專利名稱：一種對y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐返闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬光纖傳感領(lǐng)域，涉及一種對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，尤其涉及一種適用于光纖陀螺、光纖電流傳感器及其他相關(guān)光纖傳感器中基于熱敏電阻對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐贰?br> 背景技術(shù)：
干涉式光纖陀螺中使用的Y型波導(dǎo)是使用集成光學(xué)技術(shù)封裝的具有多個功能的重要光學(xué)器件。Y型波導(dǎo)主要提供3大功能分束、起偏、相位調(diào)制。其中相位調(diào)制部分最為重要，受溫度干擾也最嚴(yán)重。Y型波導(dǎo)相位調(diào)制部分由LiNbO^e0體封裝而成。由于線性電光效應(yīng)，在LiNbO3晶體的側(cè)向加上電壓后，其折射率將發(fā)生改變，進(jìn)而使通過該晶體的光產(chǎn)生附加相位差。相位差的值可以用側(cè)向電壓的大小加以控制，可以使用數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)Y型波導(dǎo)精確的相位調(diào)制。
πτ入射光波通過長度為L的LiNbO3晶體后的電光相位延遲為Φ = -Ky22V，其中，
AU
D表示LiNbO3晶體在加電壓方向的厚度。Y波導(dǎo)相位調(diào)制中的電感生相位與被調(diào)制光波的非常光的折射率η0和Y波導(dǎo)電光系數(shù)r333有關(guān)，這兩個參數(shù)受溫度影響變化。因而，溫度變化引起Y波導(dǎo)附加相位調(diào)制。研究表明，溫度升高時，引起的附加相位漂移使相位調(diào)制量增大；溫度下降時，引起的附加相位漂移使相位調(diào)制量減小。最終導(dǎo)致光纖陀螺或光纖電流傳感器產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。為了補(bǔ)償環(huán)境溫度變化引起Y型波導(dǎo)的附加相位漂移，目前已有的解決方案有以下幾種(1)對光纖陀螺進(jìn)行溫度漂移實(shí)驗(yàn)，將漂移數(shù)據(jù)存儲在FPGA程序中，利用FPGA芯片建立查找表；然后在光纖陀螺內(nèi)部的不同位置安裝數(shù)字型溫度傳感器，陀螺工作時，溫度傳感器測量到的溫度值傳入FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)查找表的數(shù)據(jù)獲得陀螺在當(dāng)前溫度下的漂移量大小，用以校正光纖陀螺的輸出值，(見毛獻(xiàn)輝博士論文環(huán)形干涉光纖傳感器若干關(guān)鍵問題研究，P53-58，[博士學(xué)位論文]，北京清華大學(xué)，2005)。(2)采用第二反饋回路的四態(tài)方波調(diào)制方案。相隔半周期的兩個采樣值相減給出陀螺的增益誤差量，兩個反饋回路根據(jù)數(shù)字量產(chǎn)生適當(dāng)?shù)南辔浑A梯和增益補(bǔ)償，避免了 LiNbO^e0體溫度漂移。(見陳世同，孫楓，李緒友.集成光學(xué)相位調(diào)制器相位漂移補(bǔ)償方法研究，哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29 (1) 45-49)(3)在光路結(jié)構(gòu)中引入負(fù)折射率溫度系數(shù)的晶體，與Y型波導(dǎo)的LiNbO3晶體串聯(lián)并盡量貼近；加入的新晶體與產(chǎn)生附加相位漂移的LiNbO3晶體近似經(jīng)歷相同的溫度變化， 產(chǎn)生相反的附加相位漂移；選擇合適的晶體及其參數(shù)，就能夠較好的補(bǔ)償光纖陀螺隨溫度的漂移。在以上三種補(bǔ)償方案中，方案1使用的數(shù)字型溫度傳感器難以兼顧精度和反應(yīng)速度；另一方面，為每只陀螺建立溫度漂移數(shù)據(jù)后才能寫入光纖陀螺FPGA程序中，實(shí)現(xiàn)過程非常繁瑣，難以工程化。方案2采用第二反饋回路的四態(tài)方波調(diào)制方案時，當(dāng)光源光譜形狀不對稱時，會引入更大的誤差；算法上較難實(shí)現(xiàn)；過于依賴系統(tǒng)自身的性能，尤其是受到外界干擾噪聲影響時，易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰和誤差。方案3引入的負(fù)折射率溫度系數(shù)晶體，破壞了 Y型波導(dǎo)的封裝結(jié)構(gòu)，難以保證光路互易性；加工過程中微小的切割、對準(zhǔn)誤差將引起光路中的更大誤差。因此，目前的這些解決方案在工藝上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、繁瑣，急需另外尋找更理想的解決方案。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種工藝簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)、成本低以及不破壞Y型波導(dǎo)良好封裝結(jié)構(gòu)的對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?。