專利名稱：基于磁光法拉第效應的光纖陀螺頻率特性測試裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于磁光法拉第效應的用于測量光纖陀螺頻率特性的裝置。
背景技術：
光纖陀螺的頻率特性測試是光纖陀螺性能測試的一項重要內容，測試的頻率范圍和精度直接影響到對光纖陀螺性能的評定，并影響光纖陀螺的應用前景。光纖陀螺的實際帶寬在幾～幾百kHz。傳統(tǒng)的光纖陀螺頻率特性測試方法是角振動臺法，測試原理是基于Sagnac效應的變角速度輸入導致光纖陀螺的輸出變化，通過對輸入角速度數(shù)據(jù)和光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)進行處理，得到光纖陀螺的頻率特性。由于其測試原理決定了技術上有一些難以解決的困難。如(1)一般角振動臺的輸出頻率為幾百Hz，不能滿足光纖陀螺全頻帶頻率特性測試的要求。(2)由于角振動臺的工作原理所限，其輸出頻率很難繼續(xù)提高。(3)角振動臺法所需的儀器設備較多，價格昂貴，測試前的儀器設備調試、校準工作繁瑣。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種基于磁光法拉第效應的光纖陀螺頻率特性測試裝置，該測試裝置利用光纖陀螺敏感磁場產(chǎn)生的磁光法拉第效應，通過改變外加磁場頻率，使光纖陀螺的輸出發(fā)生變化，通過測量光纖陀螺的輸出可以間接測量出光纖陀螺的頻率特性。
本發(fā)明是一種基于磁光法拉第效應的光纖陀螺頻率特性測試裝置，由導線組、用于加載導線組所需電流的電流驅動電路、信號發(fā)生器和鎖相放大器組成，導線組纏繞在光纖陀螺的光纖環(huán)上，導線組的一端與電流驅動電路連接，導線組的另一端接地，電流驅動電路與信號發(fā)生器連接，信號發(fā)生器與鎖相放大器連接，鎖相放大器與光纖陀螺連接；所述信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波輸出給電流驅動電路中進行電流放大，并將放大后的電流輸入導線組；所述電流在光纖陀螺的光纖環(huán)上產(chǎn)生磁場，該磁場方向與光纖環(huán)的光纖走向一致；光纖陀螺輸出幅值和相位信息給鎖相放大器，鎖相放大器對接收的所述幅值和相位信息和所述由信號發(fā)生器輸出的參考輸入信息進行相敏檢波處理獲得相對于信號發(fā)生器輸入信息的幅值和相位差。
所述的光纖陀螺頻率特性的測試裝置，其導線組上加載的交變電流在光纖陀螺的光纖環(huán)上產(chǎn)生交變磁場，該磁場產(chǎn)生了磁光法拉第效應，且光纖環(huán)中光傳播的相位變化與所述磁場強度變化的關系為Δφ=H4VrΔβ∫02mπτ(θ)dθ,]]>式中，H為磁場強度，V為Verdet常數(shù)，r為光纖環(huán)半徑，Δβ為光纖的固有線性雙折射，τ(θ)為光纖由于扭轉產(chǎn)生的單位長度圓雙折射。
本發(fā)明光纖陀螺頻率特性測試裝置的優(yōu)點在于(1)能夠輸出較高頻率，滿足光纖陀螺全頻帶頻率特性測試要求；(2)測試設備少，測試的復雜性大大降低；(3)體積小、質量輕、結構簡單，成本低。


圖1是本發(fā)明頻率特性測試裝置的結構示意圖。
圖2是電流驅動電路的電路原理圖。
圖3是光纖傳輸模型坐標。
圖4是光纖陀螺輸出角速度與時間的關系圖。
圖5是圖4在0.1Hz處的FFT系數(shù)的模|X(f)|與頻率f的關系圖。
圖6是光纖陀螺輸出角速度與時間在另一頻率的關系圖。
圖7是圖6在1Hz處的FFT系數(shù)的模|X(f)|與頻率f的關系圖。
