一种三轴光纤陀螺的光纤环绕制方法及三轴光纤陀螺与流程

1.本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种三轴光纤陀螺的光纤环绕制方法及三轴光纤陀螺。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器，本质是一种基于sagnac效应的角速率传感器它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播，光传播路径的改变，决定了敏感元件的角位移；由于其成本低、可靠性高、抗冲击振动能力强，其应用前景备受重视，已经成为主流的传感器之一。
3.目前三轴光纤陀螺中各个轴的频率较为接近时，普遍存在同频干扰的问题，同频干扰问题会导致陀螺零偏出现振荡，陀螺精度变差，在布局紧凑，集成度非常高的三轴一体光纤陀螺中尤其明显，这一缺陷对于光纤陀螺采集的信息的可靠性造成影响，目前缺乏应对解决三轴光纤陀螺中同频干扰的技术手段。


技术实现要素：

4.本发明提供一种三轴光纤陀螺的光纤环绕制方法及三轴光纤陀螺，用以解决现有技术中三轴光纤陀螺多轴光纤环的同频干扰引起的的陀螺零偏测试曲线振荡的问题，进而保证了光纤陀螺的精度。
5.本发明提供一种三轴光纤陀螺的光纤环绕制方法，包括：
6.s1对三轴光纤陀螺中每一轴的光纤环在多个不同拉偏频率上进行零偏测试，判断所述三轴光纤陀螺是否存在振荡现象；
7.s2若所述三轴光纤陀螺不存在振荡现象，则获取y轴光纤环相对于x轴光纤环的第一频率差，进一步获取所述y轴光纤环相对于 z轴光纤环的第二频率差；
8.s3基于所述第一频率差和所述第二频率差，分别计算所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要绕制的光纤总长度；
9.s4获取y轴光纤环和z轴光纤环的绕环层数，基于所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要绕制的光纤总长度，分别确定所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要垫纤的层数；
10.s5根据步骤s4确定的所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要垫纤的层数，分别对y轴光纤环与所述z轴光纤环进行垫纤。
11.其中，步骤s1具体包括:
12.s101以x轴光纤环的特征频率为基准，获取y轴光纤环相与x 轴光纤环的频率差以及所述y轴光纤环与z轴光纤环的频率差
13.s102对三轴光纤陀螺中每一轴的光纤环组件进行零偏测试，判断所述三轴光纤陀螺是否存在振荡现象，若存在振荡现象，则调整所述频率差并重新进行零偏测试直至所述三轴光纤陀螺不存在振荡现象。
14.进一步，步骤s3中，计算y轴光纤环需要绕制环长ly、z轴光纤环需要绕制环长lz的长度应用公式：
[0015][0016][0017]
其中，f1为x轴光纤环的特征频率，c为光速，n为光纤环上光纤的折射率，l
bd
为y波导输出端的尾纤长度之和，δf1为所述第一频率差，δf2为所述第二频率差；δf1≥0.5khz、δf2≥0.5khz。
[0018]
具体的，步骤s4中，确定所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要垫纤的层数，应用公式：
[0019][0020][0021]
其中，r1为绕环光纤的直径，误差为δr1≤1μm；
[0022]
r2为光纤环的环体宽度，(n3 0.5)
·
r1≤r2≤n3·
r1，n3为首层绕制匝数；
[0023]
r3为光纤环的环骨架内径，r3大于绕环光纤的最小的弯曲半径；
[0024]
r4为绕环光纤的外径，也即光纤涂覆层的外径；
[0025]
n1为y轴光纤环的绕环层数，n2为z轴光纤环的绕环层数；
[0026]
其中，n1为y轴光纤环的垫纤层数，n2为z轴光纤环的垫纤层数，n1和n2计算得到的垫纤层数进行取整加一。
[0027]
优选的，步骤s4中所述垫纤的光纤与所述光纤环中绕环光纤的光纤类型、光纤的直径、涂层材料一致。
[0028]
优选的，步骤s4中所述垫纤的光纤为单模光纤，其包层直径为 60μm，涂覆层直径r4为100μm，直径误差δr4≤1μm。
[0029]
本发明还提供一种三轴光纤陀螺，三轴光纤陀螺包括x轴光纤环、y轴光纤环和z轴光纤环，根据上述任一项所述的绕制方法获取 y轴光纤环和z轴光纤环垫纤的层数，并进一步对y轴光纤环和z 轴光纤环进行绕制。
[0030]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0031]
