双光程光纤陀螺的温度致非互易性研究(英文)

为了提高陀螺的精度,提出了一种新型双光程光纤陀螺.在光纤环两端各连接一个偏振分束器,使得偏振光依次沿保偏光纤的快轴、慢轴传输两圈,其有效光程加倍,进而实现陀螺的Sagnac效应加倍.针对该光纤陀螺在温度场扰动下的非互易问题,分析了其特殊结构带来的温度致非互易误差,利用有限元分析法建立了相应的Shupe误差模型,并对光纤环90°熔点位置、光纤环折射率温度系数改变对Shupe误差影响进行了相应的理论计算与仿真分析,结果表明90°熔点置于光纤环中点或者选用折射率温度系数满足特定条件的光纤环可减小其Shupe误差.     

多维温度场对光纤环Shupe效应误差影响的理论分析

光纤环作为干涉型光纤陀螺的核心敏感元件,易受时变温度环境引起的Shupe非互易性相移的影响,进而严重降低对于惯性空间转动的测量精度.本文推导了目前广泛应用的四极绕法光纤环的温度效应误差模型,分析了沿光纤环径向、轴向与圆周方向多维温度场对于零偏漂移的影响机理并进行了仿真验证.研究结果表明,径向与轴向的瞬态温场引起的零偏误差正比于光纤环各层外内壁温变速率之差的加权和,并且随着接近光纤进出的顶层,其所占份额将线性增大.圆周方向的零偏误差则取决于光纤进出端与长度中点连线两侧温变速率空间分布的对称性,并且当不均匀的温度场分布远离进出端时,其影响将减小.以上发现可为复杂温度环境下工作的陀螺仪表与惯性导航系统的热结构设计提供理论指导与工程参考.     

光纤陀螺温度误差模型研究

对由Shupe效应引起的误差进行了理论分析,光纤环径向温阶会产生光纤陀螺零偏漂移。设计和完成了测量环境温度对光纤温度的影响试验,环境温度变化率与Shupe效应误差存在线性关系。在此基础上,设计和完成了在测量环境温度变化时光纤陀螺输出的试验,分别使用环境温度变化率的一阶、二阶和三阶项对陀螺输出的变化趋势进行建模,对模型的有效性进行了验证。结果表明:一阶模型与二阶、三阶模型相比,模型更简单、稳定性更高,能够准确地反映由Shupe效应引起的误差值,补偿效果好,与理论分析结果相符。     

干涉光路装配应力对称性对Shupe误差的影响

Shupe误差是影响高精度光纤陀螺工程应用的主要技术瓶颈之一,针对高精度光纤陀螺装配封装后温度性能劣化的问题,对光纤陀螺光路进行了温度误差分析,揭示了干涉光路装配应力对Shupe误差的影响机理,并对不同状态下装配应力引入的温度误差进行了测试,选取初装全温零偏极差均为0.11(°)/h的3只光纤陀螺,并以粘接光纤环和Y波导尾纤的方式控制装配应力对称性,当尾纤粘接长度为30 cm时,2只装配应力对称性较差的光纤陀螺全温零偏极差变为0.24(°)/h和0.43(°)/h,温度性能出现明显劣化,装配应力对称性较好的光纤陀螺全温零偏极差为0.13(°)/h,温度性能未出现明显劣化.实验结果表明,干涉光路装配应力不对称会引起光纤陀螺温度性能出现明显劣化,且劣化程度与装配应力对称性直接相关,装配应力对称性越好,温度性能劣化越小.     

随钻测斜仪中光纤陀螺光纤环Shupe效应仿真

针对井下近钻头处随钻测斜仪内径受限、井下环境温度梯度大等特殊恶劣环境,设计了一种用于测量石油井眼轨迹惯性的椭圆柱形光纤陀螺。由于光纤环存在热致非互易相移问题,以光纤环的Shupe误差为基础,采用4极对称绕法,建立了椭圆柱形光纤环的三维温度瞬态响应数学模型。结合光纤陀螺实际的工作环境,利用有限元法对椭圆柱形光纤环进行了数值仿真,定量分析其工作温度梯度下光纤环的Shupe误差,实验验证了模型的正确性。在光纤长度、光纤环层数和光纤环半径一定的条件下分别对圆柱形光纤环和椭圆柱形光纤环施加相同的温度激励,比较两种光纤环的热致误差速率。结果表明:椭圆柱形光纤环热致误差速率比圆柱形光纤环小35%~39%,在满足井下测量仪器体积受限的同时,可提高井眼轨迹惯性测量的精度。     

对轴误差对光纤陀螺输出的影响

理论分析并试验研究了Y波导保偏尾纤与保偏光纤线圈之间熔接点的对轴误差对光纤陀螺输出的影响.根据简化的光纤陀螺光路误差模型,对光纤陀螺的输出相位误差与光路中主要耦合点的对轴误差的关系进行了理论推导和仿真分析,并利用一个实际的闭环光纤陀螺试验研究了主要熔接点的对轴误差变化对光纤陀螺零偏和零偏稳定性的影响.结果表明,Y波导保偏尾纤与保偏光纤线圈之间的对轴误差是引起光纤陀螺输出误差的重要因素,必须尽量减小.     