本?shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型提供了一種對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，其特殊之處在于所述對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐钒M信號運(yùn)放電路、Y型波導(dǎo)以及熱敏電阻；所述模擬信號運(yùn)放電路包括電壓輸入端、電壓輸出端、第一電阻、第二電阻、反饋電阻&以及集成運(yùn)算放大器；所述集成運(yùn)算放大器包括反相輸入端、同相輸入端以及輸出端；所述電壓輸入端通過第一電阻接入集成運(yùn)算放大器的反相輸入端；所述電壓輸入端通過第二電阻接入集成運(yùn)算放大器的同相輸入端；所述運(yùn)放電路的電壓輸出端通過反饋電阻艮引回集成運(yùn)算放大器的反相輸入端；所述集成運(yùn)算放大器的輸出端接入電壓輸出端；所述電壓輸出端接入Y型波導(dǎo)并為Y型波導(dǎo)施加調(diào)制電壓； 所述模擬信號運(yùn)放電路的放大倍數(shù)由反饋電阻Rf與第一電阻的比值決定；所述熱敏電阻與第一電阻和/或反饋電阻&并聯(lián)在一起。上述熱敏電阻設(shè)置于Y型波導(dǎo)上。上述Y型波導(dǎo)包括LiNbO3晶體，所述熱敏電阻貼附于LiNbO3晶體上。上述熱敏電阻與第一電阻并聯(lián)時，所述熱敏電阻是正溫度系數(shù)熱敏電阻；所述熱敏電阻與反饋電阻&并聯(lián)時，所述熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型提供了一種對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，適用于光纖陀螺、光纖電流傳感器及其他相關(guān)光纖傳感器領(lǐng)域。鈮酸鋰集成光學(xué)相位調(diào)制器(Y型波導(dǎo)) 是數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的核心器件。溫度變化引起相位調(diào)制器產(chǎn)生附加相位漂移，導(dǎo)致光纖陀螺零點(diǎn)漂移。本實(shí)用新型通過用熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路替換Y型波導(dǎo)驅(qū)動電路中運(yùn)放電路的第一電阻和/或反饋電阻&，熱敏電阻與Y型波導(dǎo)中的LiNb03晶體盡量貼近。溫度變化時，引起Y型波導(dǎo)附加相位漂移；而熱敏電阻阻值的變化引起Y型波導(dǎo)驅(qū)動電路中運(yùn)放電路的放大倍數(shù)變化，Y型波導(dǎo)上施加的調(diào)制電壓變化，引起調(diào)制相位量發(fā)生變化。選擇合適的熱敏電阻，就可以補(bǔ)償溫度引起的Y型波導(dǎo)附加相位漂移，解決光纖陀螺或光纖電流傳感器隨溫度的零點(diǎn)漂移問題，具體而言，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時補(bǔ)償。溫度變化引起熱敏電阻阻值變化與Y型波導(dǎo)附加相位漂移現(xiàn)象同時發(fā)生，保證了溫度補(bǔ)償?shù)木群头磻?yīng)速度。[0020]2、易批量處理一系列光纖傳感器產(chǎn)品中Y型波導(dǎo)溫度漂移問題。不需要逐個對于單個光纖傳感器溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)過程簡單。方法簡單，只需要在Y型波導(dǎo)驅(qū)動電路中電阻上并聯(lián)熱敏電阻，工藝簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)。3、本實(shí)用新型采用的熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。因而容易獲得符合要求的材料，而且價(jià)格便宜、成本低。4、熱敏電阻與Y型波導(dǎo)中的LiNb03晶體盡量貼近，不破壞Y型波導(dǎo)的良好封裝結(jié)構(gòu)，不會再引入其他誤差，本技術(shù)抗外界干擾能力強(qiáng)。5、應(yīng)用范圍廣?；诒緦?shí)用新型所提供的技術(shù)方案，不僅可以對光纖陀螺零點(diǎn)漂移的理想補(bǔ)償方案，還可用于其他電光晶體制成的電光調(diào)制器溫度引起漂移的補(bǔ)償，如電光晶體LiTa03、BaTi03等，可以根據(jù)電光晶體的溫度漂移特性選擇熱敏電阻的類型。

圖1是本實(shí)用新型較佳的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型帶有熱敏電阻的補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
用熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路替換Y型波導(dǎo)驅(qū)動電路中的運(yùn)放電路的第一電阻(R1) 和/或反饋電阻Rf。熱敏電阻與Y型波導(dǎo)的LiNbO3晶體盡量貼近如圖1所示；利用熱敏電阻阻值的溫度敏感性，溫度引起熱敏電阻阻值變化改變運(yùn)放電路的放大倍數(shù)，運(yùn)放電路的放大倍數(shù)由等效電阻第一電阻(R1)和反饋電阻&的比值IVR1決定，因此Y型波導(dǎo)的調(diào)制電壓與運(yùn)放電路的放大倍數(shù)成正比。用熱敏電阻構(gòu)成補(bǔ)償電路替換Y型波導(dǎo)驅(qū)動電路中運(yùn)放電路的第一電阻(R1)和/或反饋電阻&。熱敏電阻與Y型波導(dǎo)的LiNbO3晶體盡量貼近如圖1所示，當(dāng)溫度升高時，引起Y型波導(dǎo)正的附加相位漂移，使相位調(diào)制量變大；而溫度升高引起熱敏電阻阻值變化使比值下降，施加于Y型波導(dǎo)上的調(diào)制電壓變小，相位調(diào)制量降低，從而可以補(bǔ)償溫度引起的附加相位漂移。溫度降低時亦然。Y型波導(dǎo)的調(diào)制電壓發(fā)生變化，引起調(diào)制相位變化。