一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法及装置

专利名称：一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法及装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211326771.0

专利申请（专利权）人：重庆华渝电气集团有限公司
权利人地址：重庆市渝北区龙山路68号

专利发明（设计）人：陈来柱,潘志成

专利摘要：本发明公开了一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法及装置，包括在光纤环的固化、粘接等关键环节进行常温、高温和高低温循环老化处理，并实时采集每次老化处理后的全温零偏稳定性和应力分布状态，通过对光纤环进行在线老化，提高了光纤环中光纤的应力分布均匀性，使得光纤环在全温范围内的应力变化幅度显著降低，从而实现了全温范围内的相对稳定，解决了高精度光纤陀螺全温零偏稳定性不良，工作环境要求严苛的问题。

主权利要求：
1.一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，包括以下步骤，a）将绕制完成且胶黏剂未固化的光纤环安装在一密闭的老化箱中，并将所述光纤环与一参数采集单元连接；其中，在所述老化箱中设有一可旋转的旋转轴，所述光纤环同轴安装在该旋转轴上，还包括温控组件，用于调节老化箱内的温度；
b）对光纤环进行常温老化处理；其中，所述常温老化处理包括设置老化箱内的温度为第一预设温度，并通过旋转轴带动光纤环以预设旋转速率旋转，老化处理第一预设时间；
c）依次设置老化箱内的温度为第二预设温度、第三预设温度、第四预设温度，并在各温度稳定后，均通过参数采集单元采集光纤环在当前预设温度下的预设参数；若光纤环的预设参数在第二预设温度、第三预设温度和第四预设温度下均满足预设条件，则进行下一步骤，否则返回步骤b；
d）将步骤c中满足预设条件的光纤环进行固化处理，并对固化后的光纤环进行第一高温老化处理和高低温循环老化处理；其中，第一高温老化处理包括在第五预设温度下老化处理第二预设时间；高低温循环老化处理包括设置高、低温端点，并以预设温度变化速率在高、低温端点之间循环第三预设时间；
e）重复步骤c，若光纤环的预设参数在第二预设温度、第三预设温度和第四预设温度下均满足预设条件，则进行下一步骤，否则返回步骤b；
f）对步骤e中的满足预设条件的光纤环进行粘接处理，对粘接处理后的光纤环进行第二高温老化处理，其中，第二高温老化处理包括在第六预设温度下老化处理第四预设时间；
g）重复步骤e，若步骤c中的光纤环满足预设条件，则完成老化处理；否则返回步骤b。
2.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，所述第一预设温度为+50℃±1℃，所述预设旋转速率为3rpm，所述第一预设时间为24h。
3.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，所述第二预设温度、第三预设温度、第四预设温度分别为+25℃、+60℃和‑40℃。
4.根据权利要求3所述的一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，所述参数采集单元包括光纤环筛选工装和光纤应力分析仪，所述光纤环筛选工装包括Y波导、光源和PIN‑FET探测器，所述Y波导的输入尾纤通过第一光纤耦合器与光源和PIN‑FET探测器连接，所述Y波导的输出尾纤和光纤应力分析仪分别与光纤环连接，用于采集和分析光纤环的预设参数，其中，所述预设参数包括零偏稳定性和应力分布。
5.根据权利要求4所述的一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，所述预设条件包括光纤环在第二预设温度、第三预设温度、第四预设温度下的零偏稳定性不大于0.005°/h、零偏值偏差不大于0.005°/h且应力极值偏差不大于500με。
6.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，所述第五预设温度为+85℃±1℃，所述第二预设时间为48h。
