專利名稱：一種角位移光纖陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陀螺技術(shù)領(lǐng)域，尤其是用于高鐵軌道檢測(cè)或其他需要角位移輸出的光纖陀螺儀。
背景技術(shù)：
光纖陀螺儀是以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)的敏感元件，由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個(gè)方向沿光導(dǎo)纖維傳播，光傳播路徑的改變，決定了敏感元件的角位移。與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，光纖陀螺儀具有全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)；與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。隨著國(guó)內(nèi)光纖陀螺行業(yè)的近幾年飛速發(fā)展，光纖陀螺儀取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前，涌現(xiàn)了大量的中低精度水平的光纖陀螺儀，廣泛用于了海、陸、空等軍用、民用領(lǐng)域。但是，目前鐵路軌道檢測(cè)所用的光纖陀螺儀為角速率輸出型，而高鐵軌道檢測(cè)需要檢測(cè)出角度，從而判斷火車的轉(zhuǎn)彎情況以及爬坡情況，角速率輸出型的光纖陀螺儀勢(shì)必增加后續(xù)信號(hào)處理的復(fù)雜度。因此，能否使光纖陀螺儀具有角位移輸出功能，是使后續(xù)信號(hào)處理簡(jiǎn)單化的重要手段，對(duì)于光纖陀螺儀在高鐵軌道檢測(cè)領(lǐng)域進(jìn)一步推廣具有十分重要的意義。·
現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于角位移光纖陀螺儀有如下在先申請(qǐng)CN201010591848. 8公開一種基于光纖陀螺儀的角位移測(cè)量裝置及方法。其裝置包括相互連接的光纖陀螺儀和運(yùn)算處理單元。進(jìn)行角位移測(cè)量時(shí)包括如下步驟I)將光纖陀螺儀固定在被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置上，使光纖陀螺儀的測(cè)量軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行；2)在被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)下，運(yùn)算處理單元接收光纖陀螺儀的輸出值并計(jì)算測(cè)試時(shí)間內(nèi)的輸出值的平均值；3)使被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，在該旋轉(zhuǎn)過程中由運(yùn)算處理單元連續(xù)記錄光纖陀螺儀的輸出值；4)根據(jù)光纖陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)、步驟2)所述輸出值的平均值、步驟3)所述的光纖陀螺儀的各輸出值，由運(yùn)算處理單元計(jì)算得到被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置因旋轉(zhuǎn)所發(fā)生的角位移。該發(fā)明測(cè)試適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高。201010595176.8公開了一種提高光纖陀螺儀測(cè)量角位移精度的方法，包括以下步驟1)將光纖陀螺儀固定在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，使得光纖陀螺儀的測(cè)量軸和高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行。2)在不同的轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速率下標(biāo)定光纖陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)，獲得角速率跟標(biāo)度因數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。3)將光纖陀螺儀從高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上取下并固定在被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置上，使得光纖陀螺的測(cè)量軸和被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行。4)在被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置靜止條件下求測(cè)試時(shí)間內(nèi)光纖陀螺儀輸出值的平均值，5)旋轉(zhuǎn)被測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置，連續(xù)記錄光纖陀螺儀的各輸出值。