【摘要】：光纖陀螺因其具有精度范圍廣、無運(yùn)動部件、體積小、質(zhì)量輕、壽命長等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海及兵器等重要領(lǐng)域。隨著光纖陀螺工程化技術(shù)的提高,特別是高精度光纖陀螺的不斷發(fā)展,溫度成為影響光纖陀螺精度的主要問題之一。由于構(gòu)成光纖陀螺的主要器件對溫度較為敏感,所以在變化的溫度作用下導(dǎo)致的標(biāo)度因數(shù)誤差直接影響光纖陀螺的精度。本文針對現(xiàn)有光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差模型只從整體考慮,沒有分別對光纖陀螺內(nèi)部器件溫度特性分析的問題,以干涉式光纖陀螺為研究對象,研究了其工作原理和主要性能指標(biāo)。通過分析光纖陀螺中各個器件的溫度特性,發(fā)現(xiàn)光纖陀螺中影響標(biāo)度因數(shù)的主要器件有光源、光纖環(huán)、晶振。然后分析標(biāo)度因數(shù)的誤差來源及產(chǎn)生機(jī)理,得到造成光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差的主要因素,重點(diǎn)分析光纖陀螺在工作范圍內(nèi)光源的平均波長、繞制光纖環(huán)的光纖粗細(xì)、晶振的頻率在不同溫度點(diǎn)對標(biāo)度因數(shù)的影響。主要研究內(nèi)容如下:首先,基于ANSYS有限元仿真和傳熱學(xué)原理,建立由不同粗細(xì)的光纖繞制的光纖環(huán)傳熱模型,并結(jié)合不同尺寸的光纖環(huán)以及對光纖環(huán)局部施加溫度激勵的情況,探究光纖環(huán)在全溫范圍內(nèi)受溫度影響后造成的標(biāo)度因數(shù)誤差模型。研究表明,較細(xì)光纖和涂覆層較薄的光纖能夠提高標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性,并且標(biāo)度因數(shù)變化量與各個面的溫度呈線性關(guān)系。另外,針對目前全溫范圍內(nèi)晶振頻率對標(biāo)度因數(shù)誤差的影響模型不確定的問題,通過分析數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的基本原理,結(jié)合溫度對晶振頻率的影響以及角增量測試標(biāo)度因數(shù)的方法,建立了晶振頻率與溫度和標(biāo)度因數(shù)與晶振頻率的函數(shù)模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。為提高標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性,選取另外一款溫補(bǔ)晶振與普通晶振做對比實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),溫補(bǔ)晶振具有更好的溫度穩(wěn)定性,可以減小晶振頻率帶來的標(biāo)度因數(shù)誤差,提高標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。其次,基于光源性能的評價指標(biāo)和光源對標(biāo)度因數(shù)影響的理論分析,結(jié)合光源平均波長對標(biāo)度因數(shù)的影響模型,發(fā)現(xiàn)閉環(huán)光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)誤差正比于光源平均波長的相對變化量,光源中平均波長是影響標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性的主要因素。對比測試了全溫范圍內(nèi)SLD光源和摻鉺光纖光源平均波長以及光功率的變化,并計算出兩種光源的平均波長在全溫范圍內(nèi)帶來的標(biāo)度因數(shù)誤差。得出SLD光源適合應(yīng)用在中低精度光纖陀螺中,而摻鉺光纖光源適合應(yīng)用在高精度光纖陀螺中的結(jié)論。最后,通過搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境測試了光纖陀螺在全溫范圍內(nèi)的標(biāo)度因數(shù)變化量,驗(yàn)證了由光纖環(huán)、晶振、光源引起的標(biāo)度因數(shù)誤差模型的正確性。并建立了標(biāo)度因數(shù)溫度誤差的補(bǔ)償模型,通過將建立的補(bǔ)償模型重新寫入到同一個光纖陀螺系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)測,驗(yàn)證了該模型的正確性和有效性。
【圖文】：

究現(xiàn)狀Shupe 發(fā)現(xiàn)光纖環(huán)溫度在時域的變化會使光纖陀螺產(chǎn)生漂移陀螺測量產(chǎn)生巨大的影響，并推導(dǎo)出了由于溫度對光纖環(huán)的影射率的關(guān)系[18]。1981 年，，世界第一只高靈敏度、高精度的閉敏度為 0.1°/h，是由 Davis 和 Ezekiel 共同研制成功的[20]。法 Bettini 等人在同一時期利用 Y 波導(dǎo)研制出了標(biāo)度因數(shù)誤差小度數(shù)字閉環(huán)電路[21]。Chao-Xiang Shj 和 H.Kajioka 提出了一種如圖 1.1 所示的改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)是能夠利用全部的光功率，缺點(diǎn)是該光纖陀螺的輸出所需的要求比較高[22]。光源中對標(biāo)度因數(shù)影響較大的因素是光波程度上依賴于光源平均波長的穩(wěn)定性。1997 年，J.Patrick 等人對光源中心波長要求的，并且使得摻鉺光纖光源的溫度穩(wěn)定性法利用的是長周期光柵[23]。2003 年，E.Dzhashitov 發(fā)現(xiàn)影響標(biāo)相移隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨光源平均波長的增大而減小因數(shù)的穩(wěn)定性[24]。

圖 1.2 溫度傳感器和 FPGA 的連接圖1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀哈爾濱工程大學(xué)的李緒友教授采用“四態(tài)方波調(diào)制”技術(shù)對 Y 波導(dǎo)的相位漂移以及光纖陀螺的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析，如圖 1.3 所示。能夠?qū)崟r補(bǔ)償相位調(diào)制器的相位漂移，提高標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。但是從仿真數(shù)據(jù)來看，光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)隨著溫度升高有減小的趨勢，如果對此現(xiàn)象深究，將進(jìn)一步提高標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性[33-36]。張勇剛等人建立了數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的物理模型和基于四態(tài)方波調(diào)制的第二閉環(huán)反饋模型，如圖 1.4所示，并利用 Labview 仿真分析證實(shí)了第二閉環(huán)反饋補(bǔ)償光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的效果[37]。b jb s I I'ckfk圖 1.3 帶第二反饋回路的閉環(huán)控制圖程建華等人研究了光纖陀螺的溫控系統(tǒng)并取得了較好的研究成果[38,39]。除此之外，北京航空航天大學(xué)的金靖等人通過分析引起數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)溫度誤差的原
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH824.3

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本文編號：2624968