光纖環(huán)溫度性能分析軟件設(shè)計(jì)

于中權(quán)+梁仁仁+岑禮君+張曉亮+鄒莉莉+張?zhí)?梁永青

摘要： 介紹了影響光纖陀螺溫度性能的主要因素—Shupe效應(yīng)，論述了基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的光纖環(huán)溫度性能分析軟件的程序組成和功能，并利用光纖環(huán)溫度性能分析軟件開(kāi)展了內(nèi)外熱源兩種工作條件下，光纖陀螺溫度性能的仿真分析及與光纖陀螺測(cè)試結(jié)果的對(duì)比評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，仿真分析結(jié)果與光纖陀螺測(cè)試結(jié)果一致，光纖環(huán)溫度性能仿真分析軟件能夠?qū)⒐饫w環(huán)有限元分析結(jié)果與光纖陀螺輸出有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞： Shupe效應(yīng)； LabVIEW； 有限元； 光纖環(huán)

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 744 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.010

Design of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic

YU Zhongquan， LIANG Renren， CEN Lijun， ZHANG Xiaoliang， ZOU Lili， ZHANG Te， LIANG Yongqing

（7801 Institute of China Aerospace Science and Industry Group， Changsha 410205， China）

Abstract： The Shupe effect that affects the temperature function of the fiber optic gyroscope（FOG） is introduced.The composition and function of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic is discussed.The design is based on the LabVIEW software.The simulation analysis and comparative evaluation with the test results of the FOG is carried out by means of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic under two kinds of working conditions that the FOG works in and out of the heat source.The results show that the simulation results are consistent with the test results of the FOG.The analysis software combines the output of the FOG with the finite element analytic result of the fiber coil.The analysis of the fiber coil temperature characteristic is intuitive and effective.

Keywords： Shupe effect； LabVIEW； finite element； fiber coil

引 言

光纖環(huán)是光纖陀螺的核心器件，光纖環(huán)的溫度場(chǎng)受到周?chē)h(huán)境的影響而不斷變化，這種變化將產(chǎn)生Shupe效應(yīng)，導(dǎo)致光纖陀螺的零偏隨溫度的變化而發(fā)生漂移，嚴(yán)重影響光纖陀螺性能。當(dāng)前，為了提高光纖陀螺工程化水平及實(shí)現(xiàn)高精度光纖陀螺，我國(guó)已將光纖陀螺的溫度性能作為主要研究方向。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)光纖環(huán)開(kāi)展了大量基于溫度分布模型建模和利用有限元分析方法的光纖環(huán)溫度性能研究工作，其中溫度模型有一維、二維和三維等不同的分析方法[1-7]，主要分析局限于環(huán)體上不同單元點(diǎn)的溫度變化，分析過(guò)程復(fù)雜、不直觀，沒(méi)有建立分析結(jié)果與光纖陀螺溫度性能測(cè)試結(jié)果的內(nèi)在聯(lián)系，分析結(jié)果不能準(zhǔn)確表征光纖陀螺的溫度性能。

針對(duì)光纖環(huán)的溫度性能的問(wèn)題，本文作者于2012年撰寫(xiě)的“光纖環(huán)溫度性能仿真分析”一文[8]中重點(diǎn)介紹了利用光纖陀螺溫度性能分析軟件對(duì)光纖環(huán)繞制方法、光纖環(huán)對(duì)稱性對(duì)光纖陀螺溫度性能影響的仿真分析。

LabVIEW軟件作為一種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，由于功能靈活，容易構(gòu)建，在科研、開(kāi)發(fā)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[9-11]。

在本研究中，重點(diǎn)介紹了利用LabVIEW軟件進(jìn)行光纖環(huán)溫度性能分析軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，并從光纖陀螺內(nèi)外熱源兩種工作條件出發(fā)進(jìn)行了光纖環(huán)仿真分析和對(duì)比驗(yàn)證評(píng)價(jià)，研究?jī)?nèi)容是對(duì)前期“光纖環(huán)溫度性能仿真分析”工作的完善和提高。

1 Shupe效應(yīng)

當(dāng)沿著光纖存在著一個(gè)隨時(shí)間變化的溫度梯度時(shí)，光纖陀螺會(huì)產(chǎn)生熱導(dǎo)致的非互易性相位誤差，這種溫度梯度造成的瞬態(tài)效應(yīng)稱為Shupe效應(yīng)[12-14]。Shupe效應(yīng)主要來(lái)自溫度梯度造成的折射率變化，如圖1所示線圈中，距離O點(diǎn)z處溫度擾動(dòng)引起的非互易位相差微元，即相移微元

式中：λ為光波長(zhǎng)；c為真空中的光速；n為光纖折射率；n/T為光纖折射率溫度系數(shù)；dT（z，t）/dt為溫度變化率；L為整個(gè)光纖線圈長(zhǎng)度。

式（1）表明，溫度擾動(dòng)引起的相移微元與該段光纖的溫度變化率和位置有關(guān)的權(quán)因子（L-2z）成正比，非對(duì)稱擾動(dòng)點(diǎn)距離線圈中點(diǎn)越近，則擾動(dòng)引起的光路非互易相移越小。當(dāng)擾動(dòng)點(diǎn)正好在線圈的中點(diǎn)時(shí)，則擾動(dòng)引起的非互易相移為零；當(dāng)相對(duì)光纖中點(diǎn)對(duì)稱的兩段光纖上的溫度擾動(dòng)相同時(shí)，則溫度變化引起的相位誤差被抵消。

2 光纖環(huán)溫度特性分析軟件設(shè)計(jì)

光纖環(huán)溫度性能仿真分析軟件設(shè)計(jì)以光纖環(huán)有限元分析結(jié)果為數(shù)據(jù)輸入，以Shupe效應(yīng)理論為數(shù)學(xué)模型，利用LabVIEW軟件將有限元分析結(jié)果與光纖陀螺輸出有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)溫度性能仿真分析功能。程序主體上采用了LabVIEW軟件的平鋪式順序結(jié)構(gòu)，分為數(shù)據(jù)編組模塊、設(shè)計(jì)控制端模塊、Shupe效應(yīng)計(jì)算模塊、報(bào)表生成模塊。該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)不同繞制方法（單極、二極、四極對(duì)稱等繞法）、不同熱載荷條件、有無(wú)緩沖層、不同光纖性能參數(shù)及設(shè)計(jì)者自行定義仿真參數(shù)條件下光纖環(huán)的溫度性能仿真分析工作。軟件設(shè)置有輸入分析類(lèi)型、輸入調(diào)整系數(shù)表、輸入待分析數(shù)據(jù)用戶輸入框。圖2、圖3分別給出了光纖環(huán)溫度性能分析軟件前面板和程序框圖。

2.1 數(shù)據(jù)編組模塊

模塊中應(yīng)用Read From Spreadsheet File.vi模塊將ANSYS生成的光纖環(huán)仿真分析數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入光纖環(huán)溫度特性仿真分析軟件，使用For循環(huán)、移位寄存器、索引數(shù)組、插入數(shù)組等vi模塊，將輸入數(shù)據(jù)構(gòu)建為一個(gè)數(shù)組，提供給后續(xù)模塊使用。數(shù)據(jù)編組模塊具體程序見(jiàn)圖4所示。

2.2 控制參數(shù)輸入模塊

設(shè)計(jì)控制端模塊主要作用是為設(shè)計(jì)者提供軟件互動(dòng)窗口，可以對(duì)光纖環(huán)的繞制方法及工藝進(jìn)行提前預(yù)測(cè)和分析，對(duì)數(shù)據(jù)編組模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到完善光纖環(huán)繞制方法、工藝及提高環(huán)體溫度性能的目的。其中輸入分析類(lèi)型可將光纖環(huán)的繞制方法設(shè)為單極、二極、四極、八極繞法以及設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)的任何繞制方法，調(diào)整系數(shù)表可以使設(shè)計(jì)者按照自己的設(shè)計(jì)思路對(duì)光纖環(huán)任意位置點(diǎn)的溫度性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，仿真環(huán)體中任意位置的參數(shù)改變或缺陷。設(shè)計(jì)控制端模塊具體程序見(jiàn)圖5所示。

2.3 Shupe效應(yīng)計(jì)算模塊

模塊中利用LabVIEW軟件函數(shù)庫(kù)中For循環(huán)、數(shù)組插入、數(shù)組索引、數(shù)組元素相加及移位寄存器等模塊構(gòu)建一個(gè)Shupe算法模型，實(shí)現(xiàn)Shupe效應(yīng)計(jì)算。Shupe效應(yīng)計(jì)算模塊具體程序見(jiàn)圖6所示。

2.4 報(bào)表生成模塊

模塊利用LabVIEW軟件函數(shù)庫(kù)中的報(bào)表生成單元中的新建報(bào)表、Word Easy Title、 添加控件圖像至報(bào)表、處置報(bào)表等vi模塊構(gòu)成報(bào)表生成模塊，將測(cè)試結(jié)果保存為Word文件，其中包含光纖環(huán)繞制方法、溫度分析條件、陀螺輸出圖形等信息，以利于對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總。報(bào)表生成模塊具體程序見(jiàn)圖7所示。

3 光纖環(huán)溫度特性分析過(guò)程及結(jié)果

以目前本單位某型光纖環(huán)為研究對(duì)象，光纖環(huán)由保偏光纖和鋁合金骨架兩者構(gòu)成。下面給出了光纖環(huán)材料參數(shù)（見(jiàn)表1）及光纖環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖（見(jiàn)圖8）。

光纖環(huán)在光纖陀螺中的主要熱影響源分為內(nèi)部熱源和外部熱源，內(nèi)部熱源主要為光源、光源板、信號(hào)處理板等，外部熱源主要為外界環(huán)境溫度。內(nèi)部和外部熱源均可近似看作熱源（溫度）均勻分布于環(huán)圈內(nèi)側(cè)，并沿徑向向外傳導(dǎo)，在由內(nèi)向外各層光纖之間形成一個(gè)隨時(shí)間變化的溫度梯度，見(jiàn)圖9所示。

為分析某型光纖陀螺產(chǎn)品的光纖環(huán)溫度特性，設(shè)定光纖環(huán)繞制方法為四極對(duì)稱繞法，分別針對(duì)內(nèi)部和外部熱源兩種情況，利用光纖環(huán)溫度特性分析軟件對(duì)光纖陀螺溫度特性進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下。

內(nèi)部熱源主要是分析SLD光源、光源板、信號(hào)處理板等發(fā)熱源對(duì)光纖環(huán)的影響。所施加的溫度載荷為光纖環(huán)上溫度傳感器實(shí)際測(cè)量的溫度，見(jiàn)圖10所示。

利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行光纖環(huán)熱分析，將分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入光纖環(huán)溫度性能分析軟件，生成光纖環(huán)溫度性能分析結(jié)果，見(jiàn)圖11所示。

圖12給出了2只某型光纖陀螺產(chǎn)品在圖10所示溫度載荷條件下的測(cè)試結(jié)果。

由圖11和圖12對(duì)比可知，熱源為內(nèi)部熱源條件下，光纖環(huán)溫度性能分析軟件仿真分析結(jié)果與光纖陀螺產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試結(jié)果相一致。

外部熱源主要為外界環(huán)境溫度變化，通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式將外界的熱傳遞到光纖環(huán)上產(chǎn)生Shupe效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)光纖陀螺的溫度性能產(chǎn)生影響。分析中通過(guò)給光纖陀螺施加隨時(shí)間變化的溫度載荷，分析外部熱源對(duì)光纖陀螺的影響。溫度載荷施加條件：光纖陀螺置于溫箱內(nèi)，從常溫以1 ℃/min速率降到-20 ℃，保溫1 h；以1 ℃/min速率升到+60 ℃，保溫1 h。光纖環(huán)上溫度載荷曲線參見(jiàn)圖13所示。利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行光纖環(huán)熱分析，將分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入光纖環(huán)溫度性能分析軟件，光纖環(huán)溫度性能分析結(jié)果參見(jiàn)圖14所示。

圖15給出了某型光纖陀螺產(chǎn)品在圖13所述溫度載荷條件下，光纖陀螺零偏測(cè)試結(jié)果。

由圖14和圖15對(duì)比可知，熱源為外部熱源條件下，光纖環(huán)溫度性能分析軟件仿真分析結(jié)果與陀螺實(shí)際測(cè)試結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)利用LabVIEW軟件進(jìn)行光纖環(huán)溫度性能分析軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)仿真的綜合應(yīng)用，對(duì)于光纖陀螺在內(nèi)部、外部熱源條件下的工作情況進(jìn)行了仿真分析，仿真分析結(jié)果與光纖陀螺測(cè)試結(jié)果相一致，建立了有限元仿真分析結(jié)果與陀螺輸出的聯(lián)系。光纖環(huán)溫度性能分析軟件為開(kāi)展光纖陀螺光纖環(huán)設(shè)計(jì)、光纖環(huán)繞制工藝提供了分析和設(shè)計(jì)手段，可實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)光纖環(huán)質(zhì)量控制和預(yù)防，而無(wú)需將光纖環(huán)置于最終陀螺成品階段來(lái)表征光纖環(huán)的溫度性能，有利于提高光纖陀螺的溫度性能，同時(shí)降低了光纖陀螺的生產(chǎn)成本。未來(lái)將在上述研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開(kāi)展光纖陀螺溫度補(bǔ)償模型、補(bǔ)償方法的設(shè)計(jì)研究工作，進(jìn)一步提高光纖環(huán)及光纖陀螺系統(tǒng)的溫度性能。

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