6)利用步驟2)所述的對(duì)應(yīng)關(guān)系表、步驟4所述的輸出平均值、步驟5)所述的各輸出值，解算出旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)角度，即角位移。但以上兩項(xiàng)在先專利都是基于“角速率光纖陀螺儀”實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的，CN201010591848. 8還涉及了一種能實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的裝置，而非能實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的光纖陀螺儀，其構(gòu)成為角速率光纖陀螺儀和運(yùn)算處理單元，是將角速率光纖陀螺儀輸出的角速率數(shù)據(jù)通過通信電纜傳送至外部運(yùn)算處理單元進(jìn)行運(yùn)算處理后得到角位移數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。即在先專利中光纖陀螺儀輸出量仍是角速率，而本發(fā)明是具有角位移輸出功能的新型光纖陀螺儀，其輸出量是角位移。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明旨在提供一種具有角位移輸出功能的新型光纖陀螺儀，以解決光纖陀螺儀在高鐵軌道檢測(cè)領(lǐng)域信號(hào)處理復(fù)雜的問題，提供一種更適用于高速鐵路軌道檢測(cè)的光纖陀螺儀。
實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種角位移光纖陀螺儀，包括光路部分和電路部分；所述光路部分由光纖環(huán)、Y波導(dǎo)、耦合器、光源和探測(cè)器組成，在光路部分中，光信號(hào)通過薩格奈克效應(yīng)產(chǎn)生相移，相移信號(hào)寄生在干涉光強(qiáng)中并由探測(cè)器轉(zhuǎn)換輸出為探測(cè)器信號(hào)(電信號(hào))；在電路部分中，探測(cè)器輸出的探測(cè)器信號(hào)經(jīng)前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換，其特征在于電路部分還包括電路解算單元邏輯電路，電路解算單元邏輯電路通過對(duì)上述經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解調(diào)、數(shù)字濾波和積分處理，解算出光纖陀螺旋轉(zhuǎn)角度信息，并判斷、輸出角度方向；
所述電路解算單元邏輯電路芯片執(zhí)行以下步驟
1)電路初始化后，奇偶采樣程序在由公共時(shí)鐘分頻產(chǎn)生的控制時(shí)序的控制下對(duì)經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行奇偶采樣并分別得到奇采樣值和偶采樣值；
2)求差值模塊對(duì)奇采樣值和偶采樣值進(jìn)行求差值運(yùn)算，運(yùn)算輸出結(jié)果由第一數(shù)字濾波程序進(jìn)行處理；
3)第一數(shù)字濾波程序處理后的數(shù)據(jù)與寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作為加法器模塊的輸入，力口法運(yùn)算輸出結(jié)果存入寄存器中更新寄存器中原有數(shù)據(jù)，寄存器更新后的數(shù)據(jù)送往加法運(yùn)算模塊作為輸入?yún)⒓蛹臃ㄟ\(yùn)算的同時(shí)送往第二數(shù)字濾波程序進(jìn)行處理，第二數(shù)字濾波程序處理的結(jié)果送往積分器進(jìn)行積分運(yùn)算，積分運(yùn)算輸出即為角位移數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，所述電路部分還包括方波信號(hào)發(fā)生器、加法器和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；所述第二數(shù)字濾波程序處理后的輸出數(shù)據(jù)與方波發(fā)生器輸出信號(hào)作為加法器的輸入，加法器的輸出結(jié)果經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后得到反饋信號(hào)，反饋信號(hào)饋入光路部分中的Y波導(dǎo)使得整個(gè)角位移光纖陀螺儀構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果
現(xiàn)有技術(shù)是基于角速率光纖陀螺儀加上后續(xù)運(yùn)算處理單元實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的；本發(fā)明是僅通過重新設(shè)計(jì)了光纖陀螺中電路解算單元的邏輯電路部分，以及設(shè)計(jì)專門的算法程序就實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量功能。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的方法簡(jiǎn)單，不需要增加更多的硬件設(shè)施，并通過軟件的改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)；
