确定压力引起的光纤线圈的不可逆性的方法和装置制造方法及图纸

一种定量表征光纤线圈由压力引起的不可逆性的装置和方法，在预定时间区间内向光纤线圈施加随时间而变的压力，并在该预定的时间间隔内测量沿反向通过光纤线圈的光束的相位差；用测得的相位差获得光纤线圈不可逆性的度量。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及光纤陀螺(gyros)中使用的光纤线圈的不可逆性，尤其涉及确定压力引起的不可逆性的方法和装置。D.M.Shupe在1980年指出(D.M.Shupe,Thermally Induced Nonreciprocity inthe Fiber-Optic Interferometer,Applied Optics,Vol.19,No.5,1 March 1980,pp.645-655)，光纤环形干涉仪中由热引起的不可逆性可以发生在存在沿光纤的随时间而变的温度梯度的地方。如果反向旋转的光束的相应波前在不同时刻穿过相同的光纤区域时，会产生不可逆性。Shupe指出，这一由热引起的不可逆性会产生由下式给出的光纤陀螺的角度误差θET=nc4NA(dncdT+αnc)∫0Ldl(2l-L)---(1)]]>式中，nc是光纤芯的折射率；N是光纤线圈的圈数；A是光纤线圈的面积；L是光纤的长度；T(t,l)是从光纤端部起的距离l处光纤元件的温度，t是时间；α是光纤芯的线性热膨胀系数。如果有多层光纤线圈缠绕在一筒形上，使得外线圈直径和内线圈直径之间的差与其平均直径相比为较小，并假设线圈温度从其内层到外层呈线性变化，则θET≅ncL2ΔT24Nα(dncdT+ncα)--------(2)]]>其中，T(t,l)-T(0,l)≡(lΔT)/L------(3)]]>并且，ΔT是从陀螺的初始时间0到以后某一时间t线圈两端的温度差的变化。根据测得的热生角度差，在将光纤线圈组装成光纤陀螺前先筛选光纤线圈。光纤线圈的热生角度差是通过向线圈施加温度坡度(temperature ramp)来实现的。由于温度的稳定性取决于相当大的线圈时间常数而角度随机噪声(angle randomwalk noise)的减小需要相当的积累时间，所以，温度坡度法既费时又费钱。热生角度误差的测量通常需要约24小时。人们需要一个可以在远小于24小时的时间内完成的筛选过程。本专利技术是一种定量表征光纤由于压力引起的不可逆性的方法和装置。其中，压力引起的不可逆性是光纤线圈的特性，这一特性与开始时同相位的光束由于在光纤线圈承受随时间而变的压力的作用时，在相反方向穿过光纤线圈以后相位发生不同的程度有关。该方法包含下述步骤在预定的时间内向光纤线圈施加随时间而变的压力，在该预定的时间内测量沿反向穿过光纤线圈的光束的相位差，并用测得的相位差得到光纤线圈的不可逆性的测量。如果随时间而变的压力用第一时间函数表示，则不可逆性是在预定时间内，以第二时间函数和(1)在该预定时间内沿反向穿过光纤的光束的相位差或(2)该相位差的时间积分的乘积的积分。选择第二函数，使得不可逆性的测量具有至少为一的信噪比。第二函数最好是(1)如果乘积含有该相位差的话，第一函数的时间导数的近似，或者(2)如果乘积含有相位差的积分的话，第一函数的近似。本专利技术还包括实施该方法的装置。装置包括向光纤线圈施加随时间而变的压力的施压单元。随时间而变的压力可以用不同的方式来产生，例如，与光纤线圈表面耦合的机械构件的运动、施加到与光纤线圈耦合的压电器件的电场，以及与光纤线圈表面耦合的磁构件的磁场。附图说明图1是实施本专利技术的装置的方框图。可以将光纤线圈筛选所需的时间减小到几分钟，而不会由于以压力引起的而不是热引起的不可逆性作为基础的筛选过程而显著减小筛选的质量。如果沿轴向向线圈的上部施加压力，则线圈的内径减小而外径增大，这与改变线圈温度时出现的情况是类似的。