圖中1.導線組 2.電流驅動電路 3.信號發(fā)生器 4.鎖相放大器5.光纖環(huán) 6.光路和檢測電路具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本發(fā)明的一種光纖陀螺頻率特性的測試裝置，由導線組1(普通銅線，允許通過最大電流為100A)、用于加載導線組所需電流的電流驅動電路2、信號發(fā)生器3(AGILENT公司生產(chǎn)的型號33250A)和鎖相放大器4(STANFORDRESEARCH SYSTEMS公司生產(chǎn)的型號SR830)組成，導線組1纏繞在光纖陀螺的光纖環(huán)5上，導線組1的一端與電流驅動電路2連接，導線組1的另一端接地，電流驅動電路2與信號發(fā)生器3連接，信號發(fā)生器3與鎖相放大器4連接，鎖相放大器4與光纖陀螺連接。測試時，信號發(fā)生器3產(chǎn)生的正弦信號輸出給電流驅動電路2中進行電流放大處理，并將放大后的電流輸入導線組1，并使電流產(chǎn)生的磁場方向沿光纖環(huán)5的光纖走向一致；光路和檢測電路6將接收的由光纖環(huán)5輸出的光強信號經(jīng)處理后輸出模擬信息給鎖相放大器4，鎖相放大器4對接收的所述模擬信息和所述由信號發(fā)生器3輸出的參考輸入信息進行基準幅值比較獲得頻率特性的百分比信息。
在本發(fā)明中，電流驅動電路2選取的電源轉換芯片U1為XTR110芯片，信號發(fā)生器3產(chǎn)生的0.1～100KHz的正弦波經(jīng)電源轉換芯片U1的4端輸入，經(jīng)電源轉換芯片U1處理后由14端輸出0～10A電流給場效應管U2的G端，場效應管U2的S端接電阻R后接VCC，場效應管U2的D端與導線組1連接。信號發(fā)生器3輸出給鎖相放大器4的參考輸入信息為1Hz時，鎖相放大器4的輸出幅值作為頻率特性檢測的基準幅值。
磁光法拉第效應是閉合光路中的一種非互易效應，法拉第效應導致的相位差能夠被光纖陀螺敏感，且檢測電路無法區(qū)分，光纖陀螺的輸出會隨外界磁場強度的變化而變化?；诜ɡ谛墓饫w陀螺頻率特性測試方法是把磁場引入光纖環(huán)，用交變的磁場代替角振動臺法來模擬交變的輸入變化，產(chǎn)生足夠高頻率的輸入信號，克服角振動臺法輸出頻率低的缺點。其實質是利用磁場的變化導致光纖陀螺法拉第效應相位差的變化，再反映到光纖陀螺輸出的變化。
光纖環(huán)是光纖陀螺的敏感器件，法拉第效應是外界磁場在光纖環(huán)中引入一個非互易的圓雙折射，即圓雙折射受光傳輸方向的影響并疊加到光纖環(huán)中的固有雙折射上，使光在光纖環(huán)中傳輸時產(chǎn)生一個非互易相位差。采用有限元方法對光纖環(huán)5進行分析，即將光纖環(huán)5看作是由無數(shù)段微小的平直光纖段組成，對任一段光纖建立如圖3所示的坐標系。圖中，x-y為光入射端沿光纖快慢軸坐標系，x′-y′為任一段光纖入射端面快慢軸坐標系，x″-y″為任一段光纖出射端面快慢軸坐標系。
對第k段光纖受擾后本征模的傳輸矩陣為順時針方向(CW)傳輸矩陣SCWk=e-jηkΔzkejηkΔzk---(1)]]>逆時針方向(CCW)傳輸矩陣SCCWk=e-jηk′Δzkejηk′Δzk---(2)]]>其中順時針方向折射率ηk=[(τk-ω)2+(Δβ2)2]12,]]>
逆時針方向折射率ηk′=[(τk+ω)2+(Δβ2)2]12.]]>式中Δzk表示任一段光纖的長度，Δβ為光纖的固有線性雙折射，τ為光纖由于扭轉產(chǎn)生的單位長度圓雙折射，ω為磁場作用產(chǎn)生的單位長度圓雙折射。
