專利名稱：偏置光纖旋轉(zhuǎn)傳感器線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，特別涉及這類傳感器中用以減少熱誘導(dǎo)非互易效應(yīng)的傳感線圈的成形技術(shù)。本發(fā)明特別涉及利用光纖帶構(gòu)成光纖旋轉(zhuǎn)傳感器用的傳感線圈。
光纖旋轉(zhuǎn)傳感器理論分析表明，這類傳感器能夠測量0.01°/h或者更高的轉(zhuǎn)速。這些分析假定環(huán)形干涉儀內(nèi)的限制噪聲是光電檢測器的散粒噪聲。該靈敏度范圍可將光纖旋轉(zhuǎn)傳感器用作導(dǎo)航級陀螺儀，與激光陀螺儀和普通自旋質(zhì)量陀螺儀相媲美。
實驗結(jié)果表明，靈敏度并不受散粒噪聲限制而是受到光纖傳感線圈和其它光路部分內(nèi)非互易噪聲(即緩慢變化的偏置)的限制。通過使干涉儀在單模雙折射光纖中只使用單極化狀態(tài)，可以在很大程度上抑制非互易噪聲。但是，即使采用了單模和單極化狀態(tài)，光纖旋轉(zhuǎn)傳感器的精度也可能受到光纖線圈中熱誘導(dǎo)非互易性的限制。這種熱誘導(dǎo)非互易性稱為Shupe效應(yīng)并且在Shupe的“光纖干涉儀中熱誘導(dǎo)非互易性”一文中(Applied Optics,Vol.19(5),654-655(1980))有所論述。
光纖旋轉(zhuǎn)傳感器中的Shupe效應(yīng)由熱誘導(dǎo)隨時間變化的光路長度不對稱引起。當(dāng)距線圈中心等距離的相應(yīng)光纖段具有不同的導(dǎo)熱速率和應(yīng)力變化速率環(huán)境時將發(fā)生Shupe效應(yīng)。如果沿光纖存在時變溫度梯度，則可能產(chǎn)生熱誘導(dǎo)非互易性。當(dāng)兩個反轉(zhuǎn)束中的對應(yīng)波前(例如同時沿不同方向進(jìn)入線圈的光脈沖)在不同的時刻經(jīng)過光纖同一區(qū)域時會發(fā)生非互易性。如果光纖傳播常數(shù)沿光纖以不同的速率變化時，兩個反轉(zhuǎn)束中相應(yīng)的波前所經(jīng)過的有效光程略微不同。這形成了非互易相移，它與旋轉(zhuǎn)引起的相移無法區(qū)分。
在N.J.Frigo的“Sagnac干涉儀中非互易線性光源補償”一文中(Fiber Opticand Laser Sensors I,Proc.SPIE Vol.412,pp.268-271(1983))論述了減輕Shupe效應(yīng)的四極線圈繞組技術(shù)。四極線圈繞組使得與線圈中心等距離的所有光纖段相互徑向靠近放置。四極線圈繞組要求線圈繞制工人有高超的技藝以達(dá)到滿意的效果。即使是最出色的工人，也有可能繞錯匝數(shù)，從而使四極繞組線圈的Shupe偏置性能變差。
本發(fā)明通過提供構(gòu)成傳感線圈的光纖帶減少了出現(xiàn)繞組缺陷的可能性。光纖帶在每個線圈繞組匝上提供了一個徑向?qū)硬⑶铱梢跃哂信c前述四極繞組類似的四極空間匝分布。
按照本發(fā)明的用于對光纖旋轉(zhuǎn)傳感器形成光纖傳感線圈的方法包括以下步驟將多根光纖1,2,...N相互平行排列成平面列陣并且將多根光纖嵌入柔性材料中以保持平行關(guān)系，從而構(gòu)成具有一對帶端部的光纖帶。帶被卷成螺旋狀，并且使帶端部接觸。帶中相鄰的光纖端部以片狀形式對接交接在一起以形成具有順時針輸入導(dǎo)引和逆時針輸入導(dǎo)引的光纖線圈。
在實施本發(fā)明的非常簡單的方案中，交換的光纖端部比較好的排列成一端相對另一端側(cè)向位移一根光纖。在較為復(fù)雜的實施方案中，被交接光纖端部的交接次序比較好的是排列成沿線圈軸向提供四極分布。交接次序比較好的是使得來自順時針輸入導(dǎo)引的光輸入在第一選定螺線線圈中向內(nèi)傳播，而來自逆時針導(dǎo)引的光輸入在靠近選定線圈的螺線內(nèi)向外傳播。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明較佳實施例的描述可以進(jìn)一步理解本發(fā)明的目標(biāo)。


圖1為光纖帶的剖面圖；圖2為按照本發(fā)明用光纖帶形成的線圈的透視圖；以及圖3為示意圖，它示出了光信號在用光纖帶構(gòu)成的四極型線圈內(nèi)的傳播方向。
如圖1所示，光纖帶10由N個平行光纖12A,12B,...12N的平面陣列構(gòu)成。光纖12A,12B,...12N比較好的是利用包住光纖12A,12B,...12N的柔性塑料14固定在一起。光纖帶10包括只是用來示意光纖帶基本結(jié)構(gòu)的8根光纖。光纖帶可以經(jīng)濟(jì)而精確地制造并且現(xiàn)已應(yīng)用于局域網(wǎng)。