由于压力引起的不可逆性所产生的压力引起的角度误差由下式给出θEP=nc24NA∫0Ldl(2l-L)--(4)]]>式中，ε1,ε2是光纤芯的径向应变，它们是l的函数；ε3是光纤芯的轴向应变，也是l的函数；p11,p12是光纤芯的光弹性常数。对于缠绕线圈的聚合物材料中的玻璃光纤，ε1≈-0.17ε3ε2≈ε3p11=0.121p12=0.270nc=1.45并且上述等式可以写成θEP≈0.79nc24NA∫0Ldl(2l-L)ϵ3-----(5)]]>如果有多层光纤线圈缠绕在一筒形上，使得外线圈直径和内线圈直径之间的差与其平均直径相比为较小，并且假设沿与线圈轴平行的方向向线圈施加均匀的压力，则轴向光纤应度近似是沿光纤方向的距离的三次函数ϵ3=ϵm(2l-L)3L3--------(6)]]>从等式(5)中减去上式，并积分，我们得到θEP(t)≈0.16nc2L24NAϵm(t)-------(7)]]>从上面的等式中我们清楚地看到，θEP和εm是t的函数，εm(t)是在时刻t处线圈中的最大应变。表述为光束通过光纤线圈沿反向传播以后的相位差φEP(t)的不可逆性测量由下式给出φEP(t)=4kNAcdθEP(t)dt------(8)]]>将等式(7)中的θEP(t)代入，我们得到φEP(t)≈0.16knc2L2cdϵm(t)dt----(9)]]>尽管上面的等式(6)、(7)、(8)和(9)与特定的简单线圈绕组有关，但不可逆性的原理对于所有的线圈是相同的。通过角度误差θEP(t)测得的不可逆性正比于时刻t处施加到光纤线圈的最大应变。通过相位差φEP(t)测得的不可逆性正比于最大应变的时间导数。不管缠绕方式如何或者是否在绕组中有差错，最好的线圈是由最小的不可逆性测量来表征的。所以，通过对不可逆性角度误差或不可逆性相位差设置合适的极限值，人们可以筛选光纤陀螺中可以接受或不可接受的光纤线圈。测量不可逆性的方法见图1所示。施压单元1中有准直卡具3，可以将光纤线圈5放在该夹具内。线圈5垫在弹性材料层7上。压力板9和所附的弹性材料层11使得与线圈5的上表面紧密接触。两个弹性材料层7和11确保线圈5不会由于压力板9的压力作用而损坏。可旋转的轴承13由支架17中的轴15支承，支架17安装在压力板9上。支承构件19借助于两个或多个铰链钳(pivoting clamp)21安装在准直卡具3上。电机23固定在支承构件19上，电机23具有安装在电机的轴27上的凸轮25。准直卡具3的设计得可供恰当的线圈和压力板9的校准。支承构件19和钳21的设计要使得凸轮25和轴承13之间的接触点位于电机轴27和轴和轴15的联线上。电机23可以是交流同步电机或步进电机。用交替的方式以方便可行的频率由电机驱动凸轮25施加轴向线圈压力。大约需要提供每平方英寸100磅才能在-50C到+70温度范围内获得一个合乎要求的热生角度误差。采用交替压力(例如20Hz)的相敏检测使得可以在近似1分钟内进行光纤线圈不可逆性测量，这是因为相敏检测大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定量表征光纤的压力引起的不可逆性的方法。所述压力引起的不可逆性是光纤线圈的特性，这一特性与开始时同相位的光束由于在光纤线圈不受随时间而变的压力的作用时，在相反方向穿过光纤线圈以后相位发生不同的程度有关，其特征在于，所述方法包含下述步骤：在预定的时间内向光纤线圈施加随时间而变的压力；在该预定的时间内测量沿反向穿过光纤线圈的光束的相位差；并用测得的相位差得到所述光纤线圈的不可逆性的测量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约翰P拉恩，拉尔夫A帕特森，
申请(专利权)人：利顿系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]