7.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，所述高低温循环老化处理中的高、低温端点分别为+85℃±1℃和‑55℃±1℃，所述预设温度变化速率大于等于5℃/min。
8.根据权利要求1所述的一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，其特征在于，所述第六预设温度为+85℃±1℃，所述第四预设时间为48h。
9.一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化装置，用于实现如权利要求1‑8任一所述的老化方法，其特征在于，包括，光纤环；
密闭的老化箱，所述老化箱中设有可旋转的旋转轴，所述旋转轴通过驱动电机驱动，所述光纤环同轴安装在所述旋转轴上，还包括温控组件，用于调节老化箱中的温度；
参数采集单元，设置在老化箱外部，其包括光纤环筛选工装和光纤应力分析仪，所述光纤环筛选工装包括Y波导、光源和PIN‑FET探测器，所述Y波导的输入尾纤通过第一光纤耦合器与光源和PIN‑FET探测器连接；所述Y波导的输出尾纤分别通过第二光纤耦合器和第三光纤耦合器与光纤环由老化箱中穿出的两个尾纤连接，所述光纤应力分析仪的尾纤分别通过第二光纤耦合器和第三光纤耦合器与光纤环由老化箱中穿出的两个尾纤连接；其中，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器均为2×2单模光纤耦合器。 说明书 : 一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及光纤陀螺仪技术领域，尤其涉及一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法及装置。背景技术[0002] 随着光纤陀螺技术的逐渐提升，人们对于光纤陀螺的精度要求也越来越高，零偏稳定性优于0.001°/h的高精度光纤陀螺的研发及量产已成为光纤陀螺的发展趋势。[0003] 目前的干涉式光纤陀螺受温度影响比较大，因此，人们针对随温度改变而变化的光纤环、温度补偿等器件或技术开展了大量的研究，通过提升光纤环的对称性显著抑制了光纤环对温度的敏感性；同时，通过建立多阶、分段的温度补偿模型，使得光纤陀螺的Shupe误差被抑制到较低的水平，促进了光纤陀螺批量化的工程应用。[0004] 然而，随着光纤陀螺精度的提升，零偏稳定性优于0.001°/h的高精度光纤陀螺对陀螺内部的应力分布状态及其变化、外部环境的微小变化异常敏感，1℃的温度变化都会造成光纤陀螺零偏显著的漂移，严重影响高精度光纤陀螺的工程应用，从而造成高精度光纤陀螺常常只能工作于准静态的环境中，使得高精度光纤陀螺的工程应用严重受限。[0005] 为了降低高精度光纤陀螺工程应用对环境的要求，急需提升高精度光纤陀螺的环境适应能力，尤其是全温零偏稳定性的提升尤为重要。经研究，对光纤环进行有效老化，使光纤环在全温段范围内提升应力分布状态，能够有效提升光纤陀螺的零偏稳定性；但如何使光纤环有效老化，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。发明内容[0006] 针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法及装置，解决了现有技术中，为提高高精度陀螺仪的光纤环环境适应能力和全温零偏稳定性，缺乏有效的老化方法的问题。[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：[0008] 一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，包括以下步骤，[0009] a）将绕制完成且胶黏剂未固化的光纤环安装在一密闭的老化箱中，并将所述光纤环与一参数采集单元连接；其中，在所述老化箱中设有一可旋转的旋转轴，所述光纤环同轴安装在该旋转轴上，还包括温控组件，用于调节老化箱内的温度；[0010] b）对光纤环进行常温老化处理；其中，所述常温老化处理包括设置老化箱内的温度为第一预设温度，并通过旋转轴带动光纤环以预设旋转速率旋转，老化处理第一预设时间；[0011] c）依次设置老化箱内的温度为第二预