(1)本发明只需在原有三轴一体光纤陀螺基础上，仅在光纤环绕制过程中改变其中两轴光纤环对应的打底光纤(即垫纤)层数即可实现三轴光纤陀螺的光路错频设计，解决三轴同频干扰问题，对原方案改动较小，利于实现；
[0032]
(2)进行错频设计时，可以先通过设备进行错频测试的方式对三轴光纤陀螺各轴陀螺频率进行拉偏试验，根据实际测试的结果选择各个光路需要保持的频率差，从而提高错频设计的准确性；
[0033]
(3)光纤环垫纤用的打底光纤采用与绕环光纤同样涂层材料、同样直径的单模光纤，其成本低，与绕环光纤热应力变化一致，可以起到保护内层光纤和减缓外部热效应影
响；
[0034]
(4)进行光纤环绕制参数设定时，对绕环保偏光纤直径误差，光纤环宽度设计误差，光纤环内径要求等进行控制，可以有效的控制光纤环每层的绕制匝数，使得光纤环具有更好的绕制质量和更准确的光纤环长控制，使得错频更准确。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1是本发明提供的一种三轴光纤陀螺的光纤环绕制方法的流程示意图之一；
[0037]
图2是本发明提供的三轴光纤陀螺的测试效果示意图之一；
[0038]
图3是本发明提供的三轴光纤陀螺的测试效果示意图之二。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0041]
本发明实施例提供一种三轴光纤陀螺的光纤环绕制方法，如图1 所示，具体包括步骤：
[0042]
s1对三轴光纤陀螺中每一轴的光纤环在多个不同拉偏频率上进行零偏测试，判断所述三轴光纤陀螺是否存在振荡现象；
[0043]
s2若所述三轴光纤陀螺不存在振荡现象，则获取y轴光纤环相对于x轴光纤环的第一频率差，进一步获取所述y轴光纤环相对于 z轴光纤环的第二频率差；
[0044]
s3基于所述第一频率差和所述第二频率差，分别计算所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要绕制的光纤总长度；
[0045]
s4获取y轴光纤环和z轴光纤环的绕环层数，基于所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要绕制的光纤总长度，分别确定所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要垫纤的层数；
[0046]
s5根据步骤s4确定的所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要垫纤的层数，分别对y轴光纤环与所述z轴光纤环进行垫纤。
[0047]
需要说明的是，其中x轴光纤环、y轴光纤环、z轴光纤环为三轴光纤陀螺中的三组光纤环，三者之间的相互位置关系、相互之间的角度是明确的，其中x、y、z轴仅为用于描述的名称、不应视为对对象的特定排序，可以理解的是，“x、y、z轴”在允许的情况下可以互换
为首层绕制匝数；
[0065]
r3为光纤环的环骨架内径，r3大于绕环光纤的最小弯曲半径；
[0066]
r4为绕环光纤的外径，也即光纤涂覆层的外径；
[0067]
n1为y轴光纤环的绕环层数，n2为z轴光纤环的绕环层数；
[0068]
其中，n1为y轴光纤环的垫纤层数，n2为z轴光纤环的垫纤层数，n1和n2计算得到的垫纤层数进行取整加一；
[0069]
通过计算获取的垫纤层数，能够在不对光纤陀螺的构造进行改变的同时实现对三轴光纤陀螺上多个轴的光纤环进行错频，有利于消除由于特征频率较为接近导致的错频干扰，只需要对光纤环的打底光纤层数进行改进，而不需要对原本的光纤陀螺设计方案作更改，能有效的较少研发的成本；
[0070]
优选的，步骤s4中所述垫纤的光纤与所述光纤环中绕环光纤的光纤类型、光纤的直径、涂层材料一致；即在对y轴和z轴的光纤环进行绕制时，原y轴光纤环的绕环层数和z轴光纤环的绕环层数不变，在绕环光纤与光纤环的环骨架之间进行垫纤，按照上述步骤计算获取的垫纤层数，选用与光纤环上绕制的光纤相同类型、相同直径且涂层材料相同的光纤作为打底光纤，在光纤环的环骨架的外表面和光纤环的内衬面进行垫纤；
[0071]
通过打底光纤采用与绕环光纤同样涂层材料、同样直径的单模光纤，进一步降低了光纤陀螺的制造成本，使得打底光纤与绕环光纤的热应力变化一致，从而可以起到保护内层光纤和减缓外部热效应影响的效果；
[0072]
优选的，步骤s4中所述垫纤的光纤为单模光纤，其包层直径为 60μm，涂覆层直径r4为100μm，直径误差δr4≤1μm；对绕环保偏光纤直径误差，光纤环宽度设计误差，光纤环内径要求等进行控制，可以有效的控制光纤环每层的绕制匝数，使得光纤环具有更好的绕制质量和更准确的光纤环长控制，使得错频更准确，有利于提高光纤陀螺的精度。
[0073]
在一个实施例中，本发明还提供一种三轴光纤陀螺，所述三轴光纤陀螺包括x轴光纤环、y轴光纤环和z轴光纤环，以x轴光纤环的特征频率为基准，获取光纤环的结构参数，根据上述步骤所述的绕制方法对y轴光纤环和z轴光纤环进行绕制；
