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 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043；2.陸軍工程大學(石家莊校區)，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慣性儀表領域的一個應用熱點，它具有無轉動部件的全固態結構、動態范圍大、響應速度快、功耗低、抗沖擊振動、啟動過程短和壽命長等突出優點，可廣泛用于各種應用領域[1-3]。光纖陀螺工作原理上基于光路Sagnac效應，敏感元件是光纖環，光纖環不僅敏感Sagnac效應產生的非互易相移，也可以敏感多種物理量，所以外界環境極易在陀螺中產生各種非互易誤差。這一誤差疊加到光纖陀螺的Sagnac效應上，就會導致光纖陀螺輸出零偏的變化[4-7]。

在實際應用中，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部磁場，外部磁場包括地球磁場、工頻干擾等環境磁場，內部磁場主要是由電路板、導線和光電元件等產生的磁場[8-12]。地磁場屬于靜勻磁場。本文主要分析陀螺內部電路產生磁場的分布規律，依據實驗結果計算了磁場參數，歸納了磁場分布特點，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 光纖陀螺內部電路輻射磁場測試

1.1 測試設備

測試系統由電磁場掃描儀、頻譜分析儀以及計算機控制與顯示軟件構成，對光纖陀螺的電路板進行電磁場輻射特性掃描，該系統如圖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行電磁場輻射特性掃描。該掃描系統能夠對電路板、電纜及整機的電磁輻射及熱輻射精確測量，確定元件級輻射源的強度和位置，測量結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實物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不一樣，因此，對電路板的兩面分別進行了磁場輻射特性掃描測試。

圖2 正面電路實物Fig.2 Picture of the front circuit

圖3 底面電路實物Fig.3 Picture of the bottom circuit

根據電路尺寸，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，探頭移動步進尺寸5 mm，磁場探頭的天線環水平擺放，通過軟件將頻譜儀的掃頻范圍設置為0～50 MHz，分辨率帶寬9 kHz，視頻帶寬30 kHz，掃描次數為5次。掃描分為預掃描和精確掃描。先對整塊電路進行預掃描，獲得電路板輻射強度較大的頻率點，根據預掃描的結果，針對輻射較強的頻率點，再進行定位精確掃描，得到在不同頻率電路板上各個部位的磁場輻射強度分布圖。

根據預掃描的結果，輻射較大的頻率點有8.761，35.047，17.524，43.808，26.285 MHz，其中，輻射最強的基頻是8.761 MHz；35.047，7.524，43.808，26.285 MHz都是最大輻射頻率點8.761 2 MHz的高次諧波。

部分精確掃描的磁場輻射強度分布如圖4所示。將輻射強度分布與圖2的器件實物進行比對，發現正面電路磁場輻射主要是數模轉換器DAC、FPGA芯片、有源晶振和PIN-FET探測器(光電轉換器)等區域附近輻射較強。

圖4 不同頻率下正面電路磁場輻射強度分布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行測試，測試時，軟件和頻譜儀的設置、探頭的擺放方式與正面電路測試時完全一樣。先對整塊電路進行預掃描，根據預掃描結果，輻射較大的頻率點有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8.761 2 MHz的高次諧波。這說明輻射最強的基頻是8.761 MHz，與正面電路預掃描結果基本一致。根據預掃描的結果，再進行定位精確掃描，部分磁場輻射強度分布如圖5所示。將輻射強度分布與圖3的器件實物進行比對，發現底面電路磁場輻射較強區域主要在PIN-FET探測器(光電轉換器)管腳及個別電容附近。

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

2 實驗結果

由于場分布掃描系統的近場探頭沒有標定，只能給出電路板輻射強弱的相對值，因此，需要用其他場強儀和標準輻射源對掃描設備場探頭進行標定。根據標定的探頭天線系數，以及前面用掃描儀掃描測量電路板時所讀取的值，便可計算出陀螺電路輻射的磁場強度和磁感應強度(空氣介質)，如表1和表2所示。

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

表2 陀螺底面電路磁場輻射強度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，約為0.01 mGs。根據上述測試結果，為便于對比，總結出掃描和標定結果，如表3所示。

表3 掃描和標定結果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，該電路板輻射強度逐漸下降，這說明電路板輻射磁場強度分布更接近非均勻分布，而非強度與探頭高度無關的勻強磁場。根據三維掃描結果可以看到，光纖陀螺內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方式找到各個磁場中心點的坐標位置和角度，并代入柱面磁場產生的陀螺磁敏感誤差的表達式中來近似估算陀螺內部電路對光纖陀螺的影響[13-15]。

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

非均勻磁場所產生的相位差應為：

Δφt非=

式中，V為沃爾德常數；Δβ為光纖固有線性雙折射；B0′為平行于線圈平面的磁感應強度的均勻磁場；τ(θ)為光纖扭轉角度；θ0′為磁場方向相對基準軸的角度；R為磁場源與光纖環邊緣的距離；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中心兩側的2個近圓柱面磁場組成，這兩部分磁場產生的陀螺磁敏感相位誤差符號相反，可抵消一部分；該輻射磁場所產生的光纖陀螺磁敏感相位誤差與角度θ之間呈現傾斜的正弦曲線；磁敏感相位誤差(2.3×10-12rad)，與地磁場產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部電路進行電磁兼容設計，以減小內部電路對陀螺的影響。

圖7 8.762 MHz處輻射磁場產生的光纖 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 結束語

磁敏感性是光纖陀螺環境適應性的研究內容之一，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弱與產生位置的關系對于陀螺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計等細節工作，才能使陀螺避免干擾，保證精度和靈敏度。