Análisis de problemas de deriva de temperatura y métodos de compensación para giroscopios de fibra óptica

Explore el impacto de la deriva de temperatura en los giroscopios de fibra óptica (FOG), los métodos de compensación efectivos y los resultados experimentales. Descubra cómo los modelos polinómicos de tercer orden mejoran la precisión en un 75 %.

Los giroscopios de fibra óptica (FOG), un nuevo tipo de instrumento de medición de velocidad angular de alta precisión, se han utilizado ampliamente en aplicaciones militares, comerciales y civiles gracias a su tamaño compacto, alta fiabilidad y larga vida útil, lo que demuestra un amplio potencial de desarrollo. Sin embargo, cuando las temperaturas de funcionamiento fluctúan, sus señales de salida presentan derivas, lo que afecta significativamente la precisión de la medición y limita su ámbito de aplicación. Por lo tanto, estudiar los patrones de deriva de los FOG e implementar la compensación de errores se ha convertido en un reto crucial para mejorar su adaptabilidad a entornos de temperatura variable.

Mecanismos de los efectos de la temperatura en los giroscopios de fibra óptica

Los FOG son giroscopios ópticos basados ​​en el efecto Sagnac, compuestos por una fuente de luz, un fotodetector, un divisor de haz y una bobina de fibra. La temperatura afecta la precisión del giroscopio al interferir con el rendimiento de sus componentes internos:

Bobina de fibra: Como componente principal, la bobina de fibra genera el efecto Sagnac al rotar con respecto al espacio inercial. Las perturbaciones de temperatura alteran la reciprocidad estructural del FOG, lo que provoca errores de diferencia de fase.

Fotodetector: Las variaciones de temperatura ambiental introducen un ruido significativo en el detector y producen una corriente oscura dependiente de la temperatura. La resistencia de carga del detector también se ve afectada por la temperatura.

Fuente de luz: El rendimiento térmico de la fuente de luz está estrechamente relacionado con la precisión del desfase de Sagnac. Las variaciones en la potencia de salida, la longitud de onda media y el ancho espectral a diferentes temperaturas influyen aún más en la señal de salida del giroscopio.

Métodos existentes para la compensación de la deriva de temperatura

Actualmente, existen tres métodos principales para mitigar la deriva de temperatura:

Dispositivos de control de temperatura de hardware: La incorporación de sistemas de control de temperatura localizados a los FOG permite compensar errores de temperatura en tiempo real. Sin embargo, esto aumenta el volumen y el peso, lo que contradice la tendencia hacia la miniaturización.

Modificaciones de la estructura mecánica: Técnicas como el método de bobinado cuadrupolo garantizan efectos de temperatura simétricos en la bobina de fibra, lo que reduce la interferencia no recíproca. Sin embargo, la deriva residual aún afecta la detección de la velocidad angular.

Compensación de modelado de software: establecer modelos de temperatura para compensación ahorra espacio y reduce costos, lo que lo convierte en el método principal en la práctica de ingeniería.

Experimentos de temperatura y análisis de modelos

Diseño experimental

Las pruebas se realizaron en tres rangos de temperatura:

0°C a 20°C
-40°C a -20°C
40°C a 60°C

Se fijó la temperatura inicial de la cámara térmica, se mantuvo durante 4 horas y luego se ajustó a una velocidad de 5 °C/h. Se registraron los datos de salida del giroscopio. El sistema de prueba se muestra en la Figura 1, con un intervalo de muestreo de 1 segundo y datos suavizados durante 100 segundos.

Hallazgos clave

El análisis de las curvas de salida reveló:

La salida del giroscopio exhibió oscilaciones significativas con los cambios de temperatura.

La curva de salida siguió las mismas tendencias ascendentes o descendentes que la curva de tasa de temperatura.

La deriva de la temperatura estaba estrechamente relacionada con la temperatura interna y su tasa de cambio.

Modelo de compensación

Se desarrolló un modelo de compensación polinomial de tercer orden, incorporando los siguientes factores:

Modelo de factor de temperatura:

Lout=L0+∑i=13ai(T−T0)i+∑j=13bjTjLout​=L0​+i=1∑3​ai​(T−T0​)i+j=1∑3​bj​Tj​

Después de la compensación, la estabilidad de polarización alcanzó 0,0200°/h.

Modelo de tasa de temperatura:
La introducción del término de tasa de temperatura mejoró la estabilidad del sesgo a 0,0163°/h.

Modelo integral:
Al considerar tanto la temperatura como su tasa de cambio, la estabilidad del sesgo mejoró significativamente a 0,0055°/h, logrando una reducción del 77% en el error.

Resultados de compensación segmentada

Se aplicaron diferentes parámetros para la compensación en distintos rangos de temperatura, con los siguientes resultados:

Tras la compensación, la amplitud de oscilación de las curvas de salida se suprimió significativamente, volviéndose más estable. La reducción promedio del error en los tres rangos de temperatura fue de aproximadamente el 75 %.

Conclusión y perspectivas

El modelo de compensación de temperatura de polarización de tercer orden propuesto, que considera la temperatura actual, la desviación de temperatura inicial y la tasa de temperatura, ha demostrado experimentalmente que mejora eficazmente las señales de salida del giroscopio y aumenta significativamente la precisión. Este método se puede aplicar a los modelos FOG de Micro-Magic, como el U-F3X80, el U-F3X90, el U-F3X100, el U-F100A y el U-F300.

Sin embargo, la investigación actual aún presenta limitaciones, como la discontinuidad del historial de temperatura y la cobertura insuficiente de la muestra. El trabajo futuro debería centrarse en el desarrollo de métodos de compensación para la deriva de temperatura en todo el rango de temperaturas. Para aplicaciones de ingeniería, la compensación mediante modelado de software demuestra un gran potencial como solución rentable para equilibrar la precisión y la practicidad.