應(yīng)用于光纖陀螺的磁屏蔽設(shè)計研究

摘 要：為解決高精度光纖陀螺對靜磁場敏感的問題，設(shè)計了一種多層結(jié)構(gòu)磁屏蔽體，并通過理論計算分析了屏蔽體不同結(jié)構(gòu)、不同厚度對磁場的屏蔽效能。通過實驗測試屏蔽體磁場的屏蔽效能，發(fā)現(xiàn)與理論計算結(jié)果能夠較好地吻合，有效降低了光纖陀螺的磁場敏感度。

關(guān)鍵詞：光學(xué)陀螺；磁屏蔽；屏蔽效能；多層屏蔽

中圖分類號：V241.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.015

光纖陀螺是飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)飛行器或武器裝備高精度導(dǎo)航的重要保障。受控制技術(shù)、陀螺內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)特征及制作工藝等因素的制約，陀螺系統(tǒng)存在易受磁場環(huán)境影響、精度不高、長期穩(wěn)定性差等問題，這已成為飛行器精確導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

近年來，光纖陀螺已在電磁兼容性設(shè)計、敏感環(huán)工藝技術(shù)改進(jìn)、電路補(bǔ)償和磁屏蔽等抑制技術(shù)方面進(jìn)行了有益的探索，但多數(shù)還沒有采取磁屏蔽設(shè)計。本文針對某光纖陀螺磁漂移問題，在屏蔽理論和光纖陀螺磁屏蔽特征分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、材料、工藝優(yōu)化等方面的磁屏蔽綜合研究。

1 磁屏蔽理論設(shè)計研究

影響磁屏蔽性能的因素包括：磁場源的大小、屏蔽材料的接縫、磁場的頻率、屏蔽到磁場源的距離、屏蔽對磁場源的方向、磁屏蔽材料的厚度和熱處理等。對于高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，需要降低低頻磁場引起的陀螺漂移引入的誤差，低頻磁場主要為地磁場。磁屏蔽材料在磁場中提供低磁阻磁路，引導(dǎo)磁力線通過自身，使磁場避開敏感部件。

2 磁屏蔽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纖陀螺敏感的主要是外界靜磁場，利用高磁導(dǎo)率材料的低磁阻特性，設(shè)計磁屏蔽體對其進(jìn)行整體屏蔽。一般磁屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部都要裝載儀器或部件，所以磁屏蔽罩需要分體設(shè)計，分為底端蓋和上屏蔽罩。

為說明材料厚度對磁屏蔽效能的影響程度，進(jìn)行了坡莫合金1J85單層、雙層磁屏蔽比對實驗，對不同厚度屏蔽罩進(jìn)行不同組合搭配，如表1所示。

由表1可知，單層1 mm屏蔽效能極值點在S=29.4，雙層屏蔽效能極值點在S=85.89. 單層2 mm屏蔽效能極值點在S=13.7，雙層屏蔽效能極值點在S=138.9，在其他測試條件不變的情況下，即整個磁路的磁動勢一定，屏蔽材料厚度加倍，屏效也相應(yīng)加倍；層數(shù)加倍，屏效多倍數(shù)增加?？紤]到成本與重量因素，要達(dá)到屏效極大值，需要雙層屏蔽材料的磁導(dǎo)率達(dá)到極大值。

3 磁屏蔽的理論與測試對比

考慮到實踐應(yīng)用，將某光纖陀螺核心部件的磁屏蔽罩設(shè)計為內(nèi)外雙層磁屏蔽，同時綜合屏蔽層厚度對屏效的影響，設(shè)計壁厚為1 mm與2 mm兩種規(guī)格。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12190—2006《電磁屏蔽室性能的檢測方法》，對磁屏蔽罩屏蔽效能對空間某點屏蔽前后的磁場進(jìn)行測量，并按照上述四個公式對其進(jìn)行近似理論計算，其磁屏蔽效果與外界磁場的關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看到，計算結(jié)果和實驗結(jié)果有較好的一致性。對結(jié)構(gòu)厚度為1 mm與2 mm的層數(shù)組合情況進(jìn)行靜磁分析，發(fā)現(xiàn)2 mm雙層屏效比單層高了10多倍，且比1 mm的雙層屏效也要好較多，可見屏蔽層相對層數(shù)多，且較厚屏蔽材料屏效要好多倍。同時，理論值較測試值有好的屏效，且在2 mm雙層測試中，理論值比實際測量值要小較多。造成這種差異的原因是漏磁場增大和材料磁化不均勻?？紤]到在實踐靜磁屏蔽中，盡管坡莫合金等高磁導(dǎo)率材料比空氣的磁導(dǎo)率高幾個數(shù)量級，但仍然會存在漏磁。特別是在屏蔽層有孔洞的情況下，漏磁會更加嚴(yán)重。

4 結(jié)束語

設(shè)計的磁屏蔽罩具有較高的磁屏蔽效能，滿足環(huán)境靜磁場對光纖陀螺的干擾性能要求，同時，實際測試與理論計算具有較好的吻合度，且具有結(jié)構(gòu)簡單、容易加工實現(xiàn)的優(yōu)點，滿足系統(tǒng)在機(jī)載環(huán)境下的應(yīng)用要求，為其在電磁環(huán)境和地磁場等外部磁場環(huán)境下的工作提供了可靠保障。

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作者簡介：李巧燕（1979—），女，工程師，主要從事電磁屏蔽材料與技術(shù)的研究工作。

〔編輯：王霞〕

Abstract： In order to solve the high-precision fiber optic gyroscope sensitive issue of the static magnetic field， the design of a multi-layer structure of magnetic shield， and calculate the theoretical analysis of the different structures shield， different thickness of the magnetic field shielding effectiveness. Through experimental test magnetic shield shielding effectiveness， discovery and theoretical results can better fit， effectively reducing the magnetic field sensitivity of fiber optic gyroscope.

Key words： optical gyroscope； magnetic shielding； shielding effectiveness； multilayered shield