形成簡單的光纖帶線圈15的步驟包括把帶10卷成多層螺旋狀。隨后對于簡單的實現(xiàn)方案，帶10的外端相對內(nèi)端偏離一根光纖與內(nèi)端接觸。圖2示出了單層線圈的這種過程。這些步驟形成一個順時針(CW)自由端16、一個逆時針(CCW)自由端18和N-1個交接20-26。圖2用成對的交叉線表示交接20-25。
在線圈中繞M層產(chǎn)生M*N匝。這樣設(shè)計的CW傳播光線波通過第一螺線向外螺旋，隨后以簡單的平移方式返回內(nèi)徑，從內(nèi)徑處再次向外螺旋。
上述簡單的交接技術(shù)對于CW和CCW匝給出相同的徑向分布。但是在軸向上，CW光纖段位于一端，例如底部，而CCW段位于頂部，如果存在軸向溫度梯度，則產(chǎn)生Shupe偏置。為了解決這個問題，需要將沿軸向簡單行進(jìn)的交接次序變更為沿軸向給出四極螺旋分布的次序。按照Frigo的觀點，在四極線圈中，光在外面的兩個螺線1和4中傳播CCW而在內(nèi)部的兩個螺線2和3中傳播CW。為此，假定來自光纖旋轉(zhuǎn)傳感器的CW導(dǎo)引的光線可以通過頂部螺線1向外傳播CCW。來自光纖旋轉(zhuǎn)傳感器的CCW導(dǎo)引的光線將沿著另一方向注入螺線2并且通過相鄰的螺線向內(nèi)傳播，并通過相鄰的下一螺線3向內(nèi)傳播。從螺線1出來的CW導(dǎo)引光線將注入螺線4并且如圖3所示向外傳播。這樣完成了一個四極周期。這種互換交接方向的過程持續(xù)下去直到如圖3所示到達(dá)12根光纖或者3個四極的帶底部。因此四極繞組沿軸向形成。
帶中光纖的數(shù)量必須為四均分。這給出了對大致與現(xiàn)有徑向四極繞組線圈同樣高Shupe偏置的抗干擾性。利用帶光纖構(gòu)成傳感線圈的優(yōu)點是減少了線圈繞制的人工并且提高了匝分布精度。一般要求在光纖旋轉(zhuǎn)傳感器線圈中心的光源相干長度內(nèi)不能有交接。因此在偏移的額定中心交接處需要額外的導(dǎo)引長度。由于線圈中導(dǎo)引微調(diào)誤差，將引起輕微的Shupe偏置，由于普通光源的相干長度只有1毫米左右，所以這種影響不大。因此只需要幾個毫米的導(dǎo)引不平衡。
以上描述了本發(fā)明的基本原理。本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員通過以上的描述，無需創(chuàng)造性的勞動即可對本發(fā)明作出各種修改和改動，因此本發(fā)明的精神和實質(zhì)由后面所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1．一種對光纖旋轉(zhuǎn)傳感器形成光纖傳感線圈的方法，其特征在于包括以下步驟將多根光纖1,2,...N相互平行排列成平面陣列；將多根光纖嵌入柔性材料中以保持平行關(guān)系，從而構(gòu)成具有一對帶端部的光纖帶；將帶卷成螺旋狀；使帶端部接觸；在選定的光纖端部之間形成對交接以形成具有順時針輸入導(dǎo)引和逆時針輸入導(dǎo)引的光纖線圈。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步驟通過排列帶選擇待交接的光纖端部，從而使一端相對另一端側(cè)向位移一根光纖。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于選擇待交接光纖端部的步驟包括更改交接次序以沿線圈軸向提供四極分布。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于包括以下步驟更改交接次序，使得順時針輸入導(dǎo)引的光輸入在第一選定螺線線圈中向內(nèi)傳播，而逆時針導(dǎo)引的光輸入在靠近選定線圈的螺線內(nèi)向外傳播。
5．一種光纖線圈，其特征在于包括相互平行排列成平面陣列的多根光纖1,2,...N；嵌入多根光纖的柔性材料，用來保持光纖的平行關(guān)系從而構(gòu)成具有一對帶端部的光纖帶；形成于光纖帶內(nèi)的螺線；以及在光纖帶中選定的光纖端部之間形成多個對接交接，用來形成具有順時針輸入導(dǎo)引和逆時針輸入導(dǎo)引的光纖線圈。
全文摘要
光纖帶被用于構(gòu)成供Sagnac效應(yīng)光纖旋轉(zhuǎn)傳感器使用的傳感線圈。光纖帶在每個線圈繞組匝上提供了一個徑向?qū)硬⑶铱梢宰龀伤臉O空間匝分布。
文檔編號G02B6/36GK1215169SQ9811565
公開日1999年4月28日 申請日期1998年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月30日
發(fā)明者約翰P·瑞恩 申請人:利頓系統(tǒng)有限公司