内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺及其制作方法。

背景技术

光纤陀螺是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器，是现代航空、航海、航天中广泛使用的一种惯性导航仪器。

现有光纤陀螺的温度测量装置通常安装于金属材质的环圈组件上，不能够实时准确测量光纤环圈的温度分布，存在滞后现象，导致光纤陀螺的角速率测量温度补偿效果不佳，影响光纤陀螺的使用精度。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺及其制作方法。

本发明提供一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，包括如下步骤：

S10、采用相位掩膜法对双芯光纤的第一纤芯写制光栅，获得具有测温功能的双芯光纤；

S20、采用退扭工艺，绕制具有测温功能的双芯光纤，获得光纤环圈；其中，由第一纤芯绕制获得温度测量单元，由第二纤芯绕制获得角速率测量单元；

S30、将温度测量单元的输入端与分束器连接，将温度测量单元的输出端与光强探测单元连接，实现对光纤环圈的温度测量；

S40、将角速率测量单元的两端与Y波导连接，实现对角速率的测量，完成双芯光纤陀螺的制作。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S10包括：

S11、通过激光器发射波长为380nm的紫外激光，并将紫外激光照射至第一纤芯，完成对第一纤芯的光栅写制。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S10中，光栅的波长

其中，

为有效折射率；

为折射率对应的有效模拟相位值；/>

为耦合波长。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S30包括：

S31、采用锥化处理工艺处理分束器的输出端的保偏单模光纤，将温度测量单元的输入端与处理后的分束器的输出端的保偏单模光纤连接。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S30还包括：

S32、采用锥化处理工艺处理光强探测单元的输入端的单模光纤，将温度测量单元的输出端与处理后的光强探测单元的输入端的单模光纤连接。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S40还包括：

S41、采用锥化处理工艺处理Y波导的两连接端的保偏单模光纤，将角速率测量单元的两端与处理后的Y波导的两连接端的保偏单模光纤对应连接。

本发明还提供一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺，基于如上所述的内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法制作,包括光纤环圈，所述光纤环圈由双芯光纤绕制，所述双芯光纤包括第一纤芯和第二纤芯，所述第一纤芯的输入端与分束器连接，所述第一纤芯的输出端与光强探测单元连接，所述第一纤芯写制有用以测量所述光纤环圈的温度的光栅；

所述第二纤芯的两端与Y波导连接，用以测量角速率。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺，还包括光源，所述光源的输出端与所述分束器连接，所述分束器分别与所述Y波导和所述光强探测单元连接。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺，所述光强探测单元包括第一探测器、第二探测器和数据处理模块，所述第一纤芯的输出端与所述第二探测器连接，所述第一探测器与所述分束器连接，所述数据处理模块分别与所述第一探测器和所述第二探测器连接，用以将光信号转化为电信号并输出。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明提供一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺及其制作方法，包括如下步骤S10、采用相位掩膜法对双芯光纤的第一纤芯写制光栅，获得具有测温功能的双芯光纤；S20、采用退扭工艺，绕制具有测温功能的双芯光纤，获得光纤环圈；其中，由第一纤芯绕制获得温度测量单元，由第二纤芯绕制获得角速率测量单元；S30、将温度测量单元的输入端与分束器连接，将温度测量单元的输出端与光强探测单元连接，实现对光纤环圈的温度测量；S40、将角速率测量单元的两端与Y波导连接，实现对角速率的测量，完成双芯光纤陀螺的制作，通过对第一纤芯写制光栅，赋予温度测量功能，进而使得绕制获得的光纤环圈集成有实时测量温度和角速率功能，进而提高对光纤环圈温度测量的精确性，保证双芯光纤陀螺的使用精度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法流程示意图。

图2是本发明提供的内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的结构示意图。

附图标记：

1．光源；2.分束器；3.Y波导；4.光纤环圈；41.第一纤芯；42.第二纤芯；43.光栅；5.第一探测器；6.数据处理模块；7.第二探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1描述本发明的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，包括如下步骤：

