CN103712634B

CN103712634B - 光纤陀螺振动-磁场交叉耦合度的测量方法

Info

Publication number: CN103712634B
Application number: CN201310721542.3A
Authority: CN
Inventors: 张登伟; 周彦汝; 舒晓武; 车双良; 刘承
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103712634A

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺振动-磁场交叉耦合度的测量方法。本发明公开的测量方法的主要测试步骤是将光纤陀螺放置于振动平台上，并施加磁场，分别测量径向磁场作用下光纤陀螺的输出，以及振动-磁场交叉作用下光纤陀螺的输出，得到径向磁场作用下光纤陀螺的零偏以及振动-磁场交叉作用下光纤陀螺的零偏，从而计算光纤陀螺磁场灵敏度、振动-磁场交叉耦合度，评价在振动-磁场交叉作用下光纤陀螺的零偏稳定性，为进一步提高光纤陀螺的振动-磁场环境适应性提供研究基础。本发明能用于测试光纤陀螺磁场灵敏度以及在振动条件下的磁场灵敏度；可用于测量光纤陀螺在振动-磁场交叉作用下的输出特性，评价在振动-磁场交叉作用下的光纤陀螺零偏稳定性。

Description

光纤陀螺振动-磁场交叉耦合度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度的测量方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速度传感器。振动和磁场是影响光纤陀螺输出精度的两个重要因素。光纤陀螺中，光纤环作为重要的角速度敏感元件，本应该对线加速度不敏感。但在实际应用中，当受到来自外界的振动影响时，因受其自身结构、绕环工艺以及封装工艺的限制，光纤环的几何尺寸可能会发生形变并引起光纤应力分布的变化，进而导致光纤陀螺中产生一个非互易相移，造成光纤陀螺的相位误差，因此影响了陀螺输出的精度。由于磁光效应，光纤陀螺产生与磁场有关的附加非互易相位差，此相位差随着外界磁场大小及方向的变化而变化，降低了光纤陀螺的零偏稳定性，直接影响了陀螺的精度。

目前在研究光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度方面，没有专用的测试方法和设备，给实验和研究带来了极大的不便。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度的测量方法。

光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度的测量方法，通过测量光纤陀螺分别在静态条件下、径向磁场作用下、振动作用下以及振动‐磁场交叉作用下的输出，得到振动‐磁场交叉作用下光纤陀螺的振动‐磁场交叉耦合度，评价在振动‐磁场交叉作用下光纤陀螺的零偏稳定性。

光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度的测量方法，包括以下步骤：

1）光纤陀螺的敏感轴垂直于振动台面，固定于振动台，光纤陀螺位于Helmholtz线圈的中央，Helmholtz线圈产生的径向磁场方向垂直于光纤陀螺的敏感轴，霍尔传感器固定于振动台，霍尔传感器的敏感方向与Helmholtz线圈产生的径向磁场方向平行；

2）所述的振动台静止，不施加径向磁场，测量光纤陀螺的输出，得到光纤陀螺的零偏A₀；

3）施加径向磁场，通过霍尔传感器测量径向磁场B，测量光纤陀螺的输出，得到光纤陀螺的零偏A₀'；

4）计算光纤陀螺的磁场灵敏度

5）去掉径向磁场B；

6）控制振动台在频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度为一个重力加速度（g）的条件下振动，测量光纤陀螺的输出，直到振动停止，得到振动最大加速度为一个重力加速度时的光纤陀螺的零偏A₁；

7）施加径向磁场B，重复步骤6）的操作，得到振动最大加速度为一个重力加速度时的光纤陀螺的零偏A₁'；

8）去掉径向磁场B；

9）计算振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度为一个重力加速度条件下的光纤陀螺的磁场灵敏度

S_{1} = \frac{A_{1}^{'} - A_{1}}{B};

10）控制振动台的频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g，重复步骤5）到步骤9），分别得到振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g条件下光纤陀螺的磁场灵敏度S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀；

