CN1215169A - 偏置光纤旋转传感器线圈 - Google Patents
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Abstract
光纤带被用于构成供Sagnac效应光纤旋转传感器使用的传感线圈。光纤带在每个线圈绕组匝上提供了一个径向层并且可以做成四极空间匝分布。
Description
本发明通常涉及光纤旋转传感器，特别涉及这类传感器中用以减少热诱导非互易效应的传感线圈的成形技术。本发明特别涉及利用光纤带构成光纤旋转传感器用的传感线圈。
光纤旋转传感器理论分析表明，这类传感器能够测量0.01°/h或者更高的转速。这些分析假定环形干涉仪内的限制噪声是光电检测器的散粒噪声。该灵敏度范围可将光纤旋转传感器用作导航级陀螺仪，与激光陀螺仪和普通自旋质量陀螺仪相媲美。
实验结果表明，灵敏度并不受散粒噪声限制而是受到光纤传感线圈和其它光路部分内非互易噪声(即缓慢变化的偏置)的限制。通过使干涉仪在单模双折射光纤中只使用单极化状态，可以在很大程度上抑制非互易噪声。但是，即使采用了单模和单极化状态，光纤旋转传感器的精度也可能受到光纤线圈中热诱导非互易性的限制。这种热诱导非互易性称为Shupe效应并且在Shupe的“光纤干涉仪中热诱导非互易性”一文中(Applied Optics,Vol.19(5),654-655(1980))有所论述。
光纤旋转传感器中的Shupe效应由热诱导随时间变化的光路长度不对称引起。当距线圈中心等距离的相应光纤段具有不同的导热速率和应力变化速率环境时将发生Shupe效应。如果沿光纤存在时变温度梯度，则可能产生热诱导非互易性。当两个反转束中的对应波前(例如同时沿不同方向进入线圈的光脉冲)在不同的时刻经过光纤同一区域时会发生非互易性。如果光纤传播常数沿光纤以不同的速率变化时，两个反转束中相应的波前所经过的有效光程略微不同。这形成了非互易相移，它与旋转引起的相移无法区分。
在N.J.Frigo的“Sagnac干涉仪中非互易线性光源补偿”一文中(Fiber Opticand Laser Sensors I,Proc.SPIE Vol.412,pp.268-271(1983))论述了减轻Shupe效应的四极线圈绕组技术。四极线圈绕组使得与线圈中心等距离的所有光纤段相互径向靠近放置。四极线圈绕组要求线圈绕制工人有高超的技艺以达到满意的效果。即使是最出色的工人，也有可能绕错匝数，从而使四极绕组线圈的Shupe偏置性能变差。
本发明通过提供构成传感线圈的光纤带减少了出现绕组缺陷的可能性。光纤带在每个线圈绕组匝上提供了一个径向层并且可以具有与前述四极绕组类似的四极空间匝分布。
按照本发明的用于对光纤旋转传感器形成光纤传感线圈的方法包括以下步骤：将多根光纤1,2,...N相互平行排列成平面列阵并且将多根光纤嵌入柔性材料中以保持平行关系，从而构成具有一对带端部的光纤带。带被卷成螺旋状，并且使带端部接触。带中相邻的光纤端部以片状形式对接交接在一起以形成具有顺时针输入导引和逆时针输入导引的光纤线圈。
在实施本发明的非常简单的方案中，交换的光纤端部比较好的排列成一端相对另一端侧向位移一根光纤。在较为复杂的实施方案中，被交接光纤端部的交接次序比较好的是排列成沿线圈轴向提供四极分布。交接次序比较好的是使得来自顺时针输入导引的光输入在第一选定螺线线圈中向内传播，而来自逆时针导引的光输入在靠近选定线圈的螺线内向外传播。
通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述可以进一步理解本发明的目标。
图1为光纤带的剖面图；
图2为按照本发明用光纤带形成的线圈的透视图；以及
图3为示意图，它示出了光信号在用光纤带构成的四极型线圈内的传播方向。
