光纤环是光纤陀螺的核心器件, 光纤环的温度场受到周围环境的影响而不断变化, 这种变化将产生Shupe效应, 导致光纤陀螺的零偏随温度的变化而发生漂移, 严重影响光纤陀螺性能。当前, 为了提高光纤陀螺工程化水平及实现高精度光纤陀螺, 我国已将光纤陀螺的温度性能作为主要研究方向。

国内外针对光纤环开展了大量基于温度分布模型建模和利用有限元分析方法的光纤环温度性能研究工作, 其中温度模型有一维、二维和三维等不同的分析方法^[1-7], 主要分析局限于环体上不同单元点的温度变化, 分析过程复杂、不直观, 没有建立分析结果与光纤陀螺温度性能测试结果的内在联系, 分析结果不能准确表征光纤陀螺的温度性能。

针对光纤环的温度性能的问题, 本文作者于2012年撰写的“光纤环温度性能仿真分析”一文^[8]中重点介绍了利用光纤陀螺温度性能分析软件对光纤环绕制方法、光纤环对称性对光纤陀螺温度性能影响的仿真分析。

LabVIEW软件作为一种虚拟仪器开发平台软件, 由于功能灵活, 容易构建, 在科研、开发、计量、测控等领域得到了日益广泛的应用^[9-11]。在本研究中, 重点介绍了利用LabVIEW软件进行光纤环温度性能分析软件的设计开发方法, 并从光纤陀螺内外热源两种工作条件出发进行了光纤环仿真分析和对比验证评价, 研究内容是对前期“光纤环温度性能仿真分析”工作的完善和提高。

当沿着光纤存在着一个随时间变化的温度梯度时, 光纤陀螺会产生热导致的非互易性相位误差, 这种温度梯度造成的瞬态效应称为Shupe效应^[12-14]。Shupe效应主要来自温度梯度造成的折射率变化, 如图 1所示线圈中, 距离O点z处温度扰动引起的非互易位相差微元, 即相移微元

图 1

Figure 1

图 1 Shupe效应示意图 Figure 1 Principle of Shupe effect

(1)

式中:λ为光波长; c为真空中的光速; n为光纤折射率; ∂n/∂T为光纤折射率温度系数; dT(z, t)/dt为温度变化率; L为整个光纤线圈长度。

式(1) 表明, 温度扰动引起的相移微元与该段光纤的温度变化率和位置有关的权因子(L-2z)成正比, 非对称扰动点距离线圈中点越近, 则扰动引起的光路非互易相移越小。当扰动点正好在线圈的中点时, 则扰动引起的非互易相移为零; 当相对光纤中点对称的两段光纤上的温度扰动相同时, 则温度变化引起的相位误差被抵消。

光纤环温度性能仿真分析软件设计以光纤环有限元分析结果为数据输入, 以Shupe效应理论为数学模型, 利用LabVIEW软件将有限元分析结果与光纤陀螺输出有机的结合起来, 实现光纤环温度性能仿真分析功能。程序主体上采用了LabVIEW软件的平铺式顺序结构, 分为数据编组模块、设计控制端模块、Shupe效应计算模块、报表生成模块。该软件能够实现不同绕制方法(单极、二极、四极对称等绕法)、不同热载荷条件、有无缓冲层、不同光纤性能参数及设计者自行定义仿真参数条件下光纤环的温度性能仿真分析工作。软件设置有输入分析类型、输入调整系数表、输入待分析数据用户输入框。图 2、图 3分别给出了光纤环温度性能分析软件前面板和程序框图。

图 2

Figure 2

图 2 光纤环温度性能分析软件的前面板 Figure 2 The front panel of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic

图 3

Figure 3

图 3 光纤环温度性能分析软件的程序框图 Figure 3 The program diagram of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic

模块中应用Read From Spreadsheet File.vi模块将ANSYS生成的光纤环仿真分析数据结果导入光纤环温度特性仿真分析软件, 使用For循环、移位寄存器、索引数组、插入数组等vi模块, 将输入数据构建为一个数组, 提供给后续模块使用。数据编组模块具体程序见图 4所示。

图 4

Figure 4

图 4 数据编组模块 Figure 4 Data organization module

设计控制端模块主要作用是为设计者提供软件互动窗口, 可以对光纤环的绕制方法及工艺进行提前预测和分析, 对数据编组模块发来的数据进行调整, 以达到完善光纤环绕制方法、工艺及提高环体温度性能的目的。其中输入分析类型可将光纤环的绕制方法设为单极、二极、四极、八极绕法以及设计者自行设计的任何绕制方法, 调整系数表可以使设计者按照自己的设计思路对光纤环任意位置点的温度性能参数进行设定, 仿真环体中任意位置的参数改变或缺陷。设计控制端模块具体程序见图 5所示。

图 5

Figure 5

图 5 控制参数输入模块 Figure 5 Control parameter input module

模块中利用LabVIEW软件函数库中For循环、数组插入、数组索引、数组元素相加及移位寄存器等模块构建一个Shupe算法模型, 实现Shupe效应计算。Shupe效应计算模块具体程序见图 6所示。

