Diskussion über Faserspulen-Test

Diskussion über Faserspulen-Test

1976 schlug die Universität von Utah zum ersten Mal faseroptische Kreisel (FOG) vor, was die Geburtsstunde der zweiten Generation optischer Kreisel markierte. Nach 45 Jahren der Entwicklung hat der weltweite FOG-Markt ein Volumen von 3,8 Milliarden erreicht. Die Faserspule (oder "polarisationserhaltende Faserspule" oder "Fasersensorspule") ist das zentrale Sensorelement des FOG. Ihre Funktion besteht darin, das Winkelgeschwindigkeitssignal der Objektbewegung in ein optisches Phasensignal umzuwandeln, und dann das optische Phasensignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das durch andere Komponenten des FOG ausgegeben wird. Daher kann man sagen, dass die Faserspule der Beginn des Messsignals des FOG ist, und die Qualität der Faserspule bestimmt direkt die Obergrenze der Leistung des FOG.

1． Prinzip des FOG

Welche Art von Faserspule ist eine gute Spule? Wie kann man eine Faserspule bewerten? Diese beiden Probleme müssen bei der Prüfung von Faserspulen gelöst werden.

Im Sinne des Pragmatismus muss die Bewertung der Faserspule von ihrer Nützlichkeit ausgehen. Gegenwärtig werden die meisten Faserspulen in der interferometrischen FOG verwendet. Ihr Grundprinzip besteht darin, zwei Lichtstrahlen von zwei Pigtails gleichzeitig in die Faserspule einzukoppeln. Aufgrund des Sagnac-Effekts, der durch die Rotation der Faserspule im Inertialraum verursacht wird, wird ein Lichtstrahl vom gegenüberliegenden Pigtail schneller ausgegeben als der andere. Durch Messung der Zeitdifferenz zwischen den beiden von der Faserspule ausgehenden Lichtstrahlen kann die Winkelgeschwindigkeit der Faserspule relativ zur Rotation im Inertialraum beurteilt werden.

Da es sich bei Licht um eine Welle handelt, kann die Zeitdifferenz φs auch als Phasendifferenz ausgedrückt werden, und ihr Zusammenhang mit der Winkelgeschwindigkeit Ω der Faserspule lautet wie folgt:

φ₅ =K Ω+ φ₀

Dabei ist K der Skalierungsfaktor der Faserspule, φ₀ ist die Nullpunktverschiebung der Faserspule.

Das Signalumwandlungsgesetz der Faserspule lässt sich aus der obigen Formel ablesen. Im Idealfall, wenn der Skalierungsfaktor konstant ist und es keine Nullpunktverschiebung gibt, kann die Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit und der Phasendifferenz als eine einfache positive proportionale Beziehung ausgedrückt werden; und je größer der Skalierungsfaktor ist, desto größer ist die Phasendifferenz, die durch dieselbe Eingangswinkelgeschwindigkeit durch die Faserspule verursacht wird, und desto höher ist die theoretische Auflösungsobergrenze des FOG. In der Realität schwanken der Skalierungsfaktor und die Nullpunktverschiebung jedoch unter dem Einfluss von Umgebungsfaktoren, was sich auf die endgültige Messung auswirkt. Bei der Prüfung der Faserspule muss der Grad der Leistungsänderung der Faserspule unter dem Einfluss von Umweltfaktoren gemessen werden. Es ist festzustellen, ob sie die Anforderungen der FOG unter den erforderlichen Arbeitsbedingungen erfüllen kann.

2． Prüfung der Faserspule

Es gibt mehrere Arten von Tests für Faserspulen: Prüfung der Gesamtabmessungen, Prüfung der optischen Leistung und Prüfung der FOG-Leistung. Die Prüfung der Gesamtabmessungen umfasst die Messung des Innendurchmessers, des Außendurchmessers und der Höhe der Faserspule; die Prüfung der optischen Leistung umfasst die OTDR-Prüfung, die Prüfung des Nebensprechverlusts bei normaler Temperatur, die Prüfung des Nebensprechverlusts bei konstanter Temperatur und die Prüfung des Nebensprechverlusts bei voller Temperatur; die Prüfung der FOG-Leistung umfasst die Prüfung des Nullspannungs-Spitzenwerts (oder die Systemprüfung), die Prüfung der Magnetfeldempfindlichkeit, die Prüfung des Skalen-/Ausrichtungswinkels und die Anlaufprüfung.