光纖環(huán)5總傳輸矩陣為S＝Sn·Sn-1…Sk·Sk-1…S1(3)通過光纖陀螺的光纖環(huán)5的傳輸模型推導，可得順時針光總相位為φCW=Σk=1nηkΔzk,]]>逆時針光總相位為φCCW=Σk=1nηk′Δzk.]]>由于光纖陀螺是檢測光纖環(huán)5中反向傳播的兩束光的非互易相位差，因此得正反向傳輸?shù)墓獾南辔徊顬?amp;Delta;φ=φCW-φCCW=Σk=1n(ηk-ηk′)Δzk---(4)]]>因Δzk＝Δz，(k＝1，…，n)，且光纖環(huán)5中每一微段的光本征模傳播參數(shù)ηk＝η(z)，ηk′＝η′(z)，可得Δφ=∫0l(η(z)-η′(z))dz=]]>∫0l{[(Δβ2)2+(τ(z)+ω)]12-[(Δβ2)2+(τ(z)-ω)]12}dz=---(5)]]>∫0l4τ(z)ωη′(z)+η(z)dz.]]>對于高折射率光纖τ±ω<<Δβ2,]]>可近似認為η′(z)=η(z)=Δβ2,]]>有Δφ=∫0l4τ(z)ωΔβdz.---(6)]]>將式(6)改為圓坐標系，即令z＝rθ，并假設磁場是均勻的，即ω＝ω0，代入上式，得Δφ=∫02mπ4τ(θ)ω0Δβrdθ=---(7)]]>4ω0rΔβ∫02mπτ(θ)dθ]]>對于繞制并固化好的光纖環(huán)，其扭轉狀態(tài)已固定，所以τ(θ)為一固定常數(shù)，因為ω0為單位長度上的Faraday效應引起的圓雙折射，ω0＝VH，V為Verdet常數(shù)，H為磁場強度，得Δφ=H4VrΔβ∫02mπτ(θ)dθ---(8)]]>
H為磁場強度，V為Verdet常數(shù)，r為光纖環(huán)半徑，Δβ為光纖的固有線性雙折射，τ(θ)為光纖由于扭轉產(chǎn)生的單位長度圓雙折射。
式(9)即為光纖陀螺的法拉第效應(Faraday)模型。由于光纖陀螺的光纖環(huán)5在光的輸入和輸出都進行了起偏和檢偏的過程，其耦合形成的二階波列被大大衰減，可以忽略，所以在模型推導過程中做了簡化，以上公式推導可以看成只對主波列的研究。從式(9)可以看出光纖陀螺的法拉第效應輸出是磁場的線性函數(shù)，與磁場強度成正比。
為了檢測本發(fā)明的一種基于磁光法拉第效應的光纖陀螺頻率特性測試裝置，其光纖陀螺為全光纖結構，光纖環(huán)5采用全保偏結構，工作波長1.55μm，采用全數(shù)字閉環(huán)檢測方案。光纖環(huán)5已固化，光纖長度3.6km，直徑170mm，導線在光纖環(huán)上纏繞15圈左右形成導線組1。光纖陀螺輸出為數(shù)字量，RS232通信格式，波特率115.2kHz，2字節(jié)輸出，數(shù)據(jù)更新率大于5kHz，可以還原2.5kHz的信號。當輸入信號頻率為0.1Hz，電流為2A，通過計算機采集的采樣間隔設置為0.1s時(相當于計算機采集500個點平均后在屏幕上顯示1個點)，光纖陀螺的輸出角速度ω與時間t的關系見圖4。光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)減去零偏后，得到光纖陀螺的Faraday效應輸出數(shù)據(jù)，對其進行FFT處理，結果在0.1Hz處的FFT系數(shù)的模|X(f)|取最大值，|X(f)|與頻率f的關系見圖5。在其他條件不變的情況下，輸入信號頻率變?yōu)?Hz，電流為4A時，光纖陀螺的輸出角速度ω與時間t的關系見圖6，|X(f)|與頻率f的關系見圖7。實驗結果表明光纖陀螺的Faraday效應輸出頻率與輸入信號頻率一致，幅值與輸入信號幅值成正比，驗證了光纖陀螺Faraday效應模型的正確性。當電流幅值為4A時，F(xiàn)araday效應輸出的幅值約為0.06mrad·s-1，約合12°/h，說明Faraday效應輸出較小。隨著輸入信號頻率的增加，光纖陀螺的Faraday效應輸出會逐漸被隨機噪聲淹沒，做較高頻率的測試時需要增大電流強度并增加導線的纏繞圈數(shù)。通過建立光纖陀螺的Faraday效應模型，得出光纖陀螺的Faraday效應輸出與磁場強度成正比的結論，通過實驗驗證了該模型的正確性。利用交變磁場代替實際的角速度變化，容易產(chǎn)生較高頻率的輸入信號，克服目前角振動臺法輸出頻率低的缺點，能夠對光纖陀螺進行全頻帶頻率響應測量。
