FOG光纤环温度瞬态特性检测理论及方法

论文摘要

光纤环是光纤陀螺(Fiber Optic Gyro, FOG)的传感核心,它的缠绕质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前,传统的光纤环检测方法(例如凭借消光比来评判保偏光纤环的优劣)不能完全反映出光纤环的缠绕质量,具有局限性。本文针对光纤环传统检测手段的局限性,提出了一套FOG光纤环温度瞬态特性检测理论、评价方法与指标,此检测方法无需将光纤环置于最终陀螺成品阶段就能够全面表征光纤环的缠绕质量。本文的主要研究内容如下:1.建立了三维光纤环温度瞬态响应数学模型,此模型能够全面分析由径向、轴向和周向温度梯度造成的热致非互易效应,为光纤环温度瞬态特性检测方法的验证奠定了理论基础。并满足三维光纤环温度瞬态响应数学模型的需求,开发了光纤环绕法三维数字化专用软件。2.采用有限元技术,建立了三维光纤环有限元模型来仿真温度激励作用下的光纤环温度场分布,借助此温度场信息实现了光纤环三维温度瞬态响应的定量理论分析能力。通过对比仿真计算结果和实验结果,成功验证了三维模型的有效性。并基于此三维光纤环模型,在理论上有效地论证了光纤环温度瞬态特性检测方法的可行性。3.建立了光纤环温度瞬态特性检测系统,其中包括光纤环温度瞬态特性检测平台、光纤环本征频率快速精确测量、陀螺系统的标定和温度激励源的设计。4.借助光纤环温度瞬态特性检测系统开展了光纤环改变其对称性的温度瞬态特性检测实验,在实验上成功地验证了光纤环温度瞬态特性检测方法用于检测光纤环全面缠绕质量的有效性。并提出了光纤环径向、轴向等效不对称度的概念来量化的表征光纤环缠绕的等效对称性。5.针对基于恒温温度激励的检测方法的不足,提出了基于周期温度激励的光纤环温度瞬态特性检测方法,并在理论和实验中都成功地验证了此新检测方法的可行性。实验重复精度表明基于周期温度激励的检测方法的检测精度优于基于恒温温度激励的检测方法,并且提高了检测效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤陀螺的基本原理及发展状况
• 1.1.1 光纤陀螺基本原理
• 1.1.2 光纤陀螺发展状况
• 1.2 光纤环简介
• 1.2.1 光纤环所用光纤类型
• 1.2.2 光纤环中的瞬态效应
• 1.2.3 光纤环绕制方法
• 1.2.4 光纤环绕制中易出现的缺陷
• 1.3 本论文的目的、主要内容及创新点
• 1.3.1 本论文的研究目的
• 1.3.2 本论文主要内容
• 1.3.3 本论文创新点
• 1.4 本章小结
• 第二章 三维光纤环温度瞬态响应数学模型建立
• 2.1 传统二维光纤环温度瞬态响应数学模型
• 2.2 三维光纤环温度瞬态响应数学模型建立
• 2.2.1 三维光纤环温度瞬态响应数学模型
• 2.2.2 光纤环绕法三维数字化表示
• 2.3 本章小结
• 第三章 三维光纤环温度瞬态响应数学模型的温度信息数值求解
• 3.1 三维光纤环温度瞬态响应数学模型中的温度场信息
• 3.1.1 三维光纤环模型中温度场问题描述
• 3.1.2 三维光纤环模型中光纤环材料属性的处理
• 3.1.3 三维光纤环模型中时间条件选择
• 3.2 数值求解三维光纤环温度瞬态响应数学模型中的温度信息
• 3.2.1 三维光纤环模型中温度场数值求解方法
• 3.2.2 三维光纤环模型中温度信息数值求解过程
• 3.3 本章小结
• 第四章 三维光纤环温度瞬态响应数学模型求解、验证及其应用
• 4.1 三维光纤环温度瞬态响应数学模型求解及其正确性验证
