一种基于仿真技术获取光纤陀螺变温标度因数的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于仿真技术获取光纤陀螺变温标度因数的方法。该方法的主要步骤为：1、基建立XY平面为光纤环矩形截面，Z轴长度为L的立方体模型；2、计算变温度条件下光纤环的热膨胀系数；3、计算变温条件下光纤环的其他物理参数；4、建立变温条件光纤环封装结构有限元模型，并对有限元模型进行求解；5、计算变温条件时等效光纤直径变形和光纤环内径变形；6、计算变温条件时光纤环长度和光纤环直径；7、计算变温条件下由光纤环变形引起的光纤环陀螺标度因数变化量。采用该方法通过仿真技术实现光纤陀螺标度因数的计算，为光纤陀螺研制提供设计依据，可以有效缩短研制周期、降低成本，提高效率。高效率。高效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于仿真技术获取光纤陀螺变温标度因数的方法


[0001]本专利技术涉及光纤陀螺，具体涉及一种基于仿真技术获取光纤陀螺变温标度因数的方法。

技术介绍

[0002]光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的全固态惯性测量仪表，具有抗冲击、灵敏度高、寿命长、动态范围大、启动时间短等优点，已被广泛应用于惯性导航系统中。
[0003]标度因数是指光纤陀螺输出的变化与对应输入变化的比值，其变温条件下的稳定性是光纤陀螺性能指标最为重要技术指标之一。
[0004]光纤陀螺的标度因数的理论计算公式为：
[0005][0006]式中：L为光纤环长度；D为光纤环直径；λ为平均波长；c为真空中的光速；K
m
为Y波导调制系数；K
DA
为D/A转换及放大器增益；
[0007]光纤环是光纤陀螺的核心部件，是影响光纤陀螺变温标度因数变化的主要因素，由光纤和绕环胶组成。其中光纤采用的是由熊猫眼、纤芯、石英包层以及涂覆层组成的熊猫保偏光纤。
[0008]光纤环通过粘接胶固定在骨架上，骨架与上盖通过焊接固定连接，与器件板通过螺钉固定连接，光纤环封装结构简图如图1所示。
[0009]温度变化对光纤环的影响主要是引起光纤环、粘接胶、骨架、上盖以及器件板的热胀冷缩变形，进而改变光纤环长度和光纤环直径，从而引起光纤陀螺标度因数的变化。
[0010]目前主要通过试验的方法计算变温下由光纤环变形引起的光纤陀螺标度因数变化量，但采用试验的方法存在时间长、成本高、操作复杂、效率低，不适用于在设计过程中运用等缺陷。