交叉子光纤环的理论与实验研究

光纤环是光纤陀螺中的核心部件。光纤环所处的环境因素，如温度、应力引起的非互易性相位噪声，制约了光纤陀螺向高精度、实用化的发展。通过有限差分法，对光纤环的Shupe效应作了研究，对四极子光纤环在非稳态传热的过程中的温度场进行数值求解，分析了光纤环在试验提供的温度环境下的温度零漂。提出了光纤环交叉子绕制方案。     

一种微型光纤陀螺环境适应能力的提升设计

双折射效应、Shupe效应等与温度相关的效应和部分结构较脆弱的光学器件等因素,使某微型光纤陀螺不能在宽温度范围和高冲击环境条件下正常工作。通过有限元热仿真分析和隔冲理论计算进行结构优化设计保证某微型光纤陀螺在-45~65℃的温度范围和3 000g的半正弦冲击下正常工作。实验证明该优化设计方案在确保光纤陀螺测量精度指标的同时,大幅提高了该型号光纤陀螺的环境适应能力。     

保偏光纤陀螺横向磁场误差的温度依赖性

针对无骨架光纤环的保偏光纤陀螺中横向磁场误差的温度依赖性研究发现,保偏光纤线双折射以及Verdet常数固有的温度依赖性可以导致横向磁场误差随着温度变化而变化。利用琼斯矩阵方法推导了保偏光纤陀螺横向磁场误差与温度的关系,并进行了实验验证。实验结果表明,对于长度为1km,半径为6cm,光纤线双折射为2027rad·m-1,最大扭转率为0.382rad·m-1的无骨架光纤环,在1mT横向磁场以及-40~60℃温度场作用下,光纤陀螺的横向磁场误差由26.51(°)·h-1增加到30.43(°)·h-1。     

谐振式光纤陀螺背向散射噪声抑制研究

背向散射噪声是谐振式光纤陀螺的主要噪声之一。基于载波抑制法降低背向散射噪声的原理,建立了温度和电压对陀螺零偏影响的数学模型,理论证明此方法受温度影响较大且对电路要求较高。提出了三频差动谐振式光纤陀螺新方案,该方案通过谐振腔内运行三束频率间隔较大的光波来抑制背向散射噪声。与传统二频闭环陀螺进行了对比试验,结果表明:新方案能有效地降低陀螺噪声,最大陀螺零偏和零偏稳定性改善约4倍。     

光纤陀螺光纤环的热应力分布仿真分析方法

针对光纤线圈较容易受温度影响的问题,从热至应力的角度,推导了由热应力导致的光纤陀螺的相位差离散数学公式,并在此基础上,对四级对称绕法绕制的无骨架光纤环建立了有限元模型。结合光纤陀螺工作环境的栽荷和边界条件对其不同温度下的热应力分布进行仿真分析。仿真分析结果表明,光纤环内侧受到的热应力较大,高低温下热应力值分别达到最大和...     

Analysis of bias thermal stability of interferometer fiber-optic gyroscope using a solid-core polarization-maintaining photonic crystal fiber

Bias thermal stability of a fiber-optic gyroscope using polarization-maintaining photonic crystal (PM-PCF) was studied. The thermal sensitivity of birefringence in PM-PCF and polarization cross talking in fiber coil was measured. Using an OCDP method, the polarization cross talking causing phase error of the fiber-optic gyroscope (FOG) was analyzed. The contrast experiment result of the FOGs with the PM-PCF coil and PMF coil showed that using PM-PCF instead of PMF can improve the FOG’s bias thermal stability by about 50 %.     

65T脉冲强磁体设计与实验研究

研制并实验测试一台65T脉冲强磁场磁体。磁体线圈采用14层纯铜导线与Zylon纤维交替缠绕而成,内绕组采用分布式加固技术,实现应力分布的优化,外层由不锈钢套筒与碳纤维加固。内外绕组分别采用两种不同横截面导线平衡能量分布,实现内外绕组温度分布相对均匀,避免局部过热。磁体孔径为12mm,高为120mm,通过1MJ/3.2mF/25kV高储能密度电容器供电,在20.6kV电压时,获得了磁感应强度为65T、持续时间为20ms的脉冲磁场。     

