一种大动态范围谐振式光纤陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种大动态范围谐振式光纤陀螺，属于光学传感的技术领域，解决了目前光学陀螺动态范围小及其不可调、难以满足旋转速度变化范围大的场所的需求，对光进行相位调制才能分辨旋转速度方向的问题，包括第一和第二电压信号源、激光器、偏振控制器、光纤耦合器、光纤环、压电陶瓷管、探测器和信号处理及控制系统，本发明专利技术利用压电陶瓷管控制光纤谐振腔的腔长，从而获得大的动态范围，同时，利用一个窄线宽激光器输出连续、强度恒定、频率可调谐的窄线宽激光，获得光纤谐振腔的透射谱，对谐振频率的精确定位，可同时获得旋转速度大小及方向，本发明专利技术具有动态范围大、测量旋转速率范围大、不对光进行相位调制就能分辨旋转速度方向的优点。的优点。的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种大动态范围谐振式光纤陀螺


[0001]本专利技术涉及光学传感的
，具体涉及一种大动态范围谐振式光纤陀螺。

技术介绍

[0002]1976年，美国Utah大学的V.Vali和R.W.Shorthill成功研制了第一个光纤陀螺，光纤陀螺具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、数字输出、体积小、成本低等优点，除此之外，光纤陀螺还克服了激光陀螺中的闭锁现象等致命缺点，因此，光纤陀螺一问世就在国际上引起了许多大学和科研机构的关注，得到了迅速地发展。
[0003]目前的谐振式光纤陀螺采用一个单模光纤制作的光纤谐振腔，当陀螺旋转时，光纤谐振腔的谐振频率会随旋转角速度而变化，所以通过探测光纤谐振腔谐振频率的变化，可测量旋转角速度。但目前的谐振式光纤陀螺的动态范围小、且动态范围固定，难以满足旋转速度变化范围大的场所的需求；另一方面，目前的谐振式光纤陀螺包含相位调制器件，通过在相位调制器件上加载电压信号对光进行调制，才能分辨旋转速度方向，这种分辨旋转速度方向的方式增加了陀螺系统的复杂性、引入了相应的噪声，降低了传感的精度。