2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的成本低，由于沒有增加其他器件就實(shí)現(xiàn)了角位移測(cè)量，因此,大大節(jié)約了產(chǎn)品的成本；3、本發(fā)明更適用于光纖陀螺的小型化發(fā)展需求，由于本發(fā)明僅靠電路解算單元的邏輯程序的重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了角位移測(cè)量功能，因此沒有額外增加產(chǎn)品的體積；
4、本發(fā)明更容易實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量和角速率測(cè)量的互換，即僅通過邏輯程序的更改即可實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量和角速率測(cè)量的互換。具體表現(xiàn)為以下兩方面優(yōu)勢(shì) 1)對(duì)光纖陀螺儀的電路解算板進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，通過對(duì)電路解算板上電路解算單元邏輯電路芯片的邏輯程序進(jìn)行改進(jìn)，使其更適用于高鐵軌道檢測(cè)等需要角位移輸出的領(lǐng)域。2)本發(fā)明具有角位移輸出功能，簡(jiǎn)化了光纖陀螺儀在高鐵軌道檢測(cè)領(lǐng)域中后續(xù)信號(hào)處理的復(fù)雜度，大幅度提高電路信號(hào)抗干擾能力，也有利于光纖陀螺儀在高速鐵路軌道檢測(cè)中的應(yīng)用；與速率陀螺相比，具有同等精度和穩(wěn)定性水平。


圖I為本發(fā)明角位移光纖陀螺儀原理框 圖2為本發(fā)明角位移光纖陀螺儀電路解算板信號(hào)流程 圖3為本發(fā)明角位移光纖陀螺儀電路解算單元邏輯電路程序算法框圖。
具體實(shí)施例方式如圖I、圖2所示，一種角位移光纖陀螺儀，包括光路部分和電路部分；所述光路部分由光纖環(huán)、Y波導(dǎo)、耦合器、光源和探測(cè)器組成，在光路部分中，光信號(hào)通過薩格奈克效應(yīng)產(chǎn)生相移，相移信號(hào)寄生在干涉光強(qiáng)中并由探測(cè)器轉(zhuǎn)換輸出為探測(cè)器信號(hào)(電信號(hào))；在電路部分中，探測(cè)器輸出的探測(cè)器信號(hào)經(jīng)前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換，其特征在于電路部分還包括電路解算單元邏輯電路，電路解算單元邏輯電路通過對(duì)上述經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解調(diào)、數(shù)字濾波和積分處理，解算出光纖陀螺旋轉(zhuǎn)角度信息，并判斷、輸出角度方向。其中，電路解算單元邏輯電路可選用FPGA芯片。如圖3所示，電路解算單元邏輯電路算法執(zhí)行以下步驟
O電路初始化后，奇偶采樣程序在由公共時(shí)鐘分頻產(chǎn)生的控制時(shí)序的控制下對(duì)經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行奇偶采樣并分別得到奇采樣值和偶采樣值；
2)求差值模塊對(duì)奇采樣值和偶采樣值進(jìn)行求差值運(yùn)算，運(yùn)算輸出結(jié)果由第一數(shù)字濾波程序進(jìn)行處理；
3)第一數(shù)字濾波程序處理后的數(shù)據(jù)與寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作為加法器模塊的輸入，力口法運(yùn)算輸出結(jié)果存入寄存器中更新寄存器中原有數(shù)據(jù)，寄存器更新后的數(shù)據(jù)送往加法運(yùn)算模塊作為輸入?yún)⒓蛹臃ㄟ\(yùn)算的同時(shí)送到第二數(shù)字濾波程序進(jìn)行處理，第二數(shù)字濾波程序處理的結(jié)果送往積分器進(jìn)行積分運(yùn)算，積分運(yùn)算輸出即為角位移數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，所述電路部分還包括方波信號(hào)發(fā)生器、加法器和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；所述第二數(shù)字濾波程序處理后的輸出數(shù)據(jù)與方波發(fā)生器輸出信號(hào)作為加法器的輸入，加法器的輸出結(jié)果經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后得到反饋信號(hào)，反饋信號(hào)饋入光路部分中的Y波導(dǎo)使得整個(gè)角位移光纖陀螺儀形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于創(chuàng)新改進(jìn)電路部分處理信號(hào)的程序、邏輯等，從而使得光纖陀螺儀具有角位移輸出功能。