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高精度干涉式光纤陀螺热漂移分析

刘军号 李瑞辰

刘军号, 李瑞辰. 高精度干涉式光纤陀螺热漂移分析[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 333-343. doi: 10.3788/CO.20201302.0333
引用本文: 刘军号, 李瑞辰. 高精度干涉式光纤陀螺热漂移分析[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 333-343. doi: 10.3788/CO.20201302.0333
LIU Jun-hao, LI Rui-chen. Analysis of thermal drift in high performance interferometric fiber-optic gyroscopes[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 333-343. doi: 10.3788/CO.20201302.0333
Citation: LIU Jun-hao, LI Rui-chen. Analysis of thermal drift in high performance interferometric fiber-optic gyroscopes[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 333-343. doi: 10.3788/CO.20201302.0333

高精度干涉式光纤陀螺热漂移分析

doi: 10.3788/CO.20201302.0333
基金项目: 装备发展部资助项目
详细信息
    作者简介:

    刘军号(1980—), 男, 陕西武功人, 学士, 工程师, 主要从事无源特种光纤相关研究。研究范围包括光纤制造工艺、光纤双折射与偏振光学、光纤测试与刻画, 光纤传感技术和光纤机械可靠性评估等, 近期研究的主要方向是光纤陀螺。E-mail:deishi5204@163.com

    李瑞辰(1976—),男,天津人,硕士,高级工程师,主要从事光纤制造及光纤无源器件的研究。E-mail: dfel@163.com

  • 中图分类号: TN253;V241.5+58

Analysis of thermal drift in high performance interferometric fiber-optic gyroscopes

Funds: Supported by Ministry of Equipment Development
More Information
  • 摘要: 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。
  • 图  1  光纤环圈的结构和参数

    Figure  1.  Structure and parameters of fiber coil

    图  2  环圈光纤的结构和参数

    Figure  2.  Structure and parameters of coiled fiber

    图  3  环圈热膨胀对光纤陀螺热漂移的影响

    Figure  3.  Effects of thermal expansion in fiber coils on thermal drifts in FOGs

    图  4  环圈比热对光纤陀螺热漂移的影响

    Figure  4.  Effect of specific heat in fiber coils on thermal drifts in FOGs

    图  5  环圈密度对光纤陀螺热漂移的影响

    Figure  5.  Effect of density in fiber coils on thermal drifts in FOGs

    图  6  环圈热导率对光纤陀螺热漂移的影响

    Figure  6.  Effect of thermal conductivity in fiber coils on thermal drifts in FOGs

    图  7  环圈光纤类型对光纤陀螺热漂移的影响

    Figure  7.  Effect of type of fiber coils on thermal drifts in FOGs

    图  8  光纤双折射对光纤陀螺热漂移的影响

    Figure  8.  Effect of fiber birefringence on thermal drift in FOGs

    图  9  双折射热系数对光纤陀螺热漂移的影响

    Figure  9.  Effect of thermal coefficient of birefringence on thermal drift in FOGs

    表  1  本文计算所用的光纤及环圈的参数符号及其单位

    Table  1.   Symbols and units of parameters in fibers and coils used in this calculation

    序号 参数 单位 符号 备注
    1 自由空间光波长 nm λ 光学参数
    2 纤芯折射率 1 n
    3 双折射拍长 mm Λ
    4 密度 kg/m3 ρ 力学参数
    5 泊松比 1 v
    6 杨氏模量 Pa E
    7 光纤包层直径 μm r 几何参数
    8 光纤涂覆外径 μm d0
    9 光纤长度 m L
    10 环圈直径 mm D
    11 环圈厚度 mm d0
    12 环圈高度 mm h
    13 环圈总层数 1 NL
    14 环圈单层匝数 1 NN
    15 比热 W/kg·K C 热学参数
    16 热导率 W/m·K b
    17 热胀系数 /K α
    18 辐射热阻 K/W R
    19 传导热阻 K/W R′
    20 产生双折射的温度差 K Td
    21 纤芯折射率热系数 /K dn/dT
    22 双折射热系数 /K H
    23 热源功率 W P
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    表  2  光纤横截面中各区域的组分及符号角标

    Table  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 0.9SiO2 SiO2 0.85SiO2 聚氨酯丙烯酸酯 环氧丙烯酸酯
    0.1GeO2 0.15B2O3
    角标 0 1 2 3 4
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    表  3  光纤陀螺所用3种类型保偏光纤的几何参数

    Table  3.   Geometric parameters of PMFs in FOGs

    参数/μm 普通保偏 细径保偏 薄涂层细径保偏
    包层直径 125 80 80
    应力区直径 25 20 20
    内涂层直径 180 120 100
    外涂层直径 250 170 130
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    表  4  光纤组分的材料参数值

    Table  4.   Values of material parameters of fiber components

    参数(单位) 纤芯及包层 应力区 内涂层 外涂层
    密度/kg·m-3 2 200 2 100 1 000±100 1 300±200
    泊松比 0.17 0.188 0.499 47 0.452
    杨氏模量/Pa 7.2×1010 6.2×1010 (3±1)×106 1.3×1010
    比热/W·kg-1·K-1 740 740 1 600±200 1 600±200
    热导率/W·m-1·K-1 1.38 1.38 0.24±0.05 0.21±0.05
    热胀系数/1/K 5.6×10-7 1.5×10-6 1.5×10-4 2.1×10-4
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    表  5  光纤陀螺传感环圈的参数有效值

    Table  5.   Effective values of parameters of sensing coil in FOGs

    参数(单位) 普通保偏环圈 细径保偏环圈 薄涂层细径保偏环圈
    密度/kg·m-3 1 504 1 481 1 609
    泊松比 0.21 0.20 0.41
    杨氏模量/Pa 2.2×1010 2.5×1010 3.8×1010
    比热/W·kg-1·K-1 1 405 1 427 1 305
    热导率/W·m-1·K-1 0.467 5 0.437 0 0.605 3
    热胀系数/1/K 8.886 4×10-7 8.995 8×10-7 8.282 8×10-7
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    表  6  高精度干涉式光纤陀螺的传感环圈设计参量

    Table  6.   Parameters of sensing coil in IFOGs

    环圈参量(单位) 固定数值
    平均直径/mm 150
    总层数 64
    单层匝数 125
    光纤长度/m 3 770
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-17
  • 修回日期:  2019-06-11
  • 刊出日期:  2020-04-01

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