• 4.1.1 光纤环径向温度瞬态响应求解及正确性验证
• 4.1.2 光纤环轴向温度瞬态响应求解及正确性验证
• 4.1.3 光纤环周向温度瞬态响应求解及正确性验证
• 4.1.4 三维光纤环模型计算结果与实验结果之间的误差分析
• 4.2 三维光纤环模型的应用
• 4.2.1 三维光纤环模型应用在光纤环绕制工艺上的温度瞬态特性分析
• 4.2.2 三维光纤环模型应用在光纤环缠绕缺陷的温度瞬态特性分析
• 4.2.3 三维光纤环模型应用在局部温度激励源安装位置精度影响分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 光纤环温度瞬态特性检测系统
• 5.1 光纤环温度瞬态特性检测平台
• 5.2 光纤环本征频率的快速精确测量
• 5.3 待测光纤环的陀螺系统的标定
• 5.4 温度激励源设计
• 5.5 光纤环温度瞬态特性检测系统误差分析
• 5.5.1 Allan方差基本原理
• 5.5.2 Allan方差分析光纤环温度瞬态特性检测系统误差
• 5.6 本章小结
• 第六章 光纤环温度瞬态特性检测实验
• 6.1 光纤环温度瞬态特性检测实验的数据处理
• 6.2 保偏光纤环改变对称性温度瞬态特性检测对比实验
• 6.2.1 径向温度梯度下改变保偏光纤环对称性检测对比实验
• 6.2.2 轴向温度梯度下改变保偏光纤环对称性检测对比实验
• 6.2.3 周向温度梯度下改变保偏光纤环对称性检测对比实验
• 6.2.4 保偏光纤环等效不对称度参考值的获取
• 6.2.5 保偏光纤环温度瞬态特性检测重复性
• 6.3 消偏光纤环改变对称性温度瞬态特性检测对比实验
• 6.3.1 径向温度梯度下改变消偏光纤环对称性检测对比实验
• 6.3.2 轴向温度梯度下改变消偏光纤环对称性检测对比实验
• 6.3.3 周向温度梯度下改变消偏光纤环对称性检测对比实验
• 6.3.4 消偏光纤环等效不对称度参考值的获取
• 6.3.5 消偏光纤环温度瞬态特性检测重复性
• 6.4 光纤环温度瞬态特性检测精度讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于周期温度激励的光纤环温度瞬态特性检测方法
• 7.1 基于周期温度激励的光纤环温度瞬态特性检测方法的理论依据
• 7.2 周期温度激励的温控效果
• 7.3 保偏光纤环改变对称性周期温度瞬态特性检测对比实验
• 7.3.1 径向周期温度梯度下改变保偏光纤环对称性检测对比实验
• 7.3.2 轴向周期温度梯度下改变保偏光纤环对称性检测对比实验
• 7.3.3 周向周期温度梯度下改变保偏光纤环对称性检测对比实验
• 7.3.4 基于周期温度激励的保偏光纤环等效不对称度参考值的获取
• 7.3.5 基于周期温度激励的保偏光纤环温度瞬态特性检测重复性
• 7.4 消偏光纤环改变对称性周期温度瞬态特性检测对比实验
• 7.4.1 径向周期温度梯度下改变消偏光纤环对称性检测对比实验
• 7.4.2 轴向周期温度梯度下改变消偏光纤环对称性检测对比实验
• 7.4.3 周向周期温度梯度下改变消偏光纤环对称性检测对比实验
• 7.4.4 基于周期温度激励的消偏光纤环等效不对称度参考值的获取
• 7.4.5 基于周期温度激励的消偏光纤环温度瞬态特性检测重复性
• 7.5 基于周期温度激励的光纤环温度瞬态特性检测精度讨论
• 7.6 基于周期与恒温的温度激励光纤环温度瞬态特性检测结果对比
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