含光纖芯層、涂覆層、固膠、墊紙等多種材料的光纖環(huán)三維物理模型,詳細分析耦合作用下光纖環(huán)內(nèi)部溫度和應(yīng)力分布(X方向應(yīng)力、Y方向應(yīng)力、Z方向應(yīng)力)情況,結(jié)合光纖陀螺漂移誤差模型,完成溫度場與應(yīng)力場耦合作用下陀螺漂移誤差的計算,分析光纖環(huán)內(nèi)物理場分布的對稱性對于抑制陀螺漂移誤差的重要性。最后,使用應(yīng)力分析儀和高低溫溫箱,分別對定溫情況下光纖環(huán)內(nèi)部應(yīng)力分布和變溫環(huán)境下的陀螺輸出進行測量,驗證本文提出的基于溫度場、應(yīng)力場和多誤差因素的陀螺漂移誤差模型和考慮多種材料參數(shù)的光纖環(huán)物理模型的正確性。進一步,基于本文提出的光纖陀螺漂移誤差模型與光纖環(huán)物理模型,定量分析光纖環(huán)層數(shù)、匝數(shù)、內(nèi)徑、截面比等尺寸參數(shù),光纖直徑和涂覆層材料,固膠材料與均勻性等參數(shù)對陀螺漂移誤差的影響情況,為光纖環(huán)尺寸參數(shù)設(shè)計、光纖和固膠材料選取提供指導(dǎo)原則,有助于進一步改善光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性,提高陀螺精度。最后,針對標準四極對稱繞法光纖環(huán)存在的缺陷,從降低光纖環(huán)物理場變化率和提高光纖環(huán)繞制質(zhì)量兩個方面出發(fā),使用增加緩沖層、逐層躍遷和消除對墊紙依賴等方法,提出一種改進的四極對稱繞法。并建立改進四極對稱繞法光纖環(huán)的數(shù)學(xué)模型和物理模型,完成光纖環(huán)內(nèi)部物理場分布的數(shù)值計算,通過仿真證明改進光纖環(huán)與標準光纖環(huán)相比,有利于減小陀螺漂移誤差,提高環(huán)境適應(yīng)性。最后通過實驗驗證改進四極對稱繞法光纖環(huán)對于抑制陀螺漂移誤差的良好效果。
【圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文光纖陀螺導(dǎo)航設(shè)備因其具有高精度、長航時的使用要求，故一般選擇光纖環(huán)，而隨著光纖長度的增加，光纖環(huán)繞制難度會不斷提升，其對程度也會顯著增加，所以為了在長時間內(nèi)保持光纖陀螺的使用精度，環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求，，所以研究光纖陀螺在復(fù)雜物理場環(huán)境提高船用光纖陀螺在長航時情況下的精度具有重要的意義。上述，溫度、應(yīng)力和多種物理環(huán)境均會對船用光纖陀螺的性能產(chǎn)生巨注與深入研究溫度、應(yīng)力等多種物理場對于船用光纖陀螺工作過程的索多種物理場同時作用時的耦合特性，將有助于船用光纖陀螺工作精充分發(fā)揮。纖陀螺工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀纖陀螺的工作原理

第 1 章 緒論角速度的核心敏感元件用于產(chǎn)生 效應(yīng)中的光相位后光強信號，為 Y 波導(dǎo)提供電壓調(diào)制信號，并對外輸示，從光源發(fā)出的光波經(jīng)過耦合器和 Y 波導(dǎo)分為兩束纖環(huán)的順時針傳播，另外一束沿逆時針傳播，最終兩束的光波在 Y 波導(dǎo)中匯合發(fā)生干涉，干涉信號的強度隨測器檢測干涉信號的強度變化，可以獲得輸入的角速度螺角運動與光路中相位差之間的表達式，首先分析理想一個理想真空環(huán)境中的環(huán)形干涉儀，其半徑為R ，如Sagnac
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U666.12;TN253

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