【摘要】：光纖陀螺是第三代慣性測(cè)量組合的核心部件,是一種基于Sagnac效應(yīng)的角速度傳感器。因其具有全固態(tài)、高動(dòng)態(tài)、低成本、質(zhì)量輕,長(zhǎng)壽命、動(dòng)態(tài)范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于船舶、潛艇等各種船用載體上。經(jīng)過多年的發(fā)展,我國光纖陀螺技術(shù)的已日趨成熟,特別是光纖環(huán)繞制等關(guān)鍵技術(shù)的突破,使高精度光纖陀螺進(jìn)一步發(fā)展成為可能。為滿足船用光纖陀螺導(dǎo)航設(shè)備高精度、長(zhǎng)航時(shí)的需求,往往會(huì)選擇大直徑、長(zhǎng)距離的光纖環(huán),隨著光纖長(zhǎng)度的增加,光纖環(huán)繞制難度不斷提升,其對(duì)溫度和應(yīng)力等環(huán)境物理場(chǎng)的敏感程度也會(huì)顯著增加。因此,針對(duì)復(fù)雜物理場(chǎng)情況下的環(huán)境適應(yīng)性研究是船用光纖陀螺工程應(yīng)用研究的重要組成部分。在此背景下,本文深入研究光纖陀螺溫度-應(yīng)力交聯(lián)耦合效應(yīng)對(duì)光纖傳輸特性的影響,建立考慮溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等因素條件下的光纖陀螺漂移誤差模型,揭示陀螺漂移與物理場(chǎng)及光纖環(huán)各參數(shù)之間的關(guān)系,尋找抑制漂移誤差的手段,具體研究工作主要包括以下幾個(gè)方面:首先,分析溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)光纖折射率和長(zhǎng)度的影響,以此為依據(jù)推導(dǎo)光纖環(huán)非互易性相位差的表達(dá)式。進(jìn)一步在非互易性相位差表達(dá)式和Sagnac效應(yīng)的基礎(chǔ)上,將光纖環(huán)等效半徑、光纖長(zhǎng)度變化、尾纖不對(duì)稱和跨層躍遷等以往分析中忽略的因素添加到誤差模型中,分別定義光纖環(huán)權(quán)重矩陣和四個(gè)物理場(chǎng)矩陣,然后根據(jù)矩陣空間的內(nèi)積定理,將原有累加求和形式的陀螺漂移誤差推導(dǎo)成為四對(duì)矩陣內(nèi)積的形式,不僅使誤差模型更加簡(jiǎn)明易懂,還可提高運(yùn)算效率。最后,推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)四極對(duì)稱光纖環(huán)權(quán)重矩陣的計(jì)算公式,完成溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和多因素條件下內(nèi)積形式的光纖陀螺漂移誤差模型的建立。其次,通過對(duì)光纖陀螺有限元模型的仿真分析,確定光纖環(huán)的邊界條件,并以此建立包含光纖芯層、涂覆層、固膠、墊紙等多種材料的光纖環(huán)三維物理模型,詳細(xì)分析耦合作用下光纖環(huán)內(nèi)部溫度和應(yīng)力分布(X方向應(yīng)力、Y方向應(yīng)力、Z方向應(yīng)力)情況,結(jié)合光纖陀螺漂移誤差模型,完成溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下陀螺漂移誤差的計(jì)算,分析光纖環(huán)內(nèi)物理場(chǎng)分布的對(duì)稱性對(duì)于抑制陀螺漂移誤差的重要性。最后,使用應(yīng)力分析儀和高低溫溫箱,分別對(duì)定溫情況下光纖環(huán)內(nèi)部應(yīng)力分布和變溫環(huán)境下的陀螺輸出進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證本文提出的基于溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和多誤差因素的陀螺漂移誤差模型和考慮多種材料參數(shù)的光纖環(huán)物理模型的正確性。進(jìn)一步,基于本文提出的光纖陀螺漂移誤差模型與光纖環(huán)物理模型,定量分析光纖環(huán)層數(shù)、匝數(shù)、內(nèi)徑、截面比等尺寸參數(shù),光纖直徑和涂覆層材料,固膠材料與均勻性等參數(shù)對(duì)陀螺漂移誤差的影響情況,為光纖環(huán)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)、光纖和固膠材料選取提供指導(dǎo)原則,有助于進(jìn)一步改善光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性,提高陀螺精度。最后,針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)四極對(duì)稱繞法光纖環(huán)存在的缺陷,從降低光纖環(huán)物理場(chǎng)變化率和提高光纖環(huán)繞制質(zhì)量?jī)蓚�(gè)方面出發(fā),使用增加緩沖層、逐層躍遷和消除對(duì)墊紙依賴等方法,提出一種改進(jìn)的四極對(duì)稱繞法。并建立改進(jìn)四極對(duì)稱繞法光纖環(huán)的數(shù)學(xué)模型和物理模型,完成光纖環(huán)內(nèi)部物理場(chǎng)分布的數(shù)值計(jì)算,通過仿真證明改進(jìn)光纖環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)光纖環(huán)相比,有利于減小陀螺漂移誤差,提高環(huán)境適應(yīng)性。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)四極對(duì)稱繞法光纖環(huán)對(duì)于抑制陀螺漂移誤差的良好效果。
【圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文光纖陀螺導(dǎo)航設(shè)備因其具有高精度、長(zhǎng)航時(shí)的使用要求，故一般選擇光纖環(huán)，而隨著光纖長(zhǎng)度的增加，光纖環(huán)繞制難度會(huì)不斷提升，其對(duì)程度也會(huì)顯著增加，所以為了在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持光纖陀螺的使用精度，環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求，，所以研究光纖陀螺在復(fù)雜物理場(chǎng)環(huán)境提高船用光纖陀螺在長(zhǎng)航時(shí)情況下的精度具有重要的意義。上述，溫度、應(yīng)力和多種物理環(huán)境均會(huì)對(duì)船用光纖陀螺的性能產(chǎn)生巨注與深入研究溫度、應(yīng)力等多種物理場(chǎng)對(duì)于船用光纖陀螺工作過程的索多種物理場(chǎng)同時(shí)作用時(shí)的耦合特性，將有助于船用光纖陀螺工作精充分發(fā)揮。纖陀螺工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀纖陀螺的工作原理

第 1 章 緒論角速度的核心敏感元件用于產(chǎn)生 效應(yīng)中的光相位后光強(qiáng)信號(hào)，為 Y 波導(dǎo)提供電壓調(diào)制信號(hào)，并對(duì)外輸示，從光源發(fā)出的光波經(jīng)過耦合器和 Y 波導(dǎo)分為兩束纖環(huán)的順時(shí)針傳播，另外一束沿逆時(shí)針傳播，最終兩束的光波在 Y 波導(dǎo)中匯合發(fā)生干涉，干涉信號(hào)的強(qiáng)度隨測(cè)器檢測(cè)干涉信號(hào)的強(qiáng)度變化，可以獲得輸入的角速度螺角運(yùn)動(dòng)與光路中相位差之間的表達(dá)式，首先分析理想一個(gè)理想真空環(huán)境中的環(huán)形干涉儀，其半徑為R ，如Sagnac
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U666.12;TN253

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本文編號(hào)：2628484