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光纤陀螺用保偏光纤及光纤环测试方法研究

作　者: 韩书新
导　师: 李绪友
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 光纤陀螺保偏光纤光纤环有限元热应力
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光纤陀螺是一种惯性仪表,它是通过检测光纤环中顺、逆时针方向传输的两束光的光程差来测量载体速度的。其原理是基于Sagnac效应。光纤陀螺与传统陀螺相比,具有可靠性高、寿命长、动态范围大等优点,如今已成为惯性导航领域主流仪器。目前,我国的光纤陀螺精度与国外相比还比较低,其中对光纤陀螺性能影响最重要的一点,就出在光纤陀螺的重要部件光纤环上,光纤质量的好坏将直接影响光纤陀螺的检测精度。本文首先详细阐述了保偏光纤的结构与基本原理,通过分析光纤陀螺用保偏光纤光纤环绕制过程,得出保偏光纤在绕环过程,容易受到的弯曲和扭转应力作用而产生的形变,形变又会产生形变感生双折射。理论分析得出,形变感生双折射的对保偏光纤固有双折射会产生影响。并使用OptiFiber软件对保偏光纤的两种形变感生双折射进行了仿真。为了进一步研究熊猫型保偏光纤的双折射特性,运用有限元法及ANSYS软件,对熊猫型保偏光纤进行了热力学仿真。仿真结果清晰地表现出了熊猫型保偏光纤的保偏机理。通过对仿真结果的分析,得出了当保偏光纤温度提升时,会在光纤陀螺的检测端衍生出大量的交叉耦合,这中现象会对光纤陀螺检测精度造成严重的影响。通过对保偏光纤绕环方法及固胶的研究,得出了固胶前后光纤环内部典型结构光纤的热应力及双折射变化情况。固胶后的光纤环热致感生双折射较固胶前改善了许多。通过光纤陀螺使用环境的分析,仿真了保偏光纤环在使用过程中的温度场变化过程。持续加温会使光纤环内部产生温差,其大小与升温时间有关,这个温差会导致光纤陀螺性能的不稳定性。最后,针对光纤环温度性能测试进行研究,设计出一套用于光纤陀螺用光纤环的光功率检测方案。通过对不同光纤环的测试,并比较测试结果发现,光纤绕环时的不对称,会导致光纤陀螺的温度稳定性大大降低,对光纤陀螺的信号检测造成不利影响,为今后光纤陀螺用光纤环的检测提供了理论依据。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 光纤陀螺概述  10-11
  1.2 光纤陀螺国内外发展状况  11-13
    1.2.1 国外的研究现状  12-13
    1.2.2 国内的研究现状  13
  1.3 光纤陀螺的分类  13-15
  1.4 光纤陀螺的应用前景及发展方向  15-17
    1.4.1 光纤陀螺的应用前景  15-16
    1.4.2 光纤陀螺的发展方向  16-17
  1.5 课题研究的意义及主要研究内容  17-19
第2章光纤陀螺基本原理及结构  19-30
  2.1 引言  19
  2.2 Sagnac效应与光纤陀螺  19-21
    2.2.1 Sagnac效应  19-21
    2.2.2 光纤陀螺中的Sagnac效应  21
  2.3 光纤陀螺的互易性结构  21-24
    2.3.1 光路互易性原理  21-22
    2.3.2 光纤陀螺互易性结构  22-24
  2.4 干涉型光纤陀螺的工作方式  24-29
    2.4.1 开环干涉型光纤陀螺的基本结构  25-27
    2.4.2 闭环干涉型光纤陀螺的基本结构  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章保偏光纤的结构及原理  30-49
  3.1 保偏光纤概述  30-34
    3.1.1 单模光纤与保偏光纤的偏振态保持差别  31-33
    3.1.2 通信与光纤传感用保偏光纤的区别  33-34
  3.2 双折射与光弹效应  34-36
  3.3 保偏光纤的分类  36-41
    3.3.1 形状双折射保偏光纤  37-38
    3.3.2 应力双折射保偏光纤  38
    3.3.3 保偏光纤的双折射  38-41
  3.4 保偏光纤形变感生双折射分析  41-48
    3.4.1 保偏光纤的弯曲感生双折射  41-43
    3.4.2 保偏光纤的扭转感生双折射  43-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章光纤陀螺用保偏光纤结构与特性分析  49-65
  4.1 光纤陀螺用保偏光纤  49-50
  4.2 有限元理论基础与ANSYS软件  50-56
    4.2.1 有限元法的基本思想  50-51
    4.2.2 有限元法的实现环节及其优点  51-53
    4.2.3 有限元分析软件ANSYS 简介  53-55
    4.2.4 ANSYS软件的基本分析过程  55-56
  4.3 保偏光纤的热力学分析  56-63
    4.3.1 应力双折线保偏光纤  56-58
    4.3.2 熊猫型保偏光纤双折射特性有限元分析  58-62
    4.3.3 保偏光纤双折射温度性能仿真  62-63
  4.4 本章小节  63-65
第5章光纤环性能分析与测试方法  65-87
  5.1 光纤环结构分析  65-68
    5.1.1 光纤弯曲应力感生双折射  65-66
    5.1.2 光纤扭转应力感生双折射  66-67
    5.1.3 光纤环的绕制方法  67-68
  5.2 光纤环性能影响因素  68-69
  5.3 光纤环性能分析与热应力仿真  69-82
    5.3.1 光纤环内部光纤的热力学分析  69-71
    5.3.2 光纤环固胶前后热应力有限元分析  71-76
    5.3.3 固胶前后典型结构光纤的应力与双折射变  76-78
    5.3.4 光纤环温度场变化仿真  78-82
  5.4 光纤环测试系统的设计  82-86
    5.4.1 光纤环测试方案设计  82
    5.4.2 光纤环测试实验步骤  82-83
    5.4.3 测试结果与分析  83-86
  5.5 本章小结  86-87
结论  87-88
参考文献  88-92
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  92-93
致谢  93

光纤陀螺用保偏光纤及光纤环测试方法研究

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