11）将步骤4）中的S₀和步骤9）、步骤10）中的S_i(i＝1,,,,10)分别代入分别得到振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g，径向磁场强度大小为B条件下光纤陀螺的振动‐磁场耦合度K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀。

所述的径向磁场B由Helmholtz线圈产生，Helmholtz线圈由电流源驱动。

所述的霍尔传感器位于Helmholtz线圈中央位置处。

所述的测量过程，时间应大于1分钟，以减小测量过程中的随机误差。

所述的光纤陀螺的零偏是光纤陀螺的输出数据在每次测量时间内的平均值。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1）能用于测试光纤陀螺磁场灵敏度以及在振动条件下的磁场灵敏度；

2）可用于测量光纤陀螺在振动‐磁场交叉作用下的输出特性，评价在振动‐磁场交叉作用下的光纤陀螺零偏稳定性。

附图说明

图1为光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度测量方法原理俯视示意图；

图2为光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度测量方法原理主视示意图；

图中：Helmholtz线圈1、振动台2、工装与光纤陀螺3、霍尔传感器4。

具体实施方式

本发明提供了一种光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度的测量方法，能非常方便地测试振动‐磁场交叉作用对光纤陀螺输出的影响，从而加速了光纤陀螺振动‐磁场性能的研究及评测，为以后研究光纤陀螺的振动‐磁场交叉耦合作用，提高光纤陀螺的振动‐磁场环境适应性，奠定了良好坚实的基础。

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

如附图1、2所示，振动台水平放置，通过工装将光纤陀螺固定于振动台上，光纤陀螺敏感轴垂直于振动台面向上。整个测试***处于由Helmholtz线圈产生的径向匀强磁场中。振动台以扫频形式输出，频率变化从10Hz到20KHz，振动最大加速度依次从1g（重力加速度）增加到10g。因此，此测试方法可以分别测量光纤陀螺在径向匀强磁场以及在振动‐磁场交叉作用下的输出，通过计算机采集并记录数据，得到在各种情况下光纤陀螺的零偏，从而计算光纤陀螺磁场灵敏度、振动条件下的磁场灵敏度和振动‐磁场交叉耦合度。

光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度的测量方法包括以下步骤：

1）光纤陀螺敏感轴垂直于振动台面,通过工装将光纤陀螺固定在振动台上，光纤陀螺的位于Helmholtz线圈的中央。加电流源后，Helmholtz线圈产生匀强磁场，磁场方向沿光纤陀螺的径向，即垂直于光纤陀螺敏感轴。霍尔传感器通过工装固定在振动台上，霍尔传感器的敏感方向与Helmholtz线圈产生的径向磁场方向平行；

2）振动台静止，不施加径向磁场，测量光纤陀螺的输出大于1分钟（如果小于1分钟会引入较大的随机误差，但是时间过长会影响测量效率），通过计算机采集并记录数据，得到光纤陀螺的零偏A₀；

3）打开给Helmholtz线圈供电的电流源，施加径向磁场，通过霍尔传感器测量径向磁场强度的大小B，测量光纤陀螺的输出大于1分钟，通过计算机采集并记录数据，得到径向匀强磁场作用下光纤陀螺的零偏A₀'；

4）计算光纤陀螺的磁场灵敏度

5）关闭给Helmholtz线圈供电的电流源，去掉径向磁场B；

6）通过计算机控制振动台在频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度为1g的条件下振动，振动时间设定为大于1分钟，测量光纤陀螺的输出，同时通过计算机采集并记录数据，直到振动停止，得到振动最大加速度为1g时光纤陀螺的零偏A₁；

7）打开给Helmholtz线圈供电的电流源，施加与步骤3）中相同大小的径向磁场B，重复步骤6）的操作，得到径向磁场强度为B，振动最大加速度为1g时光纤陀螺的零偏A₁'；

