考虑温度特性的单轴光纤陀螺结构优化设计.pdf

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1、硕士学位论文考虑温度特性的单轴光纤陀螺结构优化设计STRUCTUREOPTIMIZATIONDESIGNOFSINGLE-AXISFIBEROPTICGYROSCOPEBASEDONTEMPERATURECHARACTERISTICS吴鹏飞哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH122学校代码：10213国际图书分类号：62-97密级：公开工程硕士学位论文考虑温度特性的单轴光纤陀螺结构优化设计硕士研究生：吴鹏飞导师：高伟教授申请学位：工程硕士学科：仪器仪表工程所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified

2、Index:TH122U.D.C:62-97DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTRUCTURALOPTIMIZATIONDESIGNOFSINGLE-AXISFIBEROPTICGYROSCOPEBASEDONTEMPERATURECHARACTERISTICSCandidate：WuPengfeiSupervisor：Prof.GaoWeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentandMeterEngineeringAff

3、iliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：June，2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要光纤陀螺作为国内20世纪发展起来的新型惯性器件，具有无运动转子、动态范围广、寿命长、抗干扰能力强等诸多优点，因此被广泛应用于航海、航空、航天等诸多领域。目前，国内的光纤陀螺精度一般在1%，随着光纤陀螺应用的推广，惯导级光纤陀螺的精度已经越来越难以满足当代的需求。温度是影响光纤

4、陀螺精度的主要原因，因此改善温度对光纤陀螺性能的影响成为目前对光纤陀螺研究的重中之中。论文以光纤陀螺的启动时间和热致非互易误差为温度性能衡量标准，研究常温下的单轴光纤陀螺最优结构。使得单轴光纤陀螺的启动时间尽量短，热致非互易误差尽量小。首先，分析影响光纤陀螺启动时间和热致非互易误差的理论因素。由能量守恒定律和传热理论可知，光纤陀螺的启动时间长短实质是陀螺内部在热源发热时散热快慢的问题，因此通过结构改进以加快其自身内部热源散热便可达到缩短陀螺启动时间的目的。建立光纤陀螺热致非互易误差的数学模型，得出影响其大小的因素是光纤环内部的温度梯度和温度变化量，因此减小热致非互易

5、误差的根本途径是减小光纤环各层各匝的温度梯度和温度变化量。其次，准确建立了单轴光纤陀螺的原始物理模型，并对其进行了常温下的热仿真，根据仿真结果对陀螺结构的某些具体部位进行分析，得出了对光纤陀螺温度性能影响最为严重的部位。物理模型包括结构模型和各个物理参数，因此物理模型的准确建立需要准确的结构尺寸和准确的物性参数，包括陀螺各组成部件的材料、换热方式、热源热功率、对流换热系数等，此后对物理模型进性验证，以仿真所得的启动时间和光纤环表面温度与实际的启动时间和所测温度作对比，得到单轴光纤陀螺物理模型准确的结论。根据该物理模型的热仿真结果，得出光源是对陀螺性能影响最大的热源。

6、在原始物理模型的基础上对其施加不同的换热条件，得出对光纤陀螺性能影响最大的结构为外壳与陀螺内腔，二者分别以热传导和热对流的形式影响光纤陀螺的启动时间和热致非互易误差。进一步，研究光纤陀螺各结构部位的具体特征对其启动时间和热致误差的影响。分别从热源、陀螺内腔、缓冲垫、光纤环槽和陀螺外壳五方面入手，对其形状、材料、换热系数、厚度进行研究，得出不同结构特征对陀螺启动时间和热致误差的影响。并据此对光纤环槽重新进行设计。最后，重新设计单轴光纤陀螺结构并验证其性能。根据前一部分的分析，-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文对单轴光纤陀螺结构进行整体设计并仿真，仿真结果有力的说明了

7、光纤陀螺新结构在缩短启动时间和减小热致非互易误差的优越性。考虑到实际陀螺内部各部件的安装性，对新结构再次进行改进和仿真，仿真结果在减小启动时间和热致误差上的效果更加明显。根据此结构制造出实物，进行常温下的静态实验，实验结果表明陀螺的启动时间和热致非互易误差得到很大改善，启动时间由。。1800s降为900s，热致非互易误差由理论的0.005/h降为0.001/h，实际热致。。误差由0.0068/h降为0.005/h。关键词：光纤陀螺；启动时间；热致非互易误差；结构优化；热仿真-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractAsanewtypeofinerti