光纖陀螺結(jié)構(gòu)細(xì)分及材料優(yōu)選

岑禮君　于中權(quán)　于麗等

摘要：介紹了溫度場(chǎng)和應(yīng)力引起光纖陀螺誤差的機(jī)理，通過對(duì)光纖陀螺的結(jié)構(gòu)細(xì)分，采用不同材料分別建立有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析、熱應(yīng)力分析和瞬態(tài)溫度分析，選取具有代表性的新型材料鈹鋁合金和因瓦合金與傳統(tǒng)鋁合金進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，鈹鋁合金可以提高光纖陀螺的固有頻率，同時(shí)提高光纖陀螺的溫度性能，因瓦合金可以大幅度降低光纖陀螺光纖線圈的應(yīng)力變化，將光纖陀螺結(jié)構(gòu)細(xì)分，進(jìn)行材料優(yōu)選，可以顯著提高光纖陀螺的溫度性能和動(dòng)態(tài)輸出精度，并得到試驗(yàn)論證。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺； 有限元； 結(jié)構(gòu)材料； 溫度性能； 動(dòng)態(tài)性能

中圖分類號(hào)： TP 391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.018

Abstract：This paper introduces fiber optic gyroscope （FOG） error caused by the temperature field and stress. Through the subdivision of FOG structure， finite element models for different materials were established. Thermal stress analysis and transient temperature analysis were carried out. We select a representative of the new material beryllium aluminum alloy and invar alloy and compare them with the conventional aluminum alloy. The results show that the use of beryllium aluminum alloy can increase the frequency of the FOG， while increasing the temperature performance of FOG. Invar alloy can greatly reduce the influence of the stress change of the optical fiber coil. The subdivision of FOG structure with the optimization of materials can significantly improve the temperature performance and precision of dynamic output of FOG， which is proven in the experimental test.

Keywords：fiber optic gyroscope（FOG）； finite element； structural materials； temperature performance； dynamic output precision

引 言

隨著光纖陀螺的廣泛應(yīng)用，光纖陀螺中各個(gè)光電器件對(duì)結(jié)構(gòu)的要求不斷細(xì)化，例如，光纖線圈要求其骨架要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和很小的熱膨脹性；光源要求其安裝板有好的散熱性能；陀螺基座要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和好的散熱性能；相位調(diào)制器（Y波導(dǎo)）要求絕緣；電路板要求有良好的散熱，并且與光纖線圈熱隔離。

傳統(tǒng)光纖陀螺的光纖環(huán)骨架既要用于固定光纖線圈、相位調(diào)制器、光電探測(cè)器、耦合器和電路板，又要作為光纖陀螺的安裝基座，所以要求光纖環(huán)骨架要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，不能有太大的熱膨脹性。另外，光纖環(huán)骨架要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，使電路板、光源、光電探測(cè)器等光電器件產(chǎn)生的熱量有良好的導(dǎo)熱通道傳到光纖陀螺外，盡可能減小光纖線圈溫度變化和溫變速率。這種情況下，使得在光纖陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇上要綜合考慮，這極大地降低了這些光電器件的工作性能。

本文按照光纖陀螺中不同光電器件對(duì)工作環(huán)境的要求將光纖陀螺的結(jié)構(gòu)細(xì)分成單獨(dú)的零件，逐一進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)選。

1 光纖陀螺基本原理和主要器件的特性

1.1 基本原理

光纖陀螺基于Sagnac效應(yīng)，即沿閉合光路相向傳播的光波返回到起始點(diǎn)干涉后，干涉信號(hào)的相位差正比于閉合光路敏感軸的輸入角速度。

干涉型光纖陀螺的基本光路如圖1所示，由光源、探測(cè)器、分束器、準(zhǔn)直透鏡和光纖線圈構(gòu)成。從光源發(fā)出的光波被分束器分成兩束，一束透射過分束器后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡耦合進(jìn)光纖線圈后順時(shí)針傳播，由光纖線圈出射后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后透射過分束器。另一束被分束器反射后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡耦合進(jìn)光纖線圈后逆時(shí)針傳播，由光纖線圈出射后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后被分束器反射。兩束光會(huì)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉信號(hào)，干涉信號(hào)的強(qiáng)度隨光纖線圈法向的輸入角速度變化而變化，通過探測(cè)器檢測(cè)干涉信號(hào)的強(qiáng)度變化，可以獲得輸入的角速度變化。

