氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀零偏穩(wěn)定性的影響及改進(jìn)

閭曉琴，黃鑫巖, 高 峰，王學(xué)鋒

氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀零偏穩(wěn)定性的影響及改進(jìn)

閭曉琴，黃鑫巖, 高 峰，王學(xué)鋒

（北京航天時(shí)代光電科技有限公司，北京 100091）

研究了氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀零偏穩(wěn)定性的影響，提出了降低光纖陀螺儀氣壓靈敏度的設(shè)計(jì)方法。理論分析并實(shí)際測(cè)量了氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀零偏穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)研究了光纖環(huán)浸膠固化和密封這兩種降低光纖陀螺儀氣壓靈敏度設(shè)計(jì)方法的有效性。結(jié)果表明，變氣壓條件下光纖陀螺儀的零偏穩(wěn)定性劣化1～2個(gè)量級(jí)，對(duì)光纖環(huán)浸膠固化后，光纖陀螺儀的氣壓靈敏度減小1倍，可以在一定程度上減小空氣的擾動(dòng)，改善氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀的影響。而對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行密封設(shè)計(jì)是一種更有效的措施。對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行密封設(shè)計(jì)后，光纖陀螺儀的氣壓靈敏度為零，光纖陀螺儀零偏穩(wěn)定性基本不受變氣壓環(huán)境的影響，解決了光纖陀螺儀受氣壓變化影響精度的問題。

光纖陀螺儀；變氣壓；零偏穩(wěn)定性；密封；光纖環(huán)；膠固技術(shù)

光纖陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的全固態(tài)慣性儀表，作為一種慣性儀表，具有傳統(tǒng)機(jī)電儀表所不具備的優(yōu)點(diǎn)。它是由光學(xué)和電子器件組成的閉環(huán)系統(tǒng)，通過檢測(cè)兩束光的相位差來確定自身角速度，因此在結(jié)構(gòu)上它是完全固態(tài)化的陀螺，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、帶寬大、啟動(dòng)快、環(huán)境適應(yīng)性好、生產(chǎn)工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。正是以上原理和結(jié)構(gòu)上獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使得光纖陀螺在許多應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

光纖陀螺儀正逐步應(yīng)用于各種導(dǎo)彈武器及空間飛行器[1-3]，某些任務(wù)的工作環(huán)境中存在氣壓急劇變化的情況，若不采取任何措施，會(huì)導(dǎo)致光纖陀螺儀的零偏漂移，嚴(yán)重影響光纖陀螺儀的零偏穩(wěn)定性。

外界環(huán)境中的鹽霧、水汽等進(jìn)入陀螺內(nèi)部，也會(huì)導(dǎo)致光纖性能加速退化、壽命縮短，嚴(yán)重情況下會(huì)使其斷裂失效。在實(shí)際應(yīng)用中，光纖從拉絲塔下來后，其表面不可避免地會(huì)存在一些微裂紋，陀螺正常裝配過程中也會(huì)形成的微傷痕，這些微裂紋會(huì)不斷生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致光纖開裂、斷裂失效，這是光纖均勻失效的主要模式，這些微裂紋的生長(zhǎng)速度決定了光纖陀螺的壽命。除了應(yīng)力導(dǎo)致光纖表面微裂紋擴(kuò)大外，光纖所處環(huán)境的濕度或水汽含量越大，微裂紋生長(zhǎng)越快，光纖失效的越快。另外，在水汽及鹽霧、酸堿性氣體的作用下，Y波導(dǎo)鈮酸鋰晶體的電光系數(shù)也會(huì)發(fā)生加速退化，導(dǎo)致半波電壓增大，嚴(yán)重情況下可能引起Y波導(dǎo)的調(diào)制功能失效，從而導(dǎo)致陀螺失效[4-5]。

1 氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀零偏穩(wěn)定性影響的理論分析和試驗(yàn)研究

光纖陀螺儀光路主要由光源、耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)和光電探測(cè)器組成。從光源發(fā)出的光經(jīng)2×2單模光纖耦合器進(jìn)入Y波導(dǎo)，光在光纖環(huán)中沿相反方向傳播，然后回到Y(jié)波導(dǎo)的合光點(diǎn)上發(fā)生干涉，干涉光波再次經(jīng)過2×2單模光纖耦合器，到達(dá)探測(cè)器。當(dāng)光纖陀螺繞光纖環(huán)軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于Sagnac效應(yīng)，兩束相向傳播的光束之間將產(chǎn)生光程差，進(jìn)而產(chǎn)生相位差，形成干涉。通過光電探測(cè)器檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化就可以測(cè)量出轉(zhuǎn)速[1-2]。

光纖環(huán)是光纖陀螺儀敏感角速度的關(guān)鍵部件，它采用幾百米至幾千米的光纖繞制而成。光纖環(huán)對(duì)熱流以及氣壓變化敏感，這是因?yàn)楣饫w環(huán)繞制完成以后其內(nèi)部包夾著一定量的空氣。