S10、采用相位掩膜法对双芯光纤的第一纤芯写制光栅，获得具有测温功能的双芯光纤；

S20、采用退扭工艺，绕制具有测温功能的双芯光纤，获得光纤环圈；其中，由第一纤芯绕制获得温度测量单元，由第二纤芯绕制获得角速率测量单元；

S30、将温度测量单元的输入端与分束器连接，将温度测量单元的输出端与光强探测单元连接，实现对光纤环圈的温度测量；

S40、将角速率测量单元的两端与Y波导连接，实现对角速率的测量，完成双芯光纤陀螺的制作。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S10包括：

S11、通过激光器发射波长为380nm的紫外激光，并将紫外激光照射至第一纤芯，完成对第一纤芯的光栅写制。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S10中，光栅的波长

其中，

为有效折射率;

为折射率对应的有效模拟相位值；

为耦合波长。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S30包括：

S31、采用锥化处理工艺处理分束器的输出端的保偏单模光纤，将温度测量单元的输入端与处理后的分束器的输出端的保偏单模光纤连接。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S30还包括：

S32、采用锥化处理工艺处理光强探测单元的输入端的单模光纤，将温度测量单元的输出端与处理后的光强探测单元的输入端的单模光纤连接。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，步骤S40还包括：

S41、采用锥化处理工艺处理Y波导的两连接端的保偏单模光纤，将角速率测量单元的两端与处理后的Y波导的两连接端的保偏单模光纤对应连接。

本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法，具体包括如下步骤：

S10、采用相位掩膜法对双芯光纤的第一纤芯写制光栅，获得具有测温功能的双芯光纤。

S11、通过激光器发射波长为380nm的紫外激光，并将紫外激光照射至第一纤芯，完成对第一纤芯的光栅写制；

其中，光栅的波长

其中，

为有效折射率;

为折射率对应的有效模拟相位值；

为耦合波长。可以理解的是，通过上式可有效计算完成写制的光栅的波长，进而通过检测光栅反射光的波长变化，获取光栅处的温度变化，完成测温。

具体的，设计所需光栅的参数，本实施例中，光栅的周期32μm、刻槽深度18μm、刻槽形状为矩形，写制光栅面积为50mm×50mm；通过激光器发射波长为380nm的紫外激光，其中，激光器可选用为皮秒激光器或者飞秒激光器；紫外激光依次通过π—shaper光束整形器、衰减片、1/4波片、光阑、反光镜，到达由平凹镜和平凸镜组成的光束扩束系统，扩束后得到的平行光穿过由多个聚焦透镜组成的聚焦系统后，聚焦于第一纤芯的表面以120mm/s速度开始刻写，完成光栅写制。

S20、采用退扭工艺，绕制具有测温功能的双芯光纤，获得光纤环圈；其中，由第一纤芯绕制获得温度测量单元，由第二纤芯绕制获得角速率测量单元。

具体的，将绕设有双芯光纤的供纤盘可转动的安装在供纤机架上，供纤盘上的双芯光纤的端部缠绕于环圈骨架上；光电探测系统从侧面照射双芯光纤，另一侧接收透过双芯光纤的散射光，绕制前先将光电探测系统绕双芯光纤旋转一周，并将接收的光强信息及相对应的方位角信息发送给上位机，上位机根据散射光强与方位角对应的关系，绘制出散射光强与方位角的变化曲线，然后将光电探测系统在散射光强最小的方位角处固定；供纤电机驱动供纤盘旋转放料，环圈电机驱动环圈骨架旋转将双芯光纤绕制成环；光电探测器实时监测透过双芯光纤的散射光的光强，并将光强信号发送给上位机；上位机接收到光强信号后会与预设范围进行比较，若超过预设范围时，上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小，退绕电机停止工作，完成光纤环圈的绕制。

可以理解的，由于第一纤芯写制有光栅，由第一纤芯绕制而成的光纤环圈的对应部分，对应形成温度测量单元；由第二纤芯绕制获得角速率测量单元，完成对角速率的测量。也就是说，温度测量单元与角速率测量单元贴合，保证温度测量单元能够实时准确测量光纤环圈的温度分布，及时准确，提高角速率测量温度补偿效果，保证光纤陀螺的使用精度。