如图1所示，光纤带10由N个平行光纤12A,12B,...12N的平面阵列构成。光纤12A,12B,...12N比较好的是利用包住光纤12A,12B,...12N的柔性塑料14固定在一起。光纤带10包括只是用来示意光纤带基本结构的8根光纤。光纤带可以经济而精确地制造并且现已应用于局域网。
形成简单的光纤带线圈15的步骤包括把带10卷成多层螺旋状。随后对于简单的实现方案，带10的外端相对内端偏离一根光纤与内端接触。图2示出了单层线圈的这种过程。这些步骤形成一个顺时针(CW)自由端16、一个逆时针(CCW)自由端18和N-1个交接20-26。图2用成对的交叉线表示交接20-25。
在线圈中绕M层产生M*N匝。这样设计的CW传播光线波通过第一螺线向外螺旋，随后以简单的平移方式返回内径，从内径处再次向外螺旋。
上述简单的交接技术对于CW和CCW匝给出相同的径向分布。但是在轴向上，CW光纤段位于一端，例如底部，而CCW段位于顶部，如果存在轴向温度梯度，则产生Shupe偏置。为了解决这个问题，需要将沿轴向简单行进的交接次序变更为沿轴向给出四极螺旋分布的次序。按照Frigo的观点，在四极线圈中，光在外面的两个螺线1和4中传播CCW而在内部的两个螺线2和3中传播CW。为此，假定来自光纤旋转传感器的CW导引的光线可以通过顶部螺线1向外传播CCW。来自光纤旋转传感器的CCW导引的光线将沿着另一方向注入螺线2并且通过相邻的螺线向内传播，并通过相邻的下一螺线3向内传播。从螺线1出来的CW导引光线将注入螺线4并且如图3所示向外传播。这样完成了一个四极周期。这种互换交接方向的过程持续下去直到如图3所示到达12根光纤或者3个四极的带底部。因此四极绕组沿轴向形成。
带中光纤的数量必须为四均分。这给出了对大致与现有径向四极绕组线圈同样高Shupe偏置的抗干扰性。利用带光纤构成传感线圈的优点是减少了线圈绕制的人工并且提高了匝分布精度。一般要求在光纤旋转传感器线圈中心的光源相干长度内不能有交接。因此在偏移的额定中心交接处需要额外的导引长度。由于线圈中导引微调误差，将引起轻微的Shupe偏置，由于普通光源的相干长度只有1毫米左右，所以这种影响不大。因此只需要几个毫米的导引不平衡。
以上描述了本发明的基本原理。本领域内普通技术人员通过以上的描述，无需创造性的劳动即可对本发明作出各种修改和改动，因此本发明的精神和实质由后面所附权利要求限定。
Claims (5)
1．一种对光纤旋转传感器形成光纤传感线圈的方法，其特征在于包括以下步骤：
将多根光纤1,2,...N相互平行排列成平面阵列；
将多根光纤嵌入柔性材料中以保持平行关系，从而构成具有一对带端部的光纤带；
将带卷成螺旋状；
使带端部接触；
在选定的光纤端部之间形成对交接以形成具有顺时针输入导引和逆时针输入导引的光纤线圈。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步骤：通过排列带选择待交接的光纤端部，从而使一端相对另一端侧向位移一根光纤。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于选择待交接光纤端部的步骤包括更改交接次序以沿线圈轴向提供四极分布。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于包括以下步骤：更改交接次序，使得顺时针输入导引的光输入在第一选定螺线线圈中向内传播，而逆时针导引的光输入在靠近选定线圈的螺线内向外传播。
5．一种光纤线圈，其特征在于包括：
相互平行排列成平面阵列的多根光纤1,2,...N；
嵌入多根光纤的柔性材料，用来保持光纤的平行关系从而构成具有一对带端部的光纤带；
形成于光纤带内的螺线；以及
在光纤带中选定的光纤端部之间形成多个对接交接，用来形成具有顺时针输入导引和逆时针输入导引的光纤线圈。
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