设温度、第三预设温度、第四预设温度，并每次在温度稳定后，均通过参数采集单元采集光纤环在当前预设温度下的预设参数；若光纤环的预设参数在第二预设温度、第三预设温度和第四预设温度下均满足预设条件，则进行下一步骤，否则返回步骤b；[0012] d）将步骤c中满足预设条件的光纤环进行固化处理，并对固化后的光纤环进行第一高温老化处理和高低温循环老化处理；其中，第一高温老化处理包括在第五预设温度下老化处理第二预设时间；高低温循环老化处理包括设置高、低温端点，并以预设温度变化速率在高、低温端点之间循环第三预设时间；[0013] e）重复步骤c，若光纤环的预设参数在第二预设温度、第三预设温度和第四预设温度下均满足预设条件，则进行下一步骤，否则返回步骤b；[0014] f）对步骤e中的满足预设条件的光纤环进行粘接处理，对粘接处理后的光纤环进行第二高温老化处理，其中，第二高温老化处理包括在第六预设温度下老化处理第四预设时间；[0015] g）重复步骤e，若步骤c中的光纤环满足预设条件，则完成老化处理；否则返回步骤b。[0016] 作为优化，所述第一预设温度为+50℃±1℃，所述预设旋转速率为3rpm，所述第一预设时间为24h。[0017] 作为优化，所述第二预设温度、第三预设温度、第四预设温度分别为+25℃、+60℃和‑40℃。[0018] 作为优化，所述参数采集单元包括光纤环筛选工装和光纤应力分析仪，所述光纤环筛选工装包括Y波导、光源和PIN‑FET探测器，所述Y波导的输入尾纤通过第一光纤耦合器与光源和PIN‑FET探测器连接，所述Y波导的输出尾纤和光纤应力分析仪分别与光纤环连接，用于采集和分析光纤环的预设参数，其中，所述预设参数包括零偏稳定性和应力分布。[0019] 作为优化，所述预设条件包括光纤环在第二预设温度、第三预设温度、第四预设温度下的零偏稳定性不大于0.005°/h、零偏值偏差不大于0.005°/h且应力极值偏差不大于500με。[0020] 作为优化，所述第五预设温度为+85℃±1℃，所述第二预设时间为48h。[0021] 作为优化，所述高低温循环老化处理中的高、低温端点分别为+85℃±1℃和‑55℃±1℃，所述预设温度变化速率大于等于5℃/min。[0022] 作为优化，所述第六预设温度为+85℃±1℃，所述第四预设时间为48h。[0023] 基于上述老化方法，本发明还提供了一种实现上述老化方法的高精度光纤陀螺仪的光纤在线老化装置，包括，[0024] 光纤环；[0025] 密闭的老化箱，所述老化箱中设有可旋转的旋转轴，所述旋转轴通过驱动电机驱动，所述光纤环同轴安装在所述旋转轴上，还包括温控组件，用于调节老化箱中的温度；[0026] 参数采集单元，设置在老化箱外部，其包括光纤环筛选工装和光纤应力分析仪，所述光纤环筛选工装包括Y波导、光源和PIN‑FET探测器，所述Y波导的输入尾纤通过第一光纤耦合器与光源和PIN‑FET探测器连接；所述Y波导的输出尾纤分别通过第二光纤耦合器和第三光纤耦合器与光纤环由老化箱中穿出的两个尾纤连接，所述光纤应力分析仪的尾纤分别通过第二光纤耦合器和第三光纤耦合器与光纤环由老化箱中穿出的两个尾纤连接；其中，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器均为2×2单模光纤耦合器。[0027] 本申请与现有技术相比具有以下有益效果：[0028] 本发明通过改进常用光纤陀螺光路，在影响光纤环应力分布状态的常温老化、粘接两个环节进行充分老化，同时检测光纤环接入光纤环筛选工装后在全温范围内的输出，并以光纤环全温输出稳定作为老化效果达成的依据。通过这一方法，可实现光纤环的全温应力分布相对稳定，从而保证了光纤陀螺全温零偏的一致，从而提升高精度光纤陀螺的全温零偏稳定性，提升环境适应能力。[0029] 本发明通过对光纤环进行在线老化，提高了光纤环中光纤的应力分布均匀性，使得光纤环在全温范围内的应力变化幅度显著降低，从而实现了全温范围内的相对稳定。