8）关闭给Helmholtz线圈供电的电流源，去掉径向磁场B；

9）计算振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度为1g的条件下的光纤陀螺的磁场灵敏度

S_{1} = \frac{A_{1}^{'} - A_{1}}{B};

10）通过计算机控制振动台的频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g，重复步骤5）到步骤9），测量振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g条件下光纤陀螺的输出，通过计算机采集并记录数据，得到光纤陀螺的零偏，带入公式（i＝2,...,10），计算得到不同振动条件下光纤陀螺的磁场灵敏度S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀；

11）将步骤4）中的S₀和步骤9）、步骤10）中的S_i(i＝1,...,10)分别带入得到振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g，径向磁场强度大小为B条件下光纤陀螺的振动‐磁场耦合度K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀。

12）最终得到的实验结果为K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀分别是：0.45%，0.98%，1.56%，2.03%，2.61%，3.06%，3.48%，3.97%，4.41%，4.96%。

径向磁场B由Helmholtz线圈产生，Helmholtz线圈由电流源驱动，光纤陀螺位于Helmholtz线圈中央位置处，即保证给Helmholtz线圈供电的电流源打开时，陀螺处于匀强径向磁场B中。

霍尔传感器位于Helmholtz线圈中央位置处，并通过工装固定于振动台上，霍尔传感器敏感方向与磁场方向平行。

数据的测量及采集时间应大于1分钟，以减小测量过程中的随机误差。

光纤陀螺的零偏是光纤陀螺的输出数据在每次测量时间内的平均值。

Claims

1.一种光纤陀螺振动‐磁场交叉耦合度的测量方法，其特征在于，通过测量光纤陀螺分别在静态条件下、径向磁场作用下、振动作用下以及振动‐磁场交叉作用下的输出，得到振动‐磁场交叉作用下光纤陀螺的振动‐磁场交叉耦合度，评价在振动‐磁场交叉作用下光纤陀螺的零偏稳定性；

包括以下步骤：

1)光纤陀螺的敏感轴垂直于振动台面，固定于振动台，光纤陀螺位于Helmholtz线圈的中央，Helmholtz线圈产生的径向磁场方向垂直于光纤陀螺的敏感轴，霍尔传感器固定于振动台，霍尔传感器的敏感方向与Helmholtz线圈产生的径向磁场方向平行；

2)所述的振动台静止，不施加径向磁场，测量光纤陀螺的输出，得到光纤陀螺的零偏A₀；

3)施加径向磁场，通过霍尔传感器测量径向磁场B，测量光纤陀螺的输出，得到光纤陀螺的零偏A′₀；

4)计算光纤陀螺的磁场灵敏度

5)去掉径向磁场B；

6)控制振动台在频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度为一个重力加速度(g)的条件下振动，测量光纤陀螺的输出，直到振动停止，得到振动最大加速度为一个重力加速度时的光纤陀螺的零偏A₁；

7)施加径向磁场B，重复步骤6)的操作，得到振动最大加速度为一个重力加速度时的光纤陀螺的零偏A′₁；

8)去掉径向磁场B；

9)计算振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度为一个重力加速度条件下的光纤陀螺的磁场灵敏度

S_{1} = \frac{A_{1}^{,} - A_{1}}{B};

10)控制振动台的频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g，重复步骤5)到步骤9)，分别得到振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g条件下光纤陀螺的磁场灵敏度S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀；

11)将步骤4)中的S₀和步骤9)、步骤10)中的S_i(i＝1,,,,10)分别代入分别得到振动频率为10Hz‐2KHz，振动最大加速度分别为1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g，径向磁场强度大小为B条件下光纤陀螺的振动‐磁场耦合度K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的径向磁场B由Helmholtz线圈产生，Helmholtz线圈由电流源驱动。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的霍尔传感器位于Helmholtz线圈中央位置处。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的每次测量过程，其时间都应大于1分钟，以减小测量过程中的随机误差。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的光纤陀螺的零偏是光纤陀螺的输出数据在每次测量时间内的平均值。