氣壓變化會(huì)在光纖環(huán)上產(chǎn)生應(yīng)力。外部氣壓變小，光纖環(huán)內(nèi)部的空氣會(huì)從光纖的縫隙中沖出環(huán)外，外部氣壓變大，環(huán)外的空氣會(huì)沖進(jìn)光纖的縫隙中，這會(huì)在光纖環(huán)上產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致光纖環(huán)內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生變化，產(chǎn)生彈光效應(yīng)引起光纖折射率的變化。光纖環(huán)每一點(diǎn)的折射率隨時(shí)間變化，而兩束光波經(jīng)過該點(diǎn)的時(shí)間不同（除了光纖線圈中點(diǎn)），它們所經(jīng)歷的光程也不同，從而產(chǎn)生相位差，引起光纖環(huán)的非互易相移，這個(gè)非互易相移與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相移無法區(qū)分。

另外氣壓變化會(huì)導(dǎo)致光纖環(huán)的溫度場(chǎng)發(fā)生變化。氣壓變化，空氣和熱流進(jìn)出光纖縫隙，導(dǎo)致光纖環(huán)的溫度場(chǎng)發(fā)生變化。光纖環(huán)每一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化，而兩束光波經(jīng)過該點(diǎn)的時(shí)間不同（除了光纖線圈中點(diǎn)），它們所經(jīng)歷的光程也不同，從而產(chǎn)生相位差，這種現(xiàn)象也稱為shupe效應(yīng)[6]。Shupe效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相移與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相移無法區(qū)分。

假設(shè)光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，到線圈分束器距離為z的一小段光纖δz所經(jīng)受的應(yīng)力和溫度變化率分別為ddPt、ddTt，光纖的折射率隨應(yīng)力和溫度的變化分別為ddnP、ddnT，在某一時(shí)刻，順時(shí)針傳播的光波在光纖段δz上產(chǎn)生的相位變化為

式中，n為光纖的有效折射率。經(jīng)過一段時(shí)間后，由于氣壓變化引起的溫度場(chǎng)和應(yīng)力變化，該段光纖的折射率發(fā)生了變化，逆時(shí)針傳播的光波在光纖段δz上產(chǎn)生的相位變化為式中，dt表示順時(shí)針和逆時(shí)針光波到達(dá)光纖段δz的時(shí)間差。由兩式相減可以得到光纖段δz上的由于氣壓變化引起的相位誤差為

對(duì)上式積分可以得到總的相位誤差：

利用Sagnac效應(yīng)可以進(jìn)一步得到氣壓變化引起的光纖陀螺儀零偏漂移為

采用二極對(duì)稱繞法或四極對(duì)稱繞法繞制光纖線圈可降低光纖陀螺中shupe效應(yīng)導(dǎo)致的相位誤差，但是不能完全消除這種誤差。

圖1是某光纖陀螺儀在變氣壓過程中的輸出，常溫下此光纖陀螺儀的零偏穩(wěn)定性為0.009 (°)/h。從圖1可以看出，30 min降氣壓變化過程中，零偏漂移達(dá)到0.5 (°)/h。變氣壓條件下光纖陀螺儀的零偏穩(wěn)定性比常壓條件下劣化了1～2個(gè)量級(jí)，氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀輸出影響很大。

2 降低氣壓靈敏度的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了減小或避免外界氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀精度和可靠性造成的影響，分析認(rèn)為可以采取兩個(gè)措施。

第一個(gè)措施是對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行浸膠固化[7-10]。浸膠是指將膠粘劑均勻的滲透到光纖環(huán)的線圈之間，然后固化，光纖環(huán)浸膠以后固化膠取代光纖環(huán)內(nèi)部的空氣均勻分布于光纖的間隙之間，因此浸膠可以在一定程度上減小空氣的擾動(dòng)，改善氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀的影響。但是對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行浸膠固化會(huì)給光纖帶來新的應(yīng)力，主要包括固化過程產(chǎn)生的收縮應(yīng)力、環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力、粘結(jié)作用力產(chǎn)生的粘結(jié)應(yīng)力等。而光纖是一種應(yīng)力敏感的材料，外部應(yīng)力的作用會(huì)改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，引起光纖折射率的變化，導(dǎo)致傳播光的相位和強(qiáng)度發(fā)生改變，使光纖環(huán)的輸出產(chǎn)生非互易相移。

圖1 某光纖陀螺儀降氣壓過程中零偏漂移Fig.1 Bias drift of FOG in variable air pressure

第二個(gè)措施是對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行密封。對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行密封設(shè)計(jì)不但可以杜絕空氣的擾動(dòng)，避免氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀精度的影響，同時(shí)還可以延長(zhǎng)光纖陀螺儀的貯存壽命，提高可靠性。

圖2是對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行膠固后，變氣壓環(huán)境下的光纖陀螺儀零偏變化。從圖2可以看出，30 min降氣壓變化過程中，零偏漂移幅度減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖環(huán)浸膠可以在一定程度上杜絕空氣的擾動(dòng)，改善氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀的影響。

針對(duì)此光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在陀螺法蘭和陀螺上端蓋、下端蓋、電連接器的裝配面設(shè)計(jì)密封圈，并采用玻璃封接電連接器的方式對(duì)陀螺進(jìn)行密封。密封設(shè)計(jì)后，光纖陀螺儀在內(nèi)外1個(gè)大氣壓壓差的情況下，15 min陀螺內(nèi)氣壓變化不大于0.3%，1 h陀螺內(nèi)氣壓變化不大于1%，大大降低光纖陀螺儀內(nèi)部的氣壓變化率。

圖2 采取光纖環(huán)浸膠固化措施后光纖陀螺儀降氣壓過程中零偏漂移Fig.2 Bias drift of FOG in variable air pressure environment after coating

圖3和圖4是采取光纖環(huán)膠固和密封這兩個(gè)措施后，變氣壓環(huán)境下的光纖陀螺儀零偏變化。表1是改進(jìn)設(shè)計(jì)前后變氣壓環(huán)境下的陀螺零偏穩(wěn)定性(100 s，1σ)測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯扇〗档蜌鈮红`敏度設(shè)計(jì)后，變氣壓過程中陀螺零偏基本沒有漂移，光纖陀螺儀零偏基本不受變氣壓環(huán)境的影響，解決了光纖陀螺儀受氣壓變化影響精度的問題。

由上述分析可知，光纖陀螺儀進(jìn)行密封設(shè)計(jì)是一種更有效的措施。為進(jìn)一步延長(zhǎng)光纖陀螺的貯存壽命，提高可靠性，需要對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行密封，阻止外界鹽霧、水汽進(jìn)入到陀螺內(nèi)部，降低外界氣壓急劇變化、熱流、熱真空等環(huán)境因素的影響，保證陀螺光路始終處于“安全”的環(huán)境中，消除環(huán)境因素導(dǎo)致的光纖加速失效問題。

圖3 采取光纖環(huán)浸膠固化和密封措施后降氣壓過程中光纖陀螺儀的零偏漂移Fig.3 Bias drift in reduced air pressure environment after coating and sealing

圖4 采取光纖環(huán)浸膠固化和密封措施后升氣壓過程中光纖陀螺儀的零偏漂移Fig.4 Bias drift in step-up air pressure environment after coating and sealing

表1 改進(jìn)前后光纖陀螺儀零偏穩(wěn)定性Tab.1 Bias stability in variable air pressure environment before and after improvement

3 結(jié) 論

光纖陀螺儀的零偏會(huì)因氣壓變化漂移，變氣壓條件下光纖陀螺儀的零偏漂移為常壓條件下的1-2個(gè)量級(jí)。對(duì)光纖環(huán)浸膠可以在一定程度上減小空氣的擾動(dòng)，改善氣壓變化對(duì)光纖陀螺儀的影響。而對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行密封設(shè)計(jì)是一種更有效的措施，對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行密封設(shè)計(jì)后，光纖陀螺儀零偏基本不受變氣壓環(huán)境的影響，解決了光纖陀螺儀受氣壓變化影響精度的問題，同時(shí)避免了外界環(huán)境中的鹽霧、水汽等進(jìn)入陀螺內(nèi)部對(duì)光纖陀螺儀壽命的影響，進(jìn)一步提高了光纖陀螺儀的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

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Influence of air pressure variation on FOG bias stability and its improvement

LV Xiao-qin, HUANG Xin-yan, GAO Feng, WANG Xue-feng
(Beijing Aerospace Times Optical-electronic Co. Ltd, Beijing 100091, China)

Influence of air pressure variation on the bias stability of fiber-optic gyroscope(FOG) was studied, and the design method of reducing the pressure sensitivity of the FOG was proposed. The influence of the pressure change on the FOG was theoretically analyzed and practically measured. Both the adhesive coating and the sealing techniques for the optical fiber ring were experimentally studied to reduce the pressure sensitivity of the FOG. The results show that the bias stability of the FOG is increased by 1-2 orders of magnitude compared with that under variable pressure. The air pressure sensitivity of the FOG is reduced by half after coating adhesive on the optical fiber ring, thus the air disturbance can be decreased, and the influence of air pressure change on the FOG is reduced. The results also show that the FOG sealing design is a more effective method. After sealing, the bias of FOG is not sensitive to variable air pressure at all, and the problem of FOG bias drift in variable air pressure environment is solved.

fiber-optic gyroscope; pressure change; bias stability; sealing; optical fiber coils; adhesive coating

U666.1

A

1005-6734(2015)03-0399-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.03.0022

2015-02-15；

2015-05-27

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A0320110013）

閭曉琴（1979—），女，高級(jí)工程師，從事光纖陀螺儀技術(shù)研究。E-mail：xqlv@163.com