[发明专利]一种消除外界环境因素影响的光纤环

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域；特别涉及通过给光纤环增加隔热层，消除由于外界温度变化对于光纤环对称性影响，从而实现提高光纤环质量。

背景技术

光纤环是光纤角度传感器(又称光纤陀螺)的核心部件，它的质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前，传统的光纤环多是将光纤环绕制在金属骨架上，然后将光纤环装配到角度传感器当中。角度传感器通常包括一些有源器件，包括光源、调制器、光探测器等；这些器件在工作过程当中往往会散发热量，这些热量往往是局部的，不连续的不均匀的，这些热量会在光纤环上产生局部温度梯度，从而给光纤环产生非互易度，造成角度传感器的精度降低。另外，整个角度传感器在使用过程中，其整体使用环境温度的变化，如在水下、外太空的低温和高速飞行产生的高温等，都可能会对光纤环的对称性造成影响。

光纤陀螺(Fiber Optic Gyro，FOG)的原理是基于Sagnac效应，也即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。一束光进入光纤环的闭合光路中，被分成两束在同一光路中沿闭合光路相向传播，当光路不发生旋转的时候，两束光会同时回到光的初始注入点，这种情况下，光路的特性称之为是具有互易性(光从两个方向入射的效果是相同的)。在光路发生转动的时候，与旋转同向传播的光会比反向传播的光所经历的路程要长(这个时候的光路被称之为具有非互易性)。从而产生了与转动角速度成正比的光程差。这个光程差可以通过干涉法测量来确定，这种光路中的相位变化可通过光电探测器将干涉光信号转变成电压信号输出来检测。由于输出信号与转动引起的相位差呈余弦函数关系，为了获得高灵敏度，需要调制来施加偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点。

光纤环是光纤陀螺的传感核心部件，它对光纤陀螺来说，既是提高精度的重要途径，同时也是主要影响精度的因素。光纤环在绕制过程中需采用特殊的缠绕方式、精密的绕制技术，来保证光纤环具有高质量的静态特性(低的偏振串音、低的插入损耗等)和高质量的瞬态特性(抗振动、抗冲击、不受环境温度和磁场的影响)。

光纤环在具体的应用中即会受到来自光纤陀螺应用环境中的机械张力、振动、冲击和温度梯度等因素引起的环境干扰，同时，光纤陀螺中的有源电路和光学器件也会产生热量，这些环境干扰对相向传播的两束光信号影响不同时，会产生附加相位漂移误差。这种瞬态效应会妨碍Sagnac相位差的精确检测。

光纤环绕制不对称易产生热致非互易性相移；光纤环绕制技术不完善除了会导致光纤环插入损耗增大和保偏光纤环出现消偏性以外，光纤环绕制过程中的应力(缠绕的压应力、弯曲应力和扭曲应力等)会造成光纤环性能下降和应力产生的非互易性相移，等等。这些均作为光纤环路中的光路缺陷，对传输于光纤环中光波相位产生影响，从而降低光纤陀螺的整体精度。

在光纤环绕制中，目前普遍所采用多极对称绕法，这种绕制方法虽然在一定程度上能改善光纤环瞬态特性。但因为这种绕制方法，操作复杂，不可避免地会在绕制中出现一些光纤爬升、塌陷、交叉等缺陷，会影响光纤环的性能。另外，以目前绕制工艺来说，绕制出来的光纤环，两个干涉臂的长度无法保证其绝对的对称性；即便是两干涉臂光纤长度绝对一致，由于上述绕制缺陷，也会造成两个干涉臂的等效不对称。这种等效不对称度的存在，当外界的温度发生变化的时候，由于热传导的过程在光纤环当中产生温度梯度，会使得这种不对称度在光纤陀螺运行过程中产生非互易度，就会影响光纤陀螺角度传感的测量精度；而且，这个温度梯度越大，则非互易度就越大，光纤陀螺的精度偏差也就越大。在现实应用当中，外界温度变化越剧烈，即快速升温或者快速降温，或者温度在短时间内发生周期性或非周期性的升温降温，都更会引起上述温度梯度的加大。

造成外界因素影响光纤环特性还有一个因素，就是目前光纤陀螺用光纤环普遍采用有骨架的结构，而光纤环骨架通常是金属材料制成。因为金属材料热胀系数和光纤的热胀系数有很大的差别，当外界温度发生变化时，由于两者的膨胀变形不同，从而使得光纤的张紧度发生变化，也就使得光纤内部的应力产生变化，进一步造成了光纤环的对称度变化，影响了光纤陀螺的正常运行。

当前对于光纤陀螺受温度影响产生误差的认识还具有局限性，通常把这种误差归咎于光纤环外围电路系统和其它器件的影响，而没有将注意力放在温度对于光纤环性能影响上，所以在从根本解决外界温度变化对于光纤陀螺特性影响方面还做得不到位。

发明内容