本發(fā)明在角速率光纖陀螺的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在沒有額外增加產(chǎn)品的體積、硬件電路以及成本的情況下對(duì)光纖陀螺儀的電路解算板以及對(duì)電路解算單元邏輯電路的邏輯程序進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光纖陀螺儀的角位移輸出功能，并與速率陀螺具有同等精度和穩(wěn)定性水平，使其更適用于高鐵軌道檢測(cè)領(lǐng)域或其他需要角位移輸出的領(lǐng)域。例如在高鐵軌道檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中將本發(fā)明角位移光纖陀螺儀安裝于高鐵列車上，根據(jù)光纖陀螺儀的角位移輸出量，可以判斷火車的轉(zhuǎn)彎情況、爬坡情況以及相應(yīng)的方向。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種角位移光纖陀螺儀，包括光路部分和電路部分；所述光路部分由光纖環(huán)、Y波導(dǎo)、耦合器、光源和探測(cè)器組成；在光路部分中，光信號(hào)通過薩格奈克效應(yīng)產(chǎn)生相移，相移信號(hào)寄生在干涉光強(qiáng)中并由探測(cè)器轉(zhuǎn)換輸出為探測(cè)器信號(hào)(電信號(hào))；在電路部分中，探測(cè)器輸出的探測(cè)器信號(hào)經(jīng)前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換；其特征在于電路部分還包括電路解算單元邏輯電路芯片，所述電路解算單元邏輯電路芯片通過對(duì)上述經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解調(diào)、數(shù)字濾波和積分處理，解算出光纖陀螺旋轉(zhuǎn)角度信息，并判斷、輸出角度方向； 所述電路解算單元邏輯電路芯片執(zhí)行以下步驟 1)電路初始化后，奇偶采樣程序在由公共時(shí)鐘分頻產(chǎn)生的控制時(shí)序的控制下對(duì)經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行奇偶采樣并分別得到奇采樣值和偶采樣值； 2)求差值模塊對(duì)奇采樣值和偶采樣值進(jìn)行求差值運(yùn)算，運(yùn)算輸出結(jié)果由第一數(shù)字濾波程序進(jìn)行處理； 3)第一數(shù)字濾波程序處理后的數(shù)據(jù)與寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作為加法器模塊的輸入，力口法運(yùn)算輸出結(jié)果存入寄存器中更新寄存器中原有數(shù)據(jù)，寄存器更新后的數(shù)據(jù)送往加法運(yùn)算模塊作為輸入?yún)⒓蛹臃ㄟ\(yùn)算的同時(shí)送往第二數(shù)字濾波程序進(jìn)行處理，第二數(shù)字濾波程序處理的結(jié)果送往積分器進(jìn)行積分運(yùn)算，積分運(yùn)算輸出即為角位移數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種角位移光纖陀螺儀，其特征在于所述電路部分還包括方波信號(hào)發(fā)生器、加法器和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；所述第二數(shù)字濾波程序處理后的輸出數(shù)據(jù)與方波發(fā)生器輸出信號(hào)作為加法器的輸入，加法器的輸出結(jié)果經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后得到反饋信號(hào)，反饋信號(hào)饋入光路部分中的Y波導(dǎo)使得整個(gè)角位移光纖陀螺儀構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種角位移光纖陀螺儀，包括光路部分和電路部分；所述光路部分由光纖環(huán)、Y波導(dǎo)、耦合器、光源和探測(cè)器組成，在光路部分中，光信號(hào)通過薩格奈克效應(yīng)產(chǎn)生相移，相移信號(hào)寄生在干涉光強(qiáng)中并由探測(cè)器轉(zhuǎn)換輸出為探測(cè)器信號(hào)(電信號(hào))；在電路部分中，探測(cè)器輸出的探測(cè)器信號(hào)經(jīng)前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換，電路部分還包括電路解算單元邏輯電路，電路解算單元邏輯電路通過對(duì)上述經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解調(diào)、數(shù)字濾波和積分處理，解算出光纖陀螺旋轉(zhuǎn)角度信息，并判斷、輸出角度方向。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于創(chuàng)新改進(jìn)電路部分處理信號(hào)的程序、邏輯等，從而使得光纖陀螺儀具有角位移輸出功能。
文檔編號(hào)G01C19/72GK102901495SQ20121039986
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者劉平, 陳斌, 李光輝, 王樹春, 顧云飛 申請(qǐng)人:重慶華渝電氣儀表總廠