基于温度激励的光纤陀螺光纤环瞬态特性检测

光纤陀螺基于萨尼亚克效应测量垂直于光纤环平面的敏感轴方向上的旋转分量。光纤环是光纤陀螺的核心部件,光纤环的缠绕质量直接影响着光纤陀螺的整体性能,对光纤环的缠绕质量全面检测十分必要。针对目前光纤环检测手段的局限性,提出了一种基于温度激励的光纤陀螺光纤环瞬态特性检测方法,全面表征了光纤环的缠绕质量。建立了光纤环柱面坐标三维计算模型,采用有限元方法定量分析光纤环不对称度和局部温度激励位置精度对光纤环瞬态响应的影响,同时开展了光纤环温度激励相应实验,实验结果与光纤环三维物理模型数值计算结果相一致,在理论和实验上验证了光纤环瞬态特性检测方法的可行性。     

10T脉冲磁场的亥姆霍兹线圈热和力分析

亥姆霍兹线圈在产生数十T的准静态脉冲磁场的装置中得到广泛应用。以自行研制的一套用于磁压剪实验技术的脉冲磁场发生系统的亥姆霍兹线圈为研究对象,结合装置的电参数,利用有限元软件ANSYS对装置放电过程中线圈的热和力进行了仿真研究。研究结果表明,当装置在线圈中产生上升时间约1.34 ms、幅值14.37 kA的放电电流和10.7 T的磁场时,线圈中的最大温升约150℃,最大应力近0.5 GPa,铜导线中的最大应力约0.2 GPa,线圈导线变形位移小于0.05 mm。基于分析结果,在线圈制作时,选择绝缘层耐温超过200℃、抗拉强度0.5 GPa的铜导线作为线圈绕线,选择抗拉强度达5.8 GPa的柴龙纤维绕制在铜导线外层进行加固,并制作了相应结构的亥姆霍兹线圈对。利用该线圈对进行的放电实验测试结果表明,在满足设计指标的情况下,线圈对结实可靠,可重复使用。     

植入碳纤维蜂窝夹芯结构的光纤光栅热载荷响应光谱研究

针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求,研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅(FBG)反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层,通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱,得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。研究表明,碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高,中心波长向长波方向漂移,且波形未出现明显改变。埋植于外蒙皮第二、三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、多峰等啁啾效应,其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移,主峰峰值幅度变化较小,温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1,而右侧次峰幅度显著增大,温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1;埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低,其半波峰带宽逐渐增大,变化率约为3.19 pm·℃-1,且出现显著多峰趋势,这是由于层间热应力分布不均匀所形成。在-70~+60 ℃温度范围,各植入层热应变均随温度升高而增大,且变化趋势相接近,而在+60~+120 ℃温度范围内,各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。     

光纤陀螺温度补偿方案研究

从理论上分析了光纤陀螺敏感环的热致非互易相位噪声,建立了光纤环温度分布模型。针对四种通常的光纤敏感环绕制方法（ＺＹＬ,ＳＹＭ,ＤＩＰ,ＱＵＡ）对于由外界环境温度变动所引起的光纤陀螺零位漂移进行了数值模拟与比较,并给出了对应于外界环境温度变化过程中的光纤陀螺零位漂移补偿方案。     

有机电致发光器件的封装热特性研究

有机电致发光器件的稳定性与其封装结构密切相关,封装技术的优劣直接影响有机电致发光二极管器件的寿命.本文采用热阻抗模型对三种常用有机电致发光二极管器件封装结构进行热阻抗分析,并利用ANSYS有限元分析软件的热分析模块对热特性进行研究,得出各种器件封装结构的温度场分布,根据温度场分布比较得出各种封装结构散热性能的差异.分析得出,传统后盖式封装结构与混合封装结构散热效果相差不大,Barix封装结构具有最好的散热性能.模拟仿真结果显示,当玻璃厚度从0.5 mm增加至0.9 mm时,传统封装结构的发光层温度升高了0.124℃,Barix封装结构的发光层温度升高了0.262℃,表明玻璃层厚度的增减对有机电致发光二极管器件的散热影响较小.改变器件表面空气流动速度,使对流系数从25W/(m²·K)变为85W/(m²·K)时,传统封装结构有机电致发光二极管发光层的温度由42.911℃递减到26.85℃,可见增大表面空气流动速度对降低有机电致发光二极管有源层的温度作用显著.     

Theoretical analysis of the heat dissipation mechanism in high power photonic crystal fiber lasers

Starting from the special structure of photonic crystal fiber (PCF), the heat dissipation model of a PCF laser is constructed. Based on the heat dissipation model, the temperature distributions along the radial and axial directions of the PCF (DC-Yb-17040) for forward pump of 200 W and two-end pump of 100 W each side are calculated numerically by using the finite element method (FEM). The results show that the temperature distribution for two-end pump mode is more even than that for forward pump mode and the maximum temperature in the fiber decreases by 178.16 °C. With the thermal power in fiber core being assumed to be fixed, the effects of the core radius, outer cladding radius, and air-clad width on the temperature distribution along the fiber are analyzed numerically. The results show that the changing of core radius only affects the temperature in core region slightly and the decreasing of air-clad width decreases the temperature in inner cladding and core regions effectively. Meanwhile, the temperature of the whole fiber can be decreased by increasing the cladding radius.