技术实现思路

[0011]为了解决采用试验的方法计算光纤陀螺标度因数时存在的时间长、成本高、操作复杂、效率低，不适用于在设计过程中运用等缺陷，本专利技术提供了一种基于仿真技术获取光纤陀螺变温标度因数的方法。
[0012]本专利技术的具体技术方案是：
[0013]提供了一种基于仿真技术获取光纤陀螺变温标度因数的方法，其实现步骤如下：
[0014]步骤1：基于仿真软件建立XY平面为光纤环矩形截面，Z轴长度为L的立方体模型；
[0015]所述光纤环矩形截面在X轴方向的长度由光纤的匝数决定，在Y轴方向的长度由光纤的层数决定；
[0016]定义单根光纤由石英包层和涂覆层组成，涂覆层外径为光纤直径D1；光纤与外围等厚均布的绕环胶作为等效光纤，直径为D0；
[0017]步骤2：计算变温度条件下光纤环的热膨胀系数；
[0018]步骤2.1：分别给步骤1的立方体模型中石英包层、涂覆层以及绕环胶赋予材料属性；所述材料属性包括密度、比热容、导热系数、泊松比以及弹性模量；
[0019]步骤2.2：求解变温条件下立方体模型在Z轴方向的平均伸长量ΔL；
[0020]定义变温条件下的最低温度为T1℃，最高温度为T2℃，将立方体模型中Z轴方向两端的其中一个端面设为固定约束，提取另一端面上每个节点在Z轴方向的变形，计算节点的平均变形并将其定义为平均伸长量ΔL；
[0021]步骤2.3：根据平均伸长量ΔL求解变温度条件下立方体模型的热膨胀系数，并将其定义为光纤环的热膨胀系数；
[0022]步骤3：计算变温条件下光纤环的其他物理参数；
[0023]通过计算石英包层、涂覆层和绕环胶在光纤环中所占的体积比，计算加权平均后光纤环的其他物理参数；
[0024]所述光纤环的其他物理参数包括密度、比热容、导热系数、泊松比、弹性模量；
[0025]步骤4：基于仿真软件建立变温条件光纤环封装结构有限元模型，并对有限元模型进行求解；
[0026]定义光纤环封装结构有限元模型中Y轴为光纤环封装结构的高度方向，XZ平面为垂直于Y轴的平面；
[0027]设定环境温度为T℃；变温条件下的最低温度为T1℃，最高温度为T2℃；
[0028]将步骤2.3的热膨胀系数以及步骤3中其他物理参数赋予光纤环；
[0029]给粘接胶、骨架、上盖和器件板赋予材料属性；所述材料属性包括密度、比热容、导热系数、泊松比以及弹性模量；
[0030]对光纤环封装结构有限元模型进行求解分别得到T1℃和T2℃光纤环的变形云图，在光纤环的变形云图中提取T1℃和T2℃光纤环的各节点变形；
[0031]步骤5：计算T1℃～T2℃时等效光纤直径变形和光纤环内径变形；
[0032]步骤5.1：分别计算T1℃和T2℃时等效光纤直径变形，具体公式如下：
[0033][0034][0035]式中：
[0036]i＝1,2,
…
,k；k为光纤环上表面的节点个数；
[0037]o＝1,2,
…
,p；p为光纤环下表面的节点个数；
[0038]为T1℃时光纤环上表面第i个节点在Y方向变形；
[0039]为T1℃时光纤环下表面第o个节点在Y方向变形；
[0040]为T2℃时光纤环上表面第i个节点在Y方向变形；
[0041]为T2℃时光纤环下表面第o个节点在Y方向变形；
[0042]n为光纤环每层光纤匝数；
[0043]步骤5.2：分别计算T1℃和T2℃光纤环内径变形，具体计算公式如下：
[0044][0045][0046]式中：
[0047]q＝1,2,
…
,r；r为光纤环内表面的节点个数；；
[0048]为T1℃时光纤环内表面第q个节点在X方向变形；
[0049]为T1℃时光纤环内表面第q个节点在Z方向变形；
[0050]为T2℃时光纤环内表面第q个节点在X方向变形；
[0051]为T2℃时光纤环内表面第q个节点在Z方向变形；
[0052]步骤6：计算T1℃～T2℃时光纤环长度和光纤环直径，具体计算公式如下：
[0053][0054][0055][0056][0057]式中：
[0058]为T1℃时光纤环长度；
[0059]为T1℃时光纤环直径；
[0060]为T2℃时光纤环长度；
[0061]为T2℃时光纤环长度；
[0062]m：光纤环层数；
[0063]n：光纤环每层光纤匝数；
[0064]D
内
：环境温度T℃时光纤环内径；
[0065]D0：环境温度T℃时等效光纤直径；
[0066]为T1℃等效光纤直径变形；
[0067]为T2℃等效光纤直径变形；
[0068]为T1℃光纤环内径变形；
[0069]为T2℃光纤环内径变形；
[0070]步骤7：计算变温条件下由光纤环变形引起的光纤环陀螺标度因数变化量，具体公式为：
[0071][0072]进一步地，上述方法还包括步骤8：变温条件下光纤环变形量的控制；
[0073]步骤8.1：保持光纤环各组成部分以及光纤环封装结构其他材料属性不变的情况下，调整光纤环各组成部分以及光纤环封装结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于仿真技术获取光纤陀螺变温标度因数的方法，其特征在于，具体实现步骤如下：步骤1：基于仿真软件建立XY平面为光纤环矩形截面，Z轴长度为L的立方体模型；所述光纤环矩形截面在X轴方向的长度由光纤的匝数决定，在Y轴方向的长度由光纤的层数决定；定义单根光纤由石英包层和涂覆层组成，涂覆层外径为光纤直径D1；光纤与外围等厚均布的绕环胶作为等效光纤，直径为D0；步骤2：计算变温度条件下光纤环的热膨胀系数；步骤2.1：分别给步骤1的立方体模型中石英包层、涂覆层以及绕环胶赋予材料属性；所述材料属性包括密度、比热容、导热系数、泊松比以及弹性模量；步骤2.2：求解变温条件下立方体模型在Z轴方向的平均伸长量ΔL；定义变温条件下的最低温度为T1℃，最高温度为T2℃，将立方体模型中Z轴方向两端的其中一个端面设为固定约束，提取另一端面上每个节点在Z轴方向的变形，计算节点的平均变形并将其定义为平均伸长量ΔL；步骤2.3：根据平均伸长量ΔL求解变温度条件下立方体模型的热膨胀系数，并将其定义为光纤环的热膨胀系数；步骤3：计算变温条件下光纤环的其他物理参数；通过计算石英包层、涂覆层和绕环胶在光纤环中所占的体积比，计算加权平均后光纤环的其他物理参数；所述光纤环的其他物理参数包括密度、比热容、导热系数、泊松比、弹性模量；步骤4：基于仿真软件建立变温条件光纤环封装结构有限元模型，并对有限元模型进行求解；定义光纤环封装结构有限元模型中Y轴为光纤环封装结构的高度方向，XZ平面为垂直于Y轴的平面；设定环境温度为T℃；变温条件下的最低温度为T1℃，最高温度为T2℃；将步骤2.3的热膨胀系数以及步骤3中其他物理参数赋予光纤环；给粘接胶、骨架、上盖和器件板赋予材料属性；所述材料属性包括密度、比热容、导热系数、泊松比以及弹性模量；对光纤环封装结构有限元模型进行求解分别得到T1℃和T2℃光纤环的变形云图，在光纤环的变形云图中提取T1℃和T2℃光纤环的各节点变形；步骤5：计算T1℃～T2℃时等效光纤直径变形和光纤环内径变形；步骤5.1：分别计算T1℃和T2℃时等效光纤直径变形，具体公式如下：℃时等效光纤直径变形，具体公式如下：式中：
i＝1,2,
…
,k；k为光纤环上表面的节点个数；o＝1,2，
…
,p；p为光纤环下表面的节点个数；为T1℃时光纤环上表面第i个节点在Y方向变形；为T1℃时光纤环下表面第o个节点在Y方向变形；为T2℃时光纤环上表面第i个节点在Y方向变形；为T2℃时光纤环下表面第o个节点在Y方向变形；n为光纤环每层光纤匝数；步骤5.2：分别计算T1℃和T2℃光纤环内径变形，具体计算公式如下：℃光纤环内径变形，具体计算公式如下：式中：q=1,2,
…
,r；r为光纤环内表面的节点个数；；为T1℃时光纤环内表面第q个节点在X方向变形；为T1℃时光纤环内表面第q个节点在Z方向变形；为T2℃时光纤环内表面第q个节点在X方向变形；为T2℃时光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培，黄博，李龙刚，洪伟，潘子军，任宾，
申请(专利权)人：西安航天精密机电研究所，
类型：发明
国别省市：