附图说明[0030] 图1为本发明的光路熔接示意图；[0031] 图2为本发明的光纤环经过常温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态；[0032] 图3为本发明的光纤环经过第一高温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态；[0033] 图4为本发明的光纤环再次经过第一高温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态；[0034] 图5为本发明的光纤环经过高低温循环老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态；[0035] 图6为本发明的光纤环经过第二高温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态；[0036] 图中，1光纤环，2光纤应力分析仪，3Y波导，4第二光纤耦合器，5第三光纤耦合器。具体实施方式[0037] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。[0038] 具体实施时：参见图1‑图6，[0039] 一种高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化方法，包括以下步骤，[0040] a）将绕制完成且胶黏剂未固化的光纤环安装在一密闭老化箱中，并将所述光纤环与一参数采集单元连接；其中，在所述老化箱中设有一可旋转的旋转轴，所述光纤环同轴安装在该旋转轴上，还包括温控组件，用于调节老化箱内的温度。所述参数采集单元包括光纤环筛选工装和光纤应力分析仪，所述光纤环筛选工装包括Y波导、光源和PIN‑FET探测器，所述Y波导的输入尾纤通过第一光纤耦合器与光源和PIN‑FET探测器连接，所述Y波导的输出尾纤和光纤应力分析仪分别与光纤环连接，用于采集和分析光纤环的预设参数，其中，所述预设参数包括零偏稳定性和应力分布。[0041] 具体的，如图1所示，分别将光纤环的两根尾纤与两个2×2单模光纤耦合器（即第二光纤耦合器和第三光纤耦合器）的尾纤进行熔接，将两个2×2单模光纤耦合器无熔接端的1根尾纤分别与光纤环筛选工装中Y波导输出尾纤熔接，随后将两个2×2单模光纤耦合器同一端的剩余2根尾纤分别与光纤应力分析仪尾纤熔接。[0042] b）对光纤环进行常温老化处理；其中，老化处理方式包含高温储存和匀速旋转，储存温度设置为+50℃±1℃，旋转速率为3rpm，老化处理时间为24h。[0043] c）常温老化处理完成后，将光纤环老化箱的温度设置为+25℃±1℃，温度稳定后，先后开启光纤环筛选工装和光纤应力分析仪，分别测试光纤环的零偏稳定性和应力分布。测试完成后将温度先后设置为+60℃±1℃、‑40℃±1℃，温度稳定后，分别测试光纤环零偏稳定性和应力分布。[0044] 对比光纤环在+25℃、+60℃和‑40℃温度下的应力分布状态和零偏稳定性。零偏稳定性优于0.001°/h的高精度光纤陀螺对光纤环的要求包含：[0045] 1）+25℃、+60℃和‑40℃温度下的零偏稳定性不大于0.005°/h；[0046] 2）+25℃、+60℃和‑40℃温度下的零偏值偏差不大于0.005°/h；[0047] 3）+25℃、+60℃和‑40℃温度下的应力极值偏差不大于500με。[0048] 图2是光纤环在常温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态。由图2可知，光纤环经过常温老化处理后，全温零偏值偏差为0.0027°/h；全温零偏稳定性均不大于0.005°/h；全温下应力极值偏差为169με，满足高精度光纤陀螺对光纤环1的全温要求，可进行固化处理。[0049] d）将步骤c中满足预设条件的光纤环进行固化处理，并对固化后的光纤环进行第一高温老化处理和高低温循环老化处理；其中，高温老化的温度设置为+85℃±1℃，老化处理时间为48h；高低温循环老化的极值温度设置为+85℃±1℃、‑55℃±1℃，温度变化速率为不低于5℃/min。高温老化和温度循环完成后重复步骤c，对光纤环的零偏稳定性和应力分布进行再次测试。[0050] 图3是光纤环在高温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态。由图3可知，光纤环经过高温老化处理后，全温零偏值偏差为0.0078°/h；全温零偏稳定性均不大于0.005°/h；全温下应力极值偏差为137με，不满足高精度光纤陀螺对光纤环1的全温要求，需继续进行高温老化处理。