[0074]
如图2所示，示例了存在零偏振荡的光纤陀螺的测试结果的示意图，可见该陀螺的精度为0.014
°
/h；而本发明实施例提供的三轴光纤陀螺，应用上述实施例提供的方法，包括步骤：
[0075]
s1对三轴光纤陀螺中每一轴的光纤环在多个不同拉偏频率上进行零偏测试，判断所述三轴光纤陀螺是否存在振荡现象；
[0076]
s2若所述三轴光纤陀螺不存在振荡现象，则获取y轴光纤环相对于x轴光纤环的第一频率差，进一步获取所述y轴光纤环相对于 z轴光纤环的第二频率差；
[0077]
s3基于所述第一频率差和所述第二频率差，分别计算所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要绕制的光纤总长度；
[0078]
s4获取y轴光纤环和z轴光纤环的绕环层数，基于所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要绕制的光纤总长度，分别确定所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要垫纤的层数；
[0079]
s5根据步骤s4确定的所述y轴光纤环和所述z轴光纤环需要垫纤的层数，分别对y轴光纤环与所述z轴光纤环进行垫纤；
[0080]
优选的，步骤s4中所述垫纤的光纤与所述光纤环中绕环光纤的光纤类型、光纤的
直径、涂层材料一致；即在对y轴和z轴的光纤环进行绕制时，原y轴光纤环的绕环层数和z轴光纤环的绕环层数不变，在绕环光纤与光纤环的环骨架之间进行垫纤，按照上述步骤计算获取的垫纤层数，选用与光纤环上绕制的光纤相同类型、相同直径且涂层材料相同的光纤作为打底光纤，在光纤环的环骨架的外表面和光纤环的内衬面进行垫纤；
[0081]
通过打底光纤采用与绕环光纤同样涂层材料、同样直径的单模光纤，进一步降低了光纤陀螺的制造成本，使得打底光纤与绕环光纤的热应力变化一致，从而可以起到保护内层光纤和减缓外部热效应影响的效果。
[0082]
对经过上述步骤进行垫纤的三轴光纤陀螺进行零偏测试，得到的测试结果如图3所示，得到的精度为0.0045
°
/h，可见本发明实施例提供的经上述步骤进行改进后的三轴光纤陀螺具有更高的精度，且通过上述步骤对光纤陀螺进行改进，只需要对原光纤陀螺进行垫纤操作，不需要对原光纤陀螺的结构进行改进，极大的节省了研发和制造成本。
[0083]
本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、dvd、 cd-rom、微型驱动器以及磁光盘、rom、ram、eprom、eeprom、 dram、vram、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器ic)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
[0084]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
[0085]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0086]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0087]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0088]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0089]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体
现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(randomaccess memory，ram)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0090]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器 (read-only memory，rom)、随机存取器(random access memory， ram)、磁盘或光盘等。
[0091]
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
[0092]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0093]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。