Die Prüfung der Gesamtabmessungen soll sicherstellen, dass die Gesamtabmessungen der Faserspule der Norm entsprechen, da die Gesamtabmessungen der Faserspule direkt mit dem Montageprozess des FOG zusammenhängen.

Die Prüfung der optischen Leistung dient hauptsächlich dazu, zu überprüfen, ob die optische Leistung der polarisationserhaltenden Faser nach dem Aufwickeln zu einer Spule noch den grundlegenden Nutzungsanforderungen des FOG entspricht.

Die OTDR-Prüfung bei der Prüfung der optischen Leistung der Faser erfasst einerseits die Spulenlängendaten der Faserspule und stellt andererseits fest, ob es in der zu prüfenden Faserspule Bruchstellen oder Punkte mit hohem Verlust gibt. Die Bruchstellen bilden nach dem Einschalten eine hohe Reflexionsspitze, die den Betrieb des FOG empfindlich stören kann und daher vermieden werden muss. Der Punkt mit dem hohen Verlust ist häufig der schwerwiegendere Belastungspunkt und kann während des anschließenden Alterungsprozesses sehr leicht brechen, was ebenfalls vermieden werden muss.

Die Prüfung der Übersprechdämpfung bei Normaltemperatur ist eine vereinfachte Version der Prüfung der Übersprechdämpfung bei konstanter Temperatur, und die Prüfung der Übersprechdämpfung bei konstanter Temperatur ist eine kostengünstige Version der Prüfung der Übersprechdämpfung bei voller Temperatur. Der Volltemperatur-Nebensprechdämpfungstest prüft das Nebensprechen und die Verluständerungen der Faserspule bei voller Temperatur. Crosstalk wird manchmal durch das Extinktionsverhältnis ersetzt. Dabei ist zu beachten, dass das Übersprechen eine negative Zahl ist, die sich auf das Verhältnis der Lichtintensität auf der sekundären Polarisationsachse zur Lichtintensität auf der primären Polarisationsachse des emittierten Lichts bezieht. Im Gegensatz dazu ist das Extinktionsverhältnis ein positiver Wert, der sich auf das Verhältnis der Lichtintensität auf der primären Polarisationsachse zu der Lichtintensität auf der sekundären Polarisationsachse des ausgehenden Lichts bezieht. Die physikalische Bedeutung des Übersprechens und des Extinktionsverhältnisses ist die Fähigkeit der Faserspule, die Polarisation von einfallendem, strahlenpolarisiertem Licht beizubehalten. Im Allgemeinen gilt: Je niedriger der Crosstalk-Wert und je größer das Extinktionsverhältnis, desto besser ist die Fähigkeit der Faserspule, die Polarisation beizubehalten, desto höher ist das Signal-Rausch-Verhältnis des FOG-Signals und desto besser ist die Leistung des FOG. Volle Temperatur bezieht sich auf die Prüfung der gesamten Arbeitstemperatur der Faserspule, konstante Temperatur bezieht sich auf die Prüfung bei einem bestimmten Temperaturpunkt, und normale Temperatur bezieht sich auf die Prüfung bei einer Raumtemperatur von 25℃.

Die oben genannten Prüfungen beziehen sich auf die optische Leistung der Faserspule. Obwohl sich diese optischen Eigenschaften mehr oder weniger auf den Betrieb des FOG auswirken, sind sie noch zu grob, um die Leistung der Faserspule in der FOG-Anwendung zu beurteilen.

Die FOG-Leistungsprüfung ist ein Test, der die Leistung der Faserspule in FOG-Anwendungen wirklich bewertet. Bei jedem dieser Projekte müssen die Faserspule und das Faserspulen-Prüfsystem miteinander verschmolzen werden, um eine temporäre FOG zu bilden, und dann werden verschiedene Umgebungsfaktoren auf die FOG angewendet, um die FOG-Leistung der Faserspule zu bewerten.

