光纖陀螺電路輻射磁場的測試

魯 軍，殷建玲，劉 磊，郭治銳

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.陸軍工程大學(xué)(石家莊校區(qū))，河北 石家莊 050003)

0 引言

光纖陀螺自1976年問世以來已成為近年來國內(nèi)慣性儀表領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)，它具有無轉(zhuǎn)動(dòng)部件的全固態(tài)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、功耗低、抗沖擊振動(dòng)、啟動(dòng)過程短和壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于各種應(yīng)用領(lǐng)域[1-3]。光纖陀螺工作原理上基于光路Sagnac效應(yīng)，敏感元件是光纖環(huán)，光纖環(huán)不僅敏感Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相移，也可以敏感多種物理量，所以外界環(huán)境極易在陀螺中產(chǎn)生各種非互易誤差。這一誤差疊加到光纖陀螺的Sagnac效應(yīng)上，就會(huì)導(dǎo)致光纖陀螺輸出零偏的變化[4-7]。

在實(shí)際應(yīng)用中，磁場就是一種不可避免的干擾源。光纖陀螺面臨的磁場包括外部磁場和內(nèi)部磁場，外部磁場包括地球磁場、工頻干擾等環(huán)境磁場，內(nèi)部磁場主要是由電路板、導(dǎo)線和光電元件等產(chǎn)生的磁場[8-12]。地磁場屬于靜勻磁場。本文主要分析陀螺內(nèi)部電路產(chǎn)生磁場的分布規(guī)律，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算了磁場參數(shù)，歸納了磁場分布特點(diǎn)，分析了電路磁場對陀螺相位誤差的影響，對于光纖陀螺磁敏感性研究具有借鑒意義。

1 光纖陀螺內(nèi)部電路輻射磁場測試

1.1 測試設(shè)備

測試系統(tǒng)由電磁場掃描儀、頻譜分析儀以及計(jì)算機(jī)控制與顯示軟件構(gòu)成，對光纖陀螺的電路板進(jìn)行電磁場輻射特性掃描，該系統(tǒng)如圖1所示。電磁場掃描儀采用瑞典DETECTUS公司的RX644EH型電磁場分布于熱分布，頻譜分析儀采用Agilent公司的E4440A頻譜分析儀，對光纖陀螺的電路板進(jìn)行電磁場輻射特性掃描。該掃描系統(tǒng)能夠?qū)﹄娐钒濉㈦娎|及整機(jī)的電磁輻射及熱輻射精確測量，確定元件級輻射源的強(qiáng)度和位置，測量結(jié)果可以以二維或三維彩色圖形給出。

圖1 電磁場分布掃描系統(tǒng)實(shí)物Fig.1 Picture of electromagnetic field distribution scanning system

1.2 電路掃描

光纖陀螺的主電路是一塊雙面電路板，外形如圖2和圖3所示。兩面的電子元器件和電路板布線都不一樣，故兩面的輻射特性也會(huì)不一樣，因此，對電路板的兩面分別進(jìn)行了磁場輻射特性掃描測試。

圖2 正面電路實(shí)物Fig.2 Picture of the front circuit

圖3 底面電路實(shí)物Fig.3 Picture of the bottom circuit

根據(jù)電路尺寸，掃描儀掃描范圍選擇橫軸0～70 mm、縱軸0～70 mm，探頭高度比電路板高10 mm，探頭移動(dòng)步進(jìn)尺寸5 mm，磁場探頭的天線環(huán)水平擺放，通過軟件將頻譜儀的掃頻范圍設(shè)置為0～50 MHz，分辨率帶寬9 kHz，視頻帶寬30 kHz，掃描次數(shù)為5次。掃描分為預(yù)掃描和精確掃描。先對整塊電路進(jìn)行預(yù)掃描，獲得電路板輻射強(qiáng)度較大的頻率點(diǎn)，根據(jù)預(yù)掃描的結(jié)果，針對輻射較強(qiáng)的頻率點(diǎn)，再進(jìn)行定位精確掃描，得到在不同頻率電路板上各個(gè)部位的磁場輻射強(qiáng)度分布圖。

根據(jù)預(yù)掃描的結(jié)果，輻射較大的頻率點(diǎn)有8.761，35.047，17.524，43.808，26.285 MHz，其中，輻射最強(qiáng)的基頻是8.761 MHz；35.047，7.524，43.808，26.285 MHz都是最大輻射頻率點(diǎn)8.761 2 MHz的高次諧波。

部分精確掃描的磁場輻射強(qiáng)度分布如圖4所示。將輻射強(qiáng)度分布與圖2的器件實(shí)物進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)正面電路磁場輻射主要是數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、FPGA芯片、有源晶振和PIN-FET探測器(光電轉(zhuǎn)換器)等區(qū)域附近輻射較強(qiáng)。

圖4 不同頻率下正面電路磁場輻射強(qiáng)度分布Fig.4 Radiationintensity distribution of magnetic field of the front circuit at different frequencies

按照前面正面電路測試的方法，對陀螺底面電路的輻射特性進(jìn)行測試，測試時(shí)，軟件和頻譜儀的設(shè)置、探頭的擺放方式與正面電路測試時(shí)完全一樣。先對整塊電路進(jìn)行預(yù)掃描，根據(jù)預(yù)掃描結(jié)果，輻射較大的頻率點(diǎn)有8.761，17.524，26.285，35.047 MHz，其中，17.524，26.285，35.047 MHz都是最大輻射頻率點(diǎn)8.761 2 MHz的高次諧波。這說明輻射最強(qiáng)的基頻是8.761 MHz，與正面電路預(yù)掃描結(jié)果基本一致。根據(jù)預(yù)掃描的結(jié)果，再進(jìn)行定位精確掃描，部分磁場輻射強(qiáng)度分布如圖5所示。將輻射強(qiáng)度分布與圖3的器件實(shí)物進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)底面電路磁場輻射較強(qiáng)區(qū)域主要在PIN-FET探測器(光電轉(zhuǎn)換器)管腳及個(gè)別電容附近。

圖5 不同頻率下底面電路磁場輻射強(qiáng)度分布Fig.5 Radiation intensity distribution of magnetic field of the bottom circuit at different frequencies

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于場分布掃描系統(tǒng)的近場探頭沒有標(biāo)定，只能給出電路板輻射強(qiáng)弱的相對值，因此，需要用其他場強(qiáng)儀和標(biāo)準(zhǔn)輻射源對掃描設(shè)備場探頭進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定的探頭天線系數(shù)，以及前面用掃描儀掃描測量電路板時(shí)所讀取的值，便可計(jì)算出陀螺電路輻射的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度(空氣介質(zhì))，如表1和表2所示。

表1 陀螺正面電路磁場輻射強(qiáng)度Tab.1 Magnetic field radiation intensity of gyro front circuit

表2 陀螺底面電路磁場輻射強(qiáng)度Tab.2 Magnetic field radiation intensity of gyro bottom circuit

從表1和表2中可以看出，陀螺電路整體輻射較小，正面電路輻射強(qiáng)度大于底面電路，這說明底面電路的電場輻射整體比較弱。正面輻射在8.76 MHz頻率下輻射最強(qiáng)，約為0.01 mGs。根據(jù)上述測試結(jié)果，為便于對比，總結(jié)出掃描和標(biāo)定結(jié)果，如表3所示。

表3 掃描和標(biāo)定結(jié)果Tab.3 Results of scanning and calibration

3 電路磁場對陀螺影響分析

隨著電磁場掃描儀探頭與電路板表面之間距離的增加，該電路板輻射強(qiáng)度逐漸下降，這說明電路板輻射磁場強(qiáng)度分布更接近非均勻分布，而非強(qiáng)度與探頭高度無關(guān)的勻強(qiáng)磁場。根據(jù)三維掃描結(jié)果可以看到，光纖陀螺內(nèi)部電路的輻射場為圓或橢圓柱面分布。8.762 MHz處輻射磁場可按圖6方式找到各個(gè)磁場中心點(diǎn)的坐標(biāo)位置和角度，并代入柱面磁場產(chǎn)生的陀螺磁敏感誤差的表達(dá)式中來近似估算陀螺內(nèi)部電路對光纖陀螺的影響[13-15]。

圖6 8.762 MHz處輻射磁場坐標(biāo)分布Fig.6 Radiation magnetic field coordinate distribution at 8.762 MHz

非均勻磁場所產(chǎn)生的相位差應(yīng)為：

Δφt非=

式中，V為沃爾德常數(shù)；Δβ為光纖固有線性雙折射；B0′為平行于線圈平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度的均勻磁場；τ(θ)為光纖扭轉(zhuǎn)角度；θ0′為磁場方向相對基準(zhǔn)軸的角度；R為磁場源與光纖環(huán)邊緣的距離；r為光纖線圈半徑。取V=8.5×10-5，Δβ=600π rad/m，B0′=0.01 mGs，τ=0.1 rad/m，θ01′=-4°，θ02′=-95°，r=0.05 m。

8.762 MHz處輻射磁場產(chǎn)生的光纖陀螺磁敏感相位誤差如圖7所示。由圖7可知，由于8.762 MHz處的輻射磁場由光纖環(huán)中心兩側(cè)的2個(gè)近圓柱面磁場組成，這兩部分磁場產(chǎn)生的陀螺磁敏感相位誤差符號相反，可抵消一部分；該輻射磁場所產(chǎn)生的光纖陀螺磁敏感相位誤差與角度θ之間呈現(xiàn)傾斜的正弦曲線；磁敏感相位誤差(2.3×10-12rad)，與地磁場產(chǎn)生的陀螺磁敏感誤差(9×10-10～4.5×10-6rad)相比可知，對于屏蔽地磁場的高精度光纖陀螺需要對其內(nèi)部電路進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，以減小內(nèi)部電路對陀螺的影響。

圖7 8.762 MHz處輻射磁場產(chǎn)生的光纖 陀螺磁敏感相位誤差Fig.7 Fiber-gyroscope magnetic sensitive phase error generated by radiated magnetic field at 8.762 MHz

4 結(jié)束語

磁敏感性是光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性的研究內(nèi)容之一，對于高精度光纖陀螺尤為重要。本文獲得的電路板輻射磁場強(qiáng)弱與產(chǎn)生位置的關(guān)系對于陀螺PCB布局布線有一定參考意義。對于高精度FOG而言，只有做好電磁兼容設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)工作，才能使陀螺避免干擾，保證精度和靈敏度。