图 6

Figure 6

图 6 Shupe效应计算模块 Figure 6 Account module of the Shupe effect

模块利用LabVIEW软件函数库中的报表生成单元中的新建报表、Word Easy Title、添加控件图像至报表、处置报表等vi模块构成报表生成模块, 将测试结果保存为Word文件, 其中包含光纤环绕制方法、温度分析条件、陀螺输出图形等信息, 以利于对分析结果进行统计和汇总。报表生成模块具体程序见图 7所示。

图 7

Figure 7

图 7 光纤环温度性能分析软件的报表程序框图 Figure 7 The statement program diagram of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic

以目前本单位某型光纤环为研究对象, 光纤环由保偏光纤和铝合金骨架两者构成。下面给出了光纤环材料参数(见表 1)及光纤环的结构示意图(见图 8)。

表 1 (Table 1)

表 1 光纤环材料参数 Table 1 Material parameter of the fiber coil

表 1 光纤环材料参数 Table 1 Material parameter of the fiber coil

图 8

Figure 8

图 8 光纤环结构示意图 Figure 8 Structure of the fiber coil

光纤环在光纤陀螺中的主要热影响源分为内部热源和外部热源, 内部热源主要为光源、光源板、信号处理板等, 外部热源主要为外界环境温度。内部和外部热源均可近似看作热源(温度)均匀分布于环圈内侧, 并沿径向向外传导, 在由内向外各层光纤之间形成一个随时间变化的温度梯度, 见图 9所示。

图 9

Figure 9

图 9 光纤环温度载荷及温度梯度图 Figure 9 Temperature load and grads diagram of the fiber coil

为分析某型光纤陀螺产品的光纤环温度特性, 设定光纤环绕制方法为四极对称绕法, 分别针对内部和外部热源两种情况, 利用光纤环温度特性分析软件对光纤陀螺温度特性进行分析, 具体内容如下。

内部热源主要是分析SLD光源、光源板、信号处理板等发热源对光纤环的影响。所施加的温度载荷为光纤环上温度传感器实际测量的温度, 见图 10所示。利用有限元分析软件ANSYS进行光纤环热分析, 将分析数据导入光纤环温度性能分析软件, 生成光纤环温度性能分析结果, 见图 11所示。

图 10

Figure 10

图 10 光纤环上温度载荷曲线 Figure 10 The temperature load curve on the fiber coil

图 11

Figure 11

图 11 光纤环温度性能分析结果 Figure 11 Analysis result of the fiber coil temperature characteristic

图 12给出了2只某型光纤陀螺产品在图 10所示温度载荷条件下的测试结果。

图 12

Figure 12

图 12 光纤陀螺零偏测试结果 Figure 12 Test result of the bias FOG product

由图 11和图 12对比可知, 热源为内部热源条件下, 光纤环温度性能分析软件仿真分析结果与光纤陀螺产品实际测试结果相一致。

外部热源主要为外界环境温度变化, 通过热传导、热辐射等方式将外界的热传递到光纤环上产生Shupe效应, 进而对光纤陀螺的温度性能产生影响。分析中通过给光纤陀螺施加随时间变化的温度载荷, 分析外部热源对光纤陀螺的影响。温度载荷施加条件:光纤陀螺置于温箱内, 从常温以1 ℃/min速率降到-20 ℃, 保温1 h; 以1 ℃/min速率升到+60 ℃, 保温1 h。光纤环上温度载荷曲线参见图 13所示。利用有限元分析软件ANSYS进行光纤环热分析, 将分析数据导入光纤环温度性能分析软件, 光纤环温度性能分析结果参见图 14所示。

图 13

Figure 13

图 13 光纤环上温度载荷曲线 Figure 13 The temperature load curve on the fiber coil

图 14

Figure 14

图 14 光纤环温度性能分析结果 Figure 14 Analysis result of the fiber coil temperature characteristic

图 15给出了某型光纤陀螺产品在图 13所述温度载荷条件下, 光纤陀螺零偏测试结果。

图 15

Figure 15

图 15 光纤陀螺零偏测试结果 Figure 15 Test result of the bias FOG product

由图 14和图 15对比可知, 热源为外部热源条件下, 光纤环温度性能分析软件仿真分析结果与陀螺实际测试结果相一致。

本文通过利用LabVIEW软件进行光纤环温度性能分析软件设计开发, 实现了光学设计、有限元分析、计算机仿真的综合应用, 对于光纤陀螺在内部、外部热源条件下的工作情况进行了仿真分析, 仿真分析结果与光纤陀螺测试结果相一致, 建立了有限元仿真分析结果与陀螺输出的联系。光纤环温度性能分析软件为开展光纤陀螺光纤环设计、光纤环绕制工艺提供了分析和设计手段, 可实现在设计阶段对光纤环质量控制和预防, 而无需将光纤环置于最终陀螺成品阶段来表征光纤环的温度性能, 有利于提高光纤陀螺的温度性能, 同时降低了光纤陀螺的生产成本。未来将在上述研究内容的基础上, 继续开展光纤陀螺温度补偿模型、补偿方法的设计研究工作, 进一步提高光纤环及光纤陀螺系统的温度性能。