權利要求
1.一種基于磁光法拉第效應的光纖陀螺頻率特性測試裝置，其特征在于由導線組(1)、用于加載導線組所需電流的電流驅動電路(2)、信號發(fā)生器(3)和鎖相放大器(4)組成，導線組(1)纏繞在光纖陀螺的光纖環(huán)5上，導線組(1)的一端與電流驅動電路(2)連接，導線組(1)的另一端接地，電流驅動電路(2)與信號發(fā)生器(3)連接，信號發(fā)生器(3)與鎖相放大器(4)連接，鎖相放大器(4)與光纖陀螺連接；所述信號發(fā)生器(3)產(chǎn)生的正弦波輸出給電流驅動電路(2)中進行電流放大，并將放大后的電流輸入導線組(1)；所述電流在光纖陀螺的光纖環(huán)(5)上產(chǎn)生磁場，該磁場方向與光纖環(huán)(5)的光纖走向一致；光纖陀螺輸出幅值和相位信息給鎖相放大器(4)，鎖相放大器(4)對接收的所述幅值和相位信息和所述由信號發(fā)生器(3)輸出的參考輸入信息進行相敏檢波處理獲得相對于信號發(fā)生器(3)輸入信息的幅值和相位差。
2.根據(jù)權利要求1所述的光纖陀螺頻率特性的測試裝置，其特征在于所述導線組(1)上加載的交變電流在光纖陀螺的光纖環(huán)(5)上產(chǎn)生交變磁場，該磁場產(chǎn)生了磁光法拉第效應，且光纖環(huán)(5)中光傳播的相位變化與所述磁場強度變化的關系為Δφ=H4VrΔβ∫02mπτ(θ)dθ,]]>式中，H為磁場強度，V為Verdet常數(shù)，r為光纖環(huán)半徑，Δβ為光纖的固有線性雙折射，τ(θ)為光纖由于扭轉產(chǎn)生的單位長度圓雙折射。
3.根據(jù)權利要求1所述的光纖陀螺頻率特性的測試裝置，其特征在于所述電流驅動電路(2)選取的電源轉換芯片U1為XTR110芯片，信號發(fā)生器(3)產(chǎn)生的0.1～100KHz的正弦波經(jīng)電源轉換芯片U 1的4端輸入，經(jīng)電源轉換芯片U1處理后由14端輸出0～10A電流給場效應管U2的G端，場效應管U2的S端接電阻R后接VCC，場效應管U2的D端與導線組(1)連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的光纖陀螺頻率特性的測試裝置，其特征在于所述信號發(fā)生器(3)輸出給鎖相放大器(4)的參考輸入信息為1Hz時，鎖相放大器(4)的輸出幅值作為頻率特性檢測的基準幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁光法拉第效應的光纖陀螺頻率特性測試裝置，由導線組、用于加載導線組所需電流的電流驅動電路、信號發(fā)生器和鎖相放大器組成，導線組纏繞在光纖陀螺的光纖環(huán)上，導線組的一端與電流驅動電路連接，導線組的另一端接地，電流驅動電路與信號發(fā)生器連接，信號發(fā)生器與鎖相放大器連接，鎖相放大器與光纖陀螺連接；所述信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波輸出給電流驅動電路中進行電流放大，并將放大后的電流輸入導線組；所述電流在光纖陀螺的光纖環(huán)上產(chǎn)生磁場，該磁場方向與光纖環(huán)的光纖走向一致；光纖陀螺輸出幅值和相位信息給鎖相放大器，鎖相放大器對接收的所述幅值和相位信息和所述由信號發(fā)生器輸出的參考輸入信息進行相敏檢波處理獲得相對于信號發(fā)生器輸入信息的幅值和相位差。
文檔編號G01C19/72GK1808074SQ200610007959
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月24日 優(yōu)先權日2006年2月24日
發(fā)明者鄔戰(zhàn)軍, 王夏霄, 張晞, 張春熹, 許文淵, 梁冰 申請人:北京航空航天大學