Der Zero-Bias Peak-to-Peak-Test ist die Null-Bi-Drift des FOG bei voller Temperatur. Einerseits kann der Nullvorspannung-Spitze-Spitze-Wert als Leistungsindex der Faserspule ausgegeben werden, um die FOG-Leistung der Faserspule bei voller Temperatur zu bewerten. Andererseits kann es auch die Nullspannungsänderungskurve der Faserspule über den gesamten Betriebstemperaturbereich prüfen, um zu beurteilen, ob die Faserspule an einem bestimmten Temperaturpunkt Fehler aufweist. Gegenwärtig ist der Spitze-Spitze-Wert der Nullvorspannung der wichtigste Index für die Bewertung der FOG-Leistung der Faserspule.

Die Magnetfeldempfindlichkeitsprüfung ist ein Test zur Bewertung der Arbeitsstabilität der Faserspule unter dem Einfluss eines Magnetfeldes. Während des Tests muss das an die Faserspule angelegte Magnetfeld kontinuierlich gedreht werden, und dann wird der Bereich der Nullpunktsdrift des FOG als Ergebnis der Magnetfeldempfindlichkeit getestet. Der Hauptzweck der Prüfung besteht darin, zu beurteilen, wie stark der FOG durch den Erdmagnetismus beeinflusst wird.

Der Skalen-/Fehlstellungswinkel-Test misst die Änderung des Skalenfaktors und des Fehlstellungswinkels bei voller Temperatur der Faserspule. Der Skalierungsfaktor ist der oben beschriebene K-Wert, und der Ausrichtungswinkel ist der Abweichungswinkel zwischen der winkelgeschwindigkeitsempfindlichen Achse der Faserspule und der vertikalen Achse der Installationsfläche der Faserspule. Die Änderung des Skalenfaktors und des Ausrichtungswinkels wirkt sich direkt auf die Messgenauigkeit des FOG aus.

Der Anlauftest ist relativ speziell. Er misst die maximale Null-Bi-Drift, die durch die interne thermische Instabilität nach dem Start des FOG verursacht wird. Bei diesem Test wird die ungleichmäßige thermische Feldumgebung nach dem Start des FOG für die Faserspule simuliert und dann die Drift der Nullvorspannung getestet.

3． Schlussfolgerung

Dies ist das aktuelle Prüfschema für Faserspulen. Unter Bezugnahme auf die Beschreibung anderer Sensorparameter liefert der Test der Faserspulen jedoch einen Standardwert bei normaler Temperatur und normalem Druck sowie die Schwankungsbreite oder den Korrelationskoeffizienten des Messwerts, der durch einen einzigen Faktor beeinflusst wird. Die meisten FOG-Hersteller führen jedoch keine speziellen Messungen für Faserspulen durch, sondern installieren sie direkt auf dem FOG, nachdem sie den Verlust und das Extinktionsverhältnis der Faserspule überprüft haben, und bestimmen dann die Qualität der Faserspule anhand der Testbedingungen des FOG. Wenn das Testergebnis nicht gut ist, tauschen Sie die Faserspule oder andere Zubehörteile des FOG direkt aus, und führen Sie dann den Test durch, um die Ursache des Qualitätsproblems zu ermitteln. Für die Benutzer der Faserspule spart dieser Test die Kosten für die Prüfung der Faserspule, und die Testergebnisse sind genauer. Für die FOG-Hersteller bringt die Montage des FOG jedoch viele unnötige Faktoren mit sich, wie z. B. die Handhabung der Faserspulen-Pigtails, die Qualität des Schmelzpunkts und das Wärmefeld des FOG. Die Leistungsprobleme, die durch diese anderen Einflussfaktoren verursacht werden, können durch eine erneute Montage gelöst werden, aber die durch sie verursachten Ergebnisse müssen von der Faserspule getragen werden, und es besteht eine gewisse Diskrepanz zwischen den getesteten FOG-Leistungsindizes und der Produktion der Faserspule, und es ist schwierig, die Produktion der Faserspule direkt zu steuern. Daher ist diese Testmethode für Hersteller von Faserspulen nicht optimal. Ein standardisiertes Prüfverfahren für Glasfaserspulen hat sich jedoch noch nicht herausgebildet. Die Prüfung von Faserspulen erfolgt nach wie vor nach den Bedürfnissen der Kunden, und die Prüfnormen für Faserspulen befinden sich noch in der Erprobungs- und Erkundungsphase.