[发明专利]自动抵消温度误差的光纤传感器线圈及方法

说明书

技术领域：本发明涉及的是一种光纤陀螺的传感器线圈，特别是一种自动抵消温度误差的光纤传感器线圈及方法，属于光纤传感领域。

背景技术：干涉型光纤陀螺仪是由激光光源、分束器、偏振控制器件、陀螺的传感器线圈、光电检测器构成的。其中，光源发出的光束被分束器分为两束光，分别沿着顺时针和逆时针方向通过陀螺的传感器线圈，当陀螺的传感器线圈静止时，这两束传播方向互逆的光通过陀螺的传感器线圈时所经历的光程相同；当陀螺的传感器线圈随被测对象旋转时，这两束光通过陀螺的传感器线圈时所经历的光程不同，所经历的相位改变也不同。根据萨格纳克效应，两束光经历的相位差正比与被测对象的转速，这样就可以通过光电检测器及信号处理测出相位差来测得转速。干涉型光纤陀螺仪的精度受到许多因素，尤其是环境因素的限制。其中最主要的是由于温度变化引起的热非互易效应的影响。当环境温度变化时，陀螺的传感器线圈内部各处的温度随之以不同的速度在变化。陀螺的传感器线圈内各部分的折射率等参数也相应在变化。所以当互逆光在不同的时刻通过陀螺的传感器线圈中的同一段光纤时，所经历的光程不同，相位改变也不同。这样，即使被测对象没有转动，由于温度的变化，互逆光之间也存在相位差。由此产生的相位差与转速引起的相位差无法被分辨，因此引入了误差，严重限制了干涉型光纤陀螺仪的精度。R.B.Dyott在E1ectronics Letters(电子快报)7th November1996，Vol.32，No.23，P2177，撰文Reduction of the Shupe effect in fiberoptic gyros；the random-wound coil.(减小光纤陀螺中的温度效应：随机绕制线圈)，该文中提出了随机缠绕的线圈结构，通过使线圈中相对于光路中点对称的两点(以下简称对称两点)上的光纤的相对位置沿轴向和径向随机分布，使得互逆光在通过线圈的对称两点时由于温度效应引入的相位差随机化从而使得所对应热非互易相移总和减小。但这些技术却没有定量地讨论和解决如何充分利用温度效应在线圈各层中起作用的方式和特点来减少总输出误差，且这种减小温度效应的方法所提出的线圈结构制作过程较为复杂，且不可避免地引入了较大的噪声。

发明内容：本发明的目的针对现有技术的不足和缺陷，提供一种自动抵消温度误差的光纤传感器线圈及方法，能够显著降低光纤陀螺输出受温度效应的影响，解决背景技术中存在的问题。本发明是通过以下的技术方案实现的，若以A代表位于光路中点一侧的各层光纤，B代表位于光路中点另一侧的各层光纤，则线圈光路的对称中点位于线圈最内层，位于光路中点两侧的光纤由内而外的排列顺序，由第1层至第i-1层(i为奇数，i大于1)可以表示为ABBAABBA…ABBA，即从最内层开始，以两层为一个单元，前一个单元先绕A侧光纤再绕B侧光纤，则后一个单元先绕B侧光纤再绕A侧光纤，如此交替重复。从内而外第i层起，排列顺序发生变化，即第i层开始的一个单元与前一个单元光纤的绕制顺序相同，若前一个单元光纤排列顺序为AB，则由第i层开始的一个单元光纤排列顺序仍为AB，反之亦然；而下一个单元光纤的排列顺序仍按照交替重复的顺序排列，若由第i层开始的一个单元光纤排列顺序为AB，则下一个单元光纤的排列顺序为BA，反之亦然，如此交替重复，直至最后一层光纤。i的位置根据以下方法确定，按照上述相互位置关系排列的效果，本发明的光纤陀螺线圈比传统的光纤陀螺线圈，在相同的温度变化下，所引入的误差减小了约60％。

本发明提供一种精确确定并明显减少光纤陀螺的传感器线圈中温度引起的热非互易效应所引起误差的方法，具体方法如下：

(1)、确定陀螺的传感器线圈的内、外径，绕制层数、每层圈数、线圈初始结构，根据线圈的内、外径，绕制层数、每层圈数、线圈初始结构的参数，确定陀螺的传感器线圈各层在光路中的位置坐标；

(2)、基于有限差分法，求出外界环境温度变化时，陀螺的传感器线圈沿径向各层的温度变化情况；

(3)、根据已知的陀螺的传感器线圈各层位置坐标及温度变化情况，并经过归一化处理确定各层光纤对陀螺的传感器线圈的温度误差的贡献量的极性和大小；

(4)、根据陀螺的传感器线圈各层对误差的贡献量的极性和大小，调整陀螺的传感器线圈中位于光路中特定位置上的各层光纤相互间的排列顺序，从而改变陀螺的传感器线圈各层误差贡献量的极性和大小，使得温度效应在线圈的某些区域引入的非互易相移误差，能够与温度效应在线圈其他区域引入的非互易相移误差幅值相近、极性相反，因此相互抵消，从而减小总输出误差。直至陀螺的传感器线圈总的温度误差最小。