技术实现思路

[0004]基于以上不足之处，本专利技术提供一种大动态范围谐振式光纤陀螺，解决了目前谐振式光纤陀螺动态范围小、动态范围固定、难以满足旋转速度变化范围大的场所的需求、且必须对光进行相位调制才能分辨旋转速度方向的问题。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：一种大动态范围谐振式光纤陀螺，包括第一电压信号源、激光器、偏振控制器、光纤耦合器、光纤环、压电陶瓷管、第二电压信号源、探测器和信号处理及控制系统；所述的第一电压信号源的第一信号输出端连接激光器的调制信号输入端，所述的第一电压信号源的第二信号输出端连接信号处理及控制系统的第一信号输入端，所述的激光器的光输出端连接偏振控制器的光输入端，所述的偏振控制器的光输出端连接光纤耦合器的第一光输入端，所述的光纤环分别连接光纤耦合器的第二光输入端、第二光输出端，所述的光纤环缠绕并固定在压电陶瓷管的外表面，所述的光纤耦合器为2
×
2光纤耦合器，所述的第二电压信号源的信号输出端连接压电陶瓷管的信号输入端，所述的第二电压信号源的信号输入端连接信号处理及控制系统的第一信号输出端，所述的光纤耦合器的第一光输出端连接探测器的光输入端，所述的探测器的信号输出端连接信号处理及控制系统的第二信号输入端，所述的信号处理及控制系统的第二信号输出端输出陀螺输出信号；
[0006]所述的光纤耦合器和光纤环构成光纤谐振腔；所述的激光器输出连续、强度恒定、频率可调谐的窄线宽激光，所述的激光的线宽小于光纤谐振腔的透射谷的线宽，所述的激光的频率由激光器的调制信号输入端的电压大小相对应，电压越大则激光频率越大，电压越小则激光频率越小；所述的第一电压信号源的第一信号输出端、第二信号输出端输出相同的周期三角波电压信号，此周期三角波电压信号的电压最大值为U2、电压最小值为U1，此
周期三角波电压信号加载到激光器的调制信号输入端，使激光器输出的激光的频率调谐范围等于光纤谐振腔静止时的自由谱宽；
[0007]所述的压电陶瓷管的外径变化与其信号输入端的电压大小相对应，电压越小则压电陶瓷管的外径越大，电压越大则压电陶瓷管的外径越小；
[0008]所述的第二电压信号源的信号输出端输出直流电压信号，所述的直流电压信号加载到压电陶瓷管的信号输入端，控制压电陶瓷管的外径大小；
[0009]本光纤陀螺在工作时，所述的信号处理及控制系统输出控制信号送入第二电压信号源，使第二电压信号源输出的电压值为0；然后，第一电压信号源输出周期为T的三角波电压信号送入信号处理及控制系统，并将此三角波电压信号加载到激光器的调制信号输入端，同时，周期为T的光纤谐振腔的透射谱由探测器探测，探测器输出的透射谱信号进入信号处理及控制系统；然后，信号处理及控制系统获取三角波电压信号和透射谱信号，如果透射谱信号中没有透射谷，则信号处理及控制系统输出控制信号送入第二电压信号源，使第二电压信号源输出的直流电压信号的电压值逐渐增大，从而使压电陶瓷管的外径逐渐减小、光纤环的半径逐渐减小，直至透射谱信号中出现透射谷为止；然后，信号处理及控制系统在同一时间轴上对比三角波电压信号和透射谱信号，截取三角波电压信号和透射谱信号的同一个周期，以三角波电压信号的电压最小值U1所对应的时刻为时间原点，读取透射谱信号中透射谷的最小透射率处对应的时刻t1，如果时刻t1大于时刻t0，则旋转速度方向为顺时针，如果时刻t1小于时刻t0，则旋转速度方向为逆时针，由时刻t1与时刻t0的差的绝对值，获得旋转速度大小；其中，所述的时刻t0是本光纤陀螺在静止条件下，以第一电压信号源输出的周期为T的三角波电压信号的电压最小值U1，信号处理及控制系统在同一时间轴上对比三角波电压信号和透射谱信号，截取三角波电压信号和透射谱信号的同一个周期，以三角波电压信号的电压最小值U1所对应的时刻为时间原点，读取透射谱信号中透射谷的最小透射率处对应的时刻；最后，信号处理及控制系统输出陀螺输出信号，陀螺输出信号包含旋转速度大小及方向。
[0010]进一步的，所述的信号处理及控制系统包括采样滤波电路和对比输出电路；采样滤波电路的第一信号输入端为信号处理及控制系统的第一信号输入端，采样滤波电路的第二信号输入端为信号处理及控制系统的第二信号输入端，对比输出电路的第一信号输出端为信号处理及控制系统的第一信号输出端，对比输出电路的第二信号输出端为信号处理及控制系统的第二信号输出端；第一电压信号源的第二信号输出端连接采样滤波电路的第一信号输入端，所述的探测器的信号输出端连接采样滤波电路的第二信号输入端，采样滤波电路的第一信号输出端连接对比输出电路的第一信号输入端，采样滤波电路的第二信号输出端连接对比输出电路的第二信号输入端，对比输出电路的第一信号输出端连接第二电压信号源的信号输入端，对比输出电路的第二信号输出端输出陀螺输出信号。
