误差补偿可实现性强, 成本低且效果好, 这也是光纤陀螺走向实用化的必要环节[ 1- 2]。 feHAZ.8rp+
1.光纤环误差分析 F\72^,0
导致光纤陀螺仪温度误差的原因很多, 光纤环本身的温度特性是其中重要一项。分析光纤陀螺的温度特性首先要考虑光纤环的特性。目前国内光纤环的制造中常用的技术为: 光纤骨架采用硬铝加工, 光纤环绕制采用四级对称绕制, 光纤环的固化采用光固化胶或者热固化胶。 >*CK@"o
光纤环受温度影响会产生非互易相移, 沿光纤线圈长度为L 上距离端点A 为z 处的一段光纤产生的非互易相移为(1)从式 (1) W<l(C!{
中可知, 环境温度变化引起的相移与温度变化率dT ( z, t ) /dt和位置的权因子( L - 2z ) 成正比, 距离光纤环中点越远, 权因子越大。最重要的是,相对于光纤中点的两段光纤上热扰动所引起的非互易相移可以抵消, 这也是普遍采用四级对称绕制的原因。 ZK*aVYnu
但是, 光纤环在实际制造过程中存在很多问题, 比如: l))IO`s=_
①光纤环在绕制过程中应力不均匀, 特别是与骨架接触的最内层光纤,骨架的热膨胀系数与光纤的热膨胀系数不匹配;. [)u{ -
②光纤环在绕制过程中没有严格关于中点对称,或者是光纤长度计量不准确; h]9^bX__Z
③光纤骨架加工存在缺陷, 硬铝材料的应力释放不均匀; pdq h'+5
④光纤固化胶在绕制过程中涂抹不均匀等。 H4jqF~
以上诸多因素可以导致光纤环在使用过程中温度特性变差, 难以达到理论分析的精度。 ZeV)/g,w
2. 输入轴失准角误差分析 6>J#M
输入轴失准角#m (inpu t ax is m isalignment)定义为光纤陀螺安装面垂直轴IRA ( input reference ax is)与输入轴IA 之间的夹角。光纤陀螺仪输入轴IA表示垂直于光纤环圈等效平面的轴, 当陀螺仪绕IA 轴旋转时将引起最大输出量。光纤陀螺仪失准角如图1所示。 4f,x@:Jw
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图1.. 光纤陀螺失准角示意图 F
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光纤陀螺仪失准角是一个综合误差项, 包括多个误差项的累加, 如台体结构件的稳定性、安装面误差和光纤环形变等。失准角误差可以分为常值误差和温度敏感误差, 常值误差主要由陀螺台体结构件加工精度、陀螺安装面平面度和光纤环安装误差等因素导致, 常值误差不随陀螺仪的使用环境变化而发生变化; 温度敏感误差可以用失准角温度灵敏度的概念表示, 即光纤陀螺输入轴失准角的变化量与温度变化的比值, 单位为rad / . 1 。光纤陀螺仪失准角受温度影响的机理大致有下面几种情况: 一种情况为光纤环采用保偏光纤绕制, 绕制过程中一般采用杨氏模量较小的固化胶进行固定, 固化胶的用量在实际绕环中很难控制, 光纤环内部胶分布不均匀会导致光纤环受温度影响产生物理尺寸形变; 另外一种情况为光纤环在绕制过程中, 内部应力释放不均匀, 导致在温度不同的情况下导光特性发生了改变, 光纤环随制造工艺的不同, 光纤环光学矩阵参数很难确定, 误差产生机理定位十分困难。 NE"fyX`
根据测试数据分析, 失准角随温度变化的原因是光纤环本身的温度特性, 该误差量相对于温度呈近似 G$<0_0GF
线性关系。如 图2为光纤陀螺相对于两个投影面的失准角随温度变化的数据。 gvYs<,:
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图2.. 光纤陀螺失准角全温测试 b"9,DQB=i
在实际使用中, 失准角的变化将直接导致光纤陀螺仪标度因数误差增大, 失准角的变化量与标度因数误差的对应关系可表示为: ..K = 1-cos( #m ), ..K 为标度因数的变化量, 对于具体陀螺大致可以表示为表1。实测多套光纤陀螺仪, 失准角在较宽的温度范围( -40~ + 60 . )变化量大致在2 10- 4 rad, 相当于标度因数误差近100ppm, 所以, 在光纤陀螺测试与使用表1 ..表1 失准角与标度因数对应表