1.2 光纖線圈

光纖線圈是光纖陀螺中用于敏感輸入角速度引起的兩相向傳播光波之間Sagnac相位差的部件，因而是影響光纖陀螺性能的主要因素。光纖線圈可以分為有骨架和無骨架兩種，目前得到廣泛工程化應(yīng)用的是有骨架的光纖線圈。對(duì)光纖陀螺有影響的光纖線圈參數(shù)主要有光纖線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括平均直徑、光纖長度、光纖線圈的橫截面比例）、損耗、偏振串音、應(yīng)力分布及光纖線圈的對(duì)稱性。其中，光纖環(huán)骨架的強(qiáng)度、溫度變化速率、溫度變化下的形變量對(duì)光纖線圈的參數(shù)影響較大。減小光纖線圈在振動(dòng)和溫變情況下的形變和溫變速率可以大幅度提高光纖陀螺的性能。

1.3 Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件

Y波導(dǎo)是光纖陀螺中的關(guān)鍵器件，它和光纖線圈形成Sagnac干涉儀，它是作為光纖陀螺的專用調(diào)制器件出現(xiàn)的，它要對(duì)輸入的光波進(jìn)行偏振濾波、對(duì)光波進(jìn)行分束和合束、對(duì)光波進(jìn)行偏置和反饋調(diào)制，它對(duì)偏振抑制和半波電壓穩(wěn)定性要求高，要防止和探測(cè)器輸出信號(hào)的電子形成串?dāng)_誤差，實(shí)際應(yīng)用中，可對(duì)Y波導(dǎo)進(jìn)行絕緣安裝以提高其抗干擾能力。

1.4 光 源

光源的作用是為光纖陀螺提供產(chǎn)生Sagnac效應(yīng)所需的合適光信號(hào)，需要其有較高的、穩(wěn)定的尾纖輸出光功率，以提高光纖陀螺的信噪比，這就需要光源有良好的散熱環(huán)境保證它有較高的溫控精度，另外，由光源產(chǎn)生的熱也是光纖陀螺主要的噪聲源頭，因此，在保證其散熱良好的前提下，還要盡可能地減少其傳到光纖線圈上的熱量。

1.5 光電探測(cè)器

光電探測(cè)器將Sagnac干涉儀返回來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一般直接焊接在電路板上，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器在實(shí)際工作中也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，影響光纖陀螺的性能[1-2] 。

1.6 Shupe效應(yīng)和彈光效應(yīng)

在光纖陀螺中，由于外界溫度隨時(shí)間變化，光纖線圈每一點(diǎn)的折射率都隨溫度變化而變化，而相向傳播的兩束光波經(jīng)過該點(diǎn)的時(shí)間不同（除光纖線圈中點(diǎn)以外），因此，兩束光波經(jīng)過光纖線圈后由于溫度引起的相位變化不同，這個(gè)效應(yīng)最初由Shupe發(fā)現(xiàn)，稱為Shupe效應(yīng)。

應(yīng)力對(duì)光纖陀螺的作用主要通過光纖線圈體現(xiàn)。對(duì)于常用的保偏光纖，除了內(nèi)部應(yīng)力區(qū)引起的保持偏振所需要的高雙折射外，光纖陀螺在振動(dòng)、沖擊、過載和溫變等環(huán)境條件下，作用在光纖上的外部機(jī)械應(yīng)力會(huì)引起光纖的附加雙折射，引起這種雙折射的效應(yīng)稱為彈光效應(yīng)[3-4] 。

1.7 光纖陀螺溫度場(chǎng)模型

通過測(cè)量光纖陀螺中的各個(gè)器件在工作時(shí)的溫度，得出主要發(fā)熱器件的溫度曲線，再利用ANSYS軟件建立起光纖陀螺常溫工作狀態(tài)下的溫度模型。SLD（超輻射發(fā)光二極管）是光纖陀螺中最主要發(fā)熱器件，其底部在常溫工作狀態(tài)下的溫度曲線如圖2所示。光源驅(qū)動(dòng)板用于驅(qū)動(dòng)SLD，其安裝面在常溫工作狀態(tài)下的溫度曲線如圖3所示。

主板上的FPGA芯片和光電探測(cè)器發(fā)熱，也給光纖陀螺帶來了一定的誤差熱源，其安裝面在常溫工作狀態(tài)下的溫度曲線如圖4所示。利用得到的溫度數(shù)據(jù)對(duì)光纖陀螺建立接近實(shí)際工作狀態(tài)的溫度場(chǎng)有限元模型，分別將以上溫度曲線賦予光纖陀螺的光源安裝面、光源驅(qū)動(dòng)板安裝面和主板安裝面，忽略光纖陀螺中熱輻射的影響，進(jìn)行有限元分析。

2 光纖陀螺結(jié)構(gòu)細(xì)分和材料優(yōu)選

2.1 光纖陀螺結(jié)構(gòu)細(xì)分

按照光纖陀螺各個(gè)光學(xué)器件（包括光纖線圈、相位調(diào)制器、耦合器、光電探測(cè)器、光源）的功能和對(duì)使用環(huán)境的要求，將光纖陀螺的主體結(jié)構(gòu)細(xì)分成光纖環(huán)骨架、相位調(diào)制器支架、光源底板和基座幾部分。如圖5所示，為傳統(tǒng)光纖陀螺基體和細(xì)分后的結(jié)構(gòu)對(duì)比。

2.2 光纖陀螺材料優(yōu)選

針對(duì)光纖陀螺各個(gè)光學(xué)器件對(duì)環(huán)境的要求，在目前廣泛應(yīng)用的工程材料和近幾年在慣性器件行業(yè)得到應(yīng)用的新型材料中進(jìn)行篩選，選取了鈹鋁合金和因瓦合金替代原有鋁合金，并在建立的溫度場(chǎng)模型下對(duì)不同材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱力學(xué)分析和瞬態(tài)溫度分析[5-7]。

鈹鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度高、熱穩(wěn)定性好、高韌性、抗腐蝕、結(jié)合了鈹?shù)牡兔芏扰c鋁的易加工性等許多優(yōu)良特性，隨著航空、航天工業(yè)、計(jì)算機(jī)制造業(yè)、汽車工業(yè)及高精度、高速度電焊機(jī)器制造工業(yè)的飛速發(fā)展，其已成為一種越來越重要的新型材料[8]。

因瓦合金，是一種鎳鐵合金，其成分為鎳36%，鐵63.8%，碳0.2%，它的熱膨脹系數(shù)極低，能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定長度。絕大多數(shù)的金屬合金都是在受熱時(shí)體積膨脹，冷卻時(shí)體積收縮，但因瓦合金由于它的鐵磁性，在一定的溫度范圍內(nèi)，具有因瓦效應(yīng)的反常熱膨脹，其膨脹系數(shù)極低，有時(shí)甚至為零或負(fù)值[9-10]。

表1是有限元分析所用到不同材料的主要性能參數(shù)。

3 分析結(jié)果和試驗(yàn)論證

3.1 分析結(jié)果

基座選用目前在航天航空領(lǐng)域得到一定應(yīng)用的鈹鋁合金，這種材料的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能均優(yōu)于常用的鋁合金，圖6是傳統(tǒng)鋁合金材料和鈹鋁合金在同等條件下的模態(tài)分析對(duì)比，表2是計(jì)算模型的固有頻率。

光纖環(huán)骨架選用低膨脹因瓦合金，這種材料的力學(xué)性能與鐵合金相似，最大的特點(diǎn)是具有極低的線膨脹系數(shù)，對(duì)于光纖陀螺這種溫度變化大的使用環(huán)境，可以很好的保證光纖線圈的穩(wěn)定性。圖7是傳統(tǒng)鋁合金和因瓦合金在相同情況下的熱應(yīng)力變形的分析對(duì)比。在同樣狀況下，因瓦合金熱應(yīng)力變形為1.296×10-6 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁合金4.564×10-5 m。

基座選用鈹鋁合金，光纖環(huán)骨架選用低膨脹因瓦合金，圖8是鈹鋁合金及因瓦合金與傳統(tǒng)鋁合金材料在同等條件下的瞬態(tài)溫度分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用鈹鋁合金可以使光纖線圈更快的達(dá)到熱平衡，將減小光纖陀螺的啟動(dòng)時(shí)間，從而提高光纖陀螺的精度。

3.2 試驗(yàn)論證

采用細(xì)分后的新結(jié)構(gòu)和優(yōu)選的新型材料，加工兩臺(tái)樣機(jī)，保證各個(gè)光電器件與現(xiàn)有成熟陀螺狀態(tài)一致，隨機(jī)選取一只現(xiàn)有陀螺與兩臺(tái)樣機(jī)分別做溫度定點(diǎn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)比陀螺輸出曲線，見圖9和圖10。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，看到樣機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間為10 s左右，零偏穩(wěn)定性為0.1（°）/h，相比成熟的光纖陀螺啟動(dòng)時(shí)間為60 s，零偏穩(wěn)定性為0.13（°）/h，都有大幅度減小，證明將光纖陀螺的結(jié)構(gòu)細(xì)分和材料優(yōu)選對(duì)其溫度性能有一定提高。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，看到樣機(