[发明专利]一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统

说明书

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统，包括如下步骤：采用应力因子测量环圈性能，拟合出、及，取已知分级好的多个光纤陀螺分别进行温度实验计算出，从而确定各等级光纤陀螺的取值范围，将待测试光纤陀螺进行温度实验，计算出的值，并将的值与预先确定的各等级光纤陀螺的取值范围进行比较，的值落在哪一等级取值范围内，则判定待测试光纤陀螺为哪一等级。本发明提供的方法及系统能够准确测量出光纤陀螺的性能，并依照出厂分级方法进行准确分级，防止对产品等级产生分歧或应用不当。

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统。

背景技术

光纤陀螺是基于Sagnac效应测量相对惯性空间旋转运动的一种惯性测量元件，是惯性导航系统（ＩＮＳ）的重要部件，它能够向系统提供沿正交方向运动的转动速率信息，与三轴向加速度传感器的测量信息相结合就能够计算出系统相对于惯性空间的位置与运动速度。相对于其他陀螺而言，光纤陀螺具有成本低、质量轻、体积小、结构简单、使用寿命长、精度范围广、抗电磁干扰、无运动部件等优势，是一种新型的全固态惯性仪表。

光纤陀螺的光纤环圈是测量元件，是光纤陀螺的传感核心，对于光纤陀螺而言，它不但是影响精度的主要因素，又是提高精度的重要途径。当温度变化时，光纤环圈内的温度梯度、热应力以及光纤中因绕制产生的挤压应力均会改变光纤的折射率同时，光纤环圈中的交压现象目前也不可避免。

由于保偏光纤本身的性能缺陷，绕环工艺不理想，以及绕环时胶黏剂添加不均匀等因素都会使光纤环圈在实际工作中容易受到各种外力（尤其是温度环境变化）的干扰，产生相应的附加相位漂移，妨碍Sagnac相移的精确检测。

光纤环圈是光纤陀螺的核心的敏感元件，当光纤陀螺的工作环境温度变化时，光纤环圈内存在一个温度场与一个热应力场，并随着光纤的空间位置以及时间而变化。当温度变化时，光纤环圈内温度场变化，同时也会影响光纤环圈中的材料的物理参数，如导热系数、线性热膨胀系数与弹性模量等对温度变化，则又会导致温度场与应力场的分布情况的变化，进一步改变光纤的折射率，导致光纤环圈中传播的光波产生相位变化。在几百米甚至千米以上的光纤中相向传播的两束光在到达同一点具有时间延迟，产生非互易相移。光纤环圈的绕制方法与工艺不同，绕制时光纤的交叉与挤压，受长度与直径等方面的限制不能形成对称绕制等问题均会对导致光纤陀螺的输出误差。

大量的理论分析与工程实践表明：温度场与应力场之间存在着不同程度的耦合作用。一、温度场对应力场的作用主要以热应力的形式产生，当温度变化时，Ｘ、Ｙ、Ｚ三个主轴上会产生热应力分量作用在应力场上。同时当温度变化时，与应力有关的固体特征参数如热膨胀系数、弹性模量、泊松比、比热容等物理参数也会发生变化，对应力场产生相应的影响。二、应力场对温度场的作用主要以能量转换的形式产生，当应力场发生变化时，在光纤环圈内部存在力学的能量转换以及能量的内部耗散，力学能量转换为热能作用于温度场，导致温度场的相应变化。同时当应力场变化时，与固体形变相关的热特征参数也会发生变化，会导致温度场相应的变化。

由于温度场和应力场的耦合以及光纤环圈本身应力的复杂性，导致光纤陀螺准确的性能测试难度高，测试手段缺乏。但是如果不预先对光纤陀螺的性能做出准确测量，就将其装配完成并应用，可能会导致光纤陀螺性能不符合设计要求，出现不合格品。

目前，对光纤陀螺性能进行测量主要是针对光纤陀螺的光纤环圈性能测试，一般采用散搭成光纤陀螺，通过温度变化来测试出光纤陀螺产生的相移，进而判断光纤陀螺的性能。这种测试方法存在如下弊端：散搭成光纤陀螺进行测试，外界扰动会对裸露的光学器件、光纤尾纤带来干扰，导致测试的不准确，同时很难对光纤陀螺进行准确分级，从而根据光纤陀螺的应用环境选用合适等级的光纤陀螺，并且现有的光纤陀螺性能测试方法尤其是在对出厂光纤陀螺进行性能测试时，由于二者测试标准不同，很可能导致测试结果产生差异，从而对产品等级产生分歧或应用不当。

发明内容