選擇合適溫度系數(shù)的熱敏電阻就能使其補(bǔ)償溫度引起Y型波導(dǎo)的附加相位漂移。熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路為將一個阻值較大的電阻&和熱敏電阻Rt串聯(lián)起來，然后再與電阻Rtl并聯(lián)起來，其結(jié)構(gòu)如圖2所示；熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路替換Y型波導(dǎo)驅(qū)動電路中運(yùn)放電路的第一電阻(R1)或反饋電阻&。本實(shí)用新型熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路替換Y型波導(dǎo)驅(qū)動電路中運(yùn)放電路電阻的方式有三種熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路替換反饋電阻&時，選擇負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 (NTC)；熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路替換第一電阻(R1)時，選擇正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)。 熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償電路同時替換第一電阻(R1)和反饋電阻&時，選擇合適(正溫度系數(shù)或負(fù)溫度系數(shù))熱敏電阻，使其滿足溫度升高或降低時使Y型波導(dǎo)上施加的調(diào)制電壓變小或變大，從而補(bǔ)償溫度變化引起的Y型波導(dǎo)附加相位漂移；為了解決熱敏電阻溫度非線性效應(yīng)可以采用溫度系數(shù)很小的精密電阻與NTC熱敏電阻串、并聯(lián)及混聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)來代替單個熱敏電阻的方法，使熱敏電阻阻值在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。[0030]熱敏電阻應(yīng)與Y型波導(dǎo)中的LiNbO3晶體盡量貼近如圖1所示，以達(dá)到溫度變化時， 熱敏電阻的阻值也隨之變化。熱敏電阻形狀可以是片狀、薄膜、塊狀等。本實(shí)用新型基本工作原理是溫度變化將造成Y型波導(dǎo)L、D和η。的變化，從而改變相位延遲量Φ，對于調(diào)制相位為φ的Y型波導(dǎo)，溫度變化ΔΤ時Y型波導(dǎo)會產(chǎn)生附加相位漂移為
權(quán)利要求1.一種對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐罚涮卣髟谟谒鰧型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐钒M信號運(yùn)放電路、Y型波導(dǎo)以及熱敏電阻；所述模擬信號運(yùn)放電路包括電壓輸入端、電壓輸出端、第一電阻、第二電阻、反饋電阻&以及集成運(yùn)算放大器；所述集成運(yùn)算放大器包括反相輸入端、同相輸入端以及輸出端；所述電壓輸入端通過第一電阻接入集成運(yùn)算放大器的反相輸入端；所述電壓輸入端通過第二電阻接入集成運(yùn)算放大器的同相輸入端；所述電壓輸出端通過反饋電阻&引回集成運(yùn)算放大器的反相輸入端；所述集成運(yùn)算放大器的輸出端接入電壓輸出端；所述電壓輸出端接入Y型波導(dǎo)并為Y 型波導(dǎo)施加調(diào)制電壓；所述模擬信號運(yùn)放電路的放大倍數(shù)由反饋電阻Rf與第一電阻的比值決定；所述熱敏電阻與第一電阻和/或反饋電阻&并聯(lián)在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，其特征在于所述熱敏電阻設(shè)置于Y型波導(dǎo)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，其特征在于所述Y型波導(dǎo)包括LiNbO3晶體，所述熱敏電阻貼附于LiNbO3晶體上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，其特征在于所述熱敏電阻與第一電阻并聯(lián)時，所述熱敏電阻是正溫度系數(shù)熱敏電阻；所述熱敏電阻與反饋電阻&時，所述熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，包括模擬信號運(yùn)放電路、Y型波導(dǎo)以及熱敏電阻；模擬信號運(yùn)放電路包括電壓輸入端、電壓輸出端、第一電阻、第二電阻、反饋電阻RF以及集成運(yùn)算放大器；電壓輸入端通過第一電阻接入集成運(yùn)算放大器的反相輸入端；電壓輸入端通過第二電阻接入集成運(yùn)算放大器的同相輸入端；運(yùn)放電路的電壓輸出端通過反饋電阻RF引回集成運(yùn)算放大器的反相輸入端；集成運(yùn)算放大器的輸出端接入電壓輸出端；電壓輸出端接入Y型波導(dǎo)；熱敏電阻與第一電阻和/或反饋電阻RF并聯(lián)在一起。本實(shí)用新型提供了一種易于工程實(shí)現(xiàn)、成本低以及不破壞Y型波導(dǎo)良好封裝結(jié)構(gòu)的對Y型波導(dǎo)附加相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐贰?br> 文檔編號G01D3/028GK202177384SQ20112026965
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者劉尚波, 徐金濤, 王英利, 王輝 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所