[0051] 再次进行高温老化处理后，重复步骤c，对光纤环的零偏稳定性和应力分布进行再次测试。[0052] 图4是光纤环在再次高温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态。由图4可知，光纤环经过高温老化处理后，全温零偏值偏差为0.0038°/h；全温零偏稳定性均不大于0.005°/h；全温下应力极值偏差为126με，满足高精度光纤陀螺对光纤环的全温要求，可进行高低温循环老化处理。[0053] 高低温循环老化处理后，重复步骤c，对光纤环的零偏稳定性和应力分布进行再次测试。[0054] 图5是光纤环在高低温循环老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态。由图5可知，光纤环经过高低温循环老化处理后，全温零偏值偏差为0.0025°/h；全温零偏稳定性均不大于0.005°/h；全温下应力极值偏差为108με，满足高精度光纤陀螺对光纤环1的全温要求，可进行粘接处理。[0055] e）重复步骤c，若光纤环的预设参数在第二预设温度、第三预设温度和第四预设温度下均满足预设条件，则进行下一步骤，否则返回步骤b；[0056] f）对步骤e中的满足预设条件的光纤环进行粘接处理，对粘接处理后的光纤环进行第二高温老化处理，其中，第二高温老化处理包括在第六预设温度下老化处理第四预设时间；具体的，粘接后进行第二高温老化处理，高温老化的温度设置为+85℃±1℃，老化处理时间为48h。完成后重复步骤c，对光纤环的零偏稳定性和应力分布进行再次测试。图6是光纤环在第二高温老化处理后测试的全温零偏稳定性和应力分布状态。由图6可知，光纤环经过粘接高温老化处理后，全温零偏值偏差为0.0024°/h；全温零偏稳定性均不大于0.005°/h；全温下应力极值偏差为107με，满足高精度光纤陀螺对光纤环1的全温要求。[0057] g）重复步骤e，若步骤c中的光纤环满足预设条件，则完成老化处理；否则返回步骤b。[0058] 基于上述老化方法，本发明还提供了一种实现上述老化方法的高精度光纤陀螺仪的光纤环在线老化装置，包括，[0059] 光纤环；[0060] 密闭的老化箱，所述老化箱中设有可旋转的旋转轴，所述旋转轴通过驱动电机驱动，所述驱动电机设置在老化箱外部，所述光纤环同轴安装在所述旋转轴上，还包括温控组件，用于调节老化箱中的温度，所述温控组件为常见的温度调节系统，不再冗述。[0061] 参数采集单元，设置在老化箱外部，其包括光纤环筛选工装和光纤应力分析仪，所述光纤环筛选工装包括Y波导、光源、PIN‑FET探测器和检测电路，所述Y波导的输入尾纤通过第一光纤耦合器与光源和PIN‑FET探测器连接；所述Y波导的输出尾纤分别通过第二光纤耦合器和第三光纤耦合器与光纤环由老化箱中穿出的两个尾纤连接，所述检测电路分别与Y波导的两路光纤连接，所述光纤应力分析仪的尾纤分别通过第二光纤耦合器和第三光纤耦合器与光纤环由老化箱中穿出的两个尾纤连接；其中，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器均为2×2单模光纤耦合器。[0062] 本发明通过改进常用光纤陀螺光路，在影响光纤环应力分布状态的常温老化、粘接两个环节进行充分老化，同时检测光纤环接入光纤环筛选工装后在全温范围内的输出，并以光纤环全温输出稳定作为老化效果达成的依据。通过这一方法，可实现光纤环的全温应力分布相对稳定，从而保证了光纤陀螺全温零偏的一致，从而提升高精度光纤陀螺的全温零偏稳定性，提升环境适应能力。[0063] 本发明通过对光纤环进行在线老化，提高了光纤环中光纤的应力分布均匀性，使得光纤环在全温范围内的应力变化幅度显著降低，从而实现了全温范围内的相对稳定。[0064] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以在不脱离本发明的原理和基础的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附加权利要求及其等同物限定，因此本发明的实施例只是针对本发明的说明示例，无论从哪一点来看本发明的实施例都不构成对本发明的限制。

专利地区：重庆

专利申请日期：2022-10-27

专利公开日期：2024-09-03

专利公告号：CN115638781B