為了改進(jìn)干涉式光纖陀螺的測量精度和溫度性能,建立了該儀器輸出偏置的解析模型。通過把光纖雙折射這一從未被考察過的相位微擾與其它已知誤差源進(jìn)行線性疊加,該模型首次顯式地把陀螺性能直接與光纖的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和幾何參數(shù)聯(lián)系起來。利用該模型對常用于10^-3 deg/h精度量級光纖陀螺的64層四極對稱環(huán)圈進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,保偏光纖所固有的高雙折射及其溫度漲落對陀螺輸出偏置及其熱漂移的影響分別在10^-3 deg/h和10^-2 deg/h量級,而過去研究較多的單模光纖中的舒普效應(yīng)和熱致光彈效應(yīng)的影響分別在10^-4 deg/h和10^-3 deg/h量級。該模型表明保偏光纖所固有的高應(yīng)力雙折射是干涉式光纖陀螺的主要誤差源,同時較為完備地描述了光纖陀螺中源于光纖性能的誤差,也解釋了該誤差對光纖雙折射的非線性依賴。 

【文章來源】：中國光學(xué). 2020,13(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

光纖環(huán)圈的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

由于光纖本身是由玻璃和聚合物構(gòu)成的一個復(fù)合系統(tǒng)(以熊貓型保偏光纖為例,其橫截面如圖2所示,各組分名稱及其對應(yīng)的符號角標(biāo)在表2中列出),為計(jì)算方程(14)所需的光纖陀螺傳感環(huán)圈的各項(xiàng)熱參數(shù),需要在光纖組分的力學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,按照常用的3種類型光纖(如表3所示)的幾何參數(shù)對各組分進(jìn)行權(quán)重平均,進(jìn)而計(jì)算光纖環(huán)圈各項(xiàng)參數(shù)的有效值。表2 光纖橫截面中各區(qū)域的組分及符號角標(biāo)Tab.2 Compositions and symbol subscripts in each area of the fiber cross section 區(qū)域 纖芯 包層 應(yīng)力區(qū) 內(nèi)涂層 外涂層 組分 0.9SiO20.1GeO2 SiO2 0.85SiO20.15B2O3 聚氨酯丙烯酸酯 環(huán)氧丙烯酸酯 角標(biāo) 0 1 2 3 4

圖3是采用3種常用類型保偏光纖(幾何參數(shù)如表3所示,物理參數(shù)如表4所示)和固定環(huán)圈設(shè)計(jì)(參數(shù)見表6)時,陀螺漂移隨環(huán)圈熱脹系數(shù)(取值見表5)的變化結(jié)果。圖3(a)是實(shí)際計(jì)算結(jié)果,表明3種光纖環(huán)圈的熱脹系數(shù)差異所引起的陀螺熱漂移都在10-4deg/h量級,而且相互差異極小(在該圖中3條曲線基本重合,甚至不可區(qū)分)。為便于比較進(jìn)行了虛擬處理,圖3(b)是虛擬處理后的結(jié)果:在保持a1不變的條件下,把a(bǔ)2放大了10倍同時把a(bǔ)3減小了10倍。圖3表明100倍的熱脹系數(shù)差異(從10-6/K到10-8/K)所導(dǎo)致的陀螺漂移差異仍在原來的10-4deg/h量級。在處理后的圖中可以看到變化趨勢:熱漂移隨光纖熱脹系數(shù)的增大而增大。這一點(diǎn)在物理上也是易于理解的,因?yàn)闊崦浵禂?shù)直接增大了纖芯折射率,更大的熱脹系數(shù)對應(yīng)著更大的折射率增量,這正是舒普效應(yīng)的結(jié)果。圖4是采用這3種光纖和同一環(huán)圈設(shè)計(jì)時的環(huán)圈比熱的影響。其效應(yīng)的量級與熱膨脹相同,數(shù)值也接近。但是趨勢與熱脹系數(shù)相反:更大的比熱產(chǎn)生了更低的漂移。這一結(jié)果可以理解為更大的比熱導(dǎo)致相同的溫度變化需要更多的熱量,在熱源恒定的條件下(這正是一般的應(yīng)用環(huán)境),大比熱環(huán)圈產(chǎn)生更低的陀螺漂移。


本文編號：3471856