[0011]进一步的，本光纤陀螺在工作时，所述的对比输出电路输出控制信号1送入第二电压信号源，使第二电压信号源输出的电压值为0；然后，采样滤波电路采样第一电压信号源输出的周期为T的三角波电压信号、并将三角波电压信号送入对比输出电路，同时，采样滤波电路采样探测器输出的周期为T的透射谱信号，对透射谱信号进行滤波后送入对比输出电路；对比输出电路获取三角波电压信号和透射谱信号后，如果透射谱信号中没有透射谷，则对比输出电路输出控制信号2送入第二电压信号源，使第二电压信号源输出的直流电压
信号的电压值逐渐增大，从而使压电陶瓷管的外径逐渐减小、光纤环的半径逐渐减小，直至透射谱信号中出现透射谷为止；然后，对比输出电路在同一时间轴上对比三角波电压信号和透射谱信号，截取三角波电压信号和透射谱信号的同一个周期，以三角波电压信号的电压最小值U1所对应的时刻为时间原点，读取透射谱信号中透射谷的最小透射率处对应的时刻t1，如果时刻t1大于时刻t0，则旋转速度方向为顺时针，如果时刻t1小于时刻t0，则旋转速度方向为逆时针，由时刻t1与时刻t0的差的绝对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大动态范围谐振式光纤陀螺，包括第一电压信号源、激光器、偏振控制器、光纤耦合器、光纤环、压电陶瓷管、第二电压信号源、探测器和信号处理及控制系统；其特征在于：所述的第一电压信号源的第一信号输出端连接激光器的调制信号输入端，所述的第一电压信号源的第二信号输出端连接信号处理及控制系统的第一信号输入端，所述的激光器的光输出端连接偏振控制器的光输入端，所述的偏振控制器的光输出端连接光纤耦合器的第一光输入端，所述的光纤环分别连接光纤耦合器的第二光输入端、第二光输出端，所述的光纤环缠绕并固定在压电陶瓷管的外表面，所述的光纤耦合器为2
×
2光纤耦合器，所述的第二电压信号源的信号输出端连接压电陶瓷管的信号输入端，所述的第二电压信号源的信号输入端连接信号处理及控制系统的第一信号输出端，所述的光纤耦合器的第一光输出端连接探测器的光输入端，所述的探测器的信号输出端连接信号处理及控制系统的第二信号输入端，所述的信号处理及控制系统的第二信号输出端输出陀螺输出信号；所述的光纤耦合器和光纤环构成光纤谐振腔；所述的激光器输出连续、强度恒定、频率可调谐的窄线宽激光，所述的激光的线宽小于光纤谐振腔的透射谷的线宽，所述的激光的频率由激光器的调制信号输入端的电压大小相对应，电压越大则激光频率越大，电压越小则激光频率越小；所述的第一电压信号源的第一信号输出端、第二信号输出端输出相同的周期三角波电压信号，此周期三角波电压信号的电压最大值为U2、电压最小值为U1，此周期三角波电压信号加载到激光器的调制信号输入端，使激光器输出的激光的频率调谐范围等于光纤谐振腔静止时的自由谱宽；所述的压电陶瓷管的外径变化与其信号输入端的电压大小相对应，电压越小则压电陶瓷管的外径越大，电压越大则压电陶瓷管的外径越小；所述的第二电压信号源的信号输出端输出直流电压信号，所述的直流电压信号加载到压电陶瓷管的信号输入端，控制压电陶瓷管的外径大小；本光纤陀螺在工作时，所述的信号处理及控制系统输出控制信号送入第二电压信号源，使第二电压信号源输出的电压值为0；然后，第一电压信号源输出周期为T的三角波电压信号送入信号处理及控制系统，并将此三角波电压信号加载到激光器的调制信号输入端，同时，周期为T的光纤谐振腔的透射谱由探测器探测，探测器输出的透射谱信号进入信号处理及控制系统；然后，信号处理及控制系统获取三角波电压信号和透射谱信号，如果透射谱信号中没有透射谷，则信号处理及控制系统输出控制信号送入第二电压信号源，使第二电压信号源输出的直流电压信号的电压值逐渐增大，从而使压电陶瓷管的外径逐渐减小、光纤环的半径逐渐减小，直至透射谱信号中出现透射谷为止；然后，信号处理及控制系统在同一时间轴上对比三角波电压信号和透射谱信号，截取三角波电压信号和透射谱信号的同一个周期，以三角波电压信号的电压最小值U1所对应的时刻为时间原点，读取透射谱信号中透射谷的最小透射率处对应的时刻t1，如果时刻t1大于时刻t0，则旋转速度方向为顺时针，如果时刻t1小于时刻t0，则旋转速度方向为逆时针，由时刻t1与时刻t0的差的绝对值，获得旋转速度大小；其中，所述的时刻t0是本光纤陀螺在静止条件下，以第一电压信号源输出的周期为T的三角波电压信号的电压最小值U1，信号处理及控制系统在同一时间轴上对比三角波电压信号和透射谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永辉，刘淑玉，徐凯宏，白岩，朱自民，田赫，张心怡，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：