需要说明的是，为了提高温度测量单元的敏感性，对应的第一纤芯上可写制多个光栅。

S30、将温度测量单元的输入端与分束器连接，将温度测量单元的输出端与光强探测单元连接，实现对光纤环圈的温度测量。

S31、采用锥化处理工艺处理分束器的输出端的保偏单模光纤，将温度测量单元的输入端与处理后的分束器的输出端的保偏单模光纤连接。可以理解的是，通过对分束器的输出端的保偏单模光纤进行熔融拉锥处理，即锥化处理工艺处理，进而将熔融拉锥处理后的保偏单模光纤与第一纤芯的输入端耦合连接，实现分束器将分束后的光传输至第一纤芯内。

S32、采用锥化处理工艺处理光强探测单元的输入端的单模光纤，将温度测量单元的输出端与处理后的光强探测单元的输入端的单模光纤连接。可以理解的是，通过对光强探测单元的第二探测器的输入端的单模光纤进行熔融拉锥处理，即锥化处理工艺处理，进而将熔融拉锥处理后的单模光纤与第一纤芯的输出端耦合连接，实现第二探测器接收第一纤芯传输的光信号，并利用光电效应，将光信号转化为电信号。

S40、将角速率测量单元的两端与Y波导连接，实现对角速率的测量，完成双芯光纤陀螺的制作。

S41、采用锥化处理工艺处理Y波导的两连接端的保偏单模光纤，将角速率测量单元的两端与处理后的Y波导的两连接端的保偏单模光纤对应连接。可以理解的是，通过对Y波导的两连接端的保偏单模光纤进行荣哦让拉锥处理，即锥化处理工艺处理，进而将熔融拉锥处理后的保偏单模光纤与第二纤芯的两端一一对应耦合连接，实现光信号的传输，完成第二纤芯对角速率的测量。

下面结合图2描述本发明的内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺，下文描述的内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺与上文描述的内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的制作方法可相互对应参照。

本发明还提供一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺，包括光纤环圈4，所述光纤环圈由双芯光纤绕制，所述双芯光纤包括第一纤芯41和第二纤芯42，所述第一纤芯的输入端与分束器2连接，所述第一纤芯的输出端与光强探测单元连接，所述第一纤芯写制有用以测量所述光纤环圈的温度的光栅43；

所述第二纤芯的两端与Y波导3连接，用以测量角速率。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺，还包括光源1，所述光源的输出端与所述分束器连接，所述分束器分别与所述Y波导和所述光强探测单元连接。

根据本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺，所述光强探测单元包括第一探测器5、第二探测器7和数据处理模块6，所述第一纤芯的输出端与所述第二探测器连接，所述第一探测器与所述分束器连接，所述数据处理模块分别与所述第一探测器和所述第二探测器连接，用以将光信号转化为电信号并输出。

本发明提供的一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺的工作过程如下：

由光源发出光并传输至分束器，经分束器将光分成两束光，其中一束光传输至第一纤芯，另一束光传输至Y波导；

进一步地，双芯光纤绕制成光纤环圈，由第一纤芯绕制的环圈，在写制光栅的作用下，形成温度测量单元；由第二纤芯绕制的环圈，保持角速率测量功能，形成角速率测量单元。

光传输至第一纤芯，并传输至第二探测器，通过第二探测器将光信号转化为电信号，进而传输至数据处理模块，实现解算，完成温度测量；光传输至第二纤芯，并依次传输至Y波导、分束器和第一探测器，通过第一探测器将光信号转化为电信号，进而传输至数据处理模块，实现解算，完成角速率测量。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明提供一种内嵌温度测量单元的双芯光纤陀螺及其制作方法，包括如下步骤S10、采用相位掩膜法对双芯光纤的第一纤芯写制光栅，获得具有测温功能的双芯光纤；S20、采用退扭工艺，绕制具有测温功能的双芯光纤，获得光纤环圈；其中，由第一纤芯绕制获得温度测量单元，由第二纤芯绕制获得角速率测量单元；S30、将温度测量单元的输入端与分束器连接，将温度测量单元的输出端与光强探测单元连接，实现对光纤环圈的温度测量；S40、将角速率测量单元的两端与Y波导连接，实现对角速率的测量，完成双芯光纤陀螺的制作，通过对第一纤芯写制光栅，赋予温度测量功能，进而使得绕制获得的光纤环圈集成有实时测量温度和角速率功能，进而提高对光纤环圈温度测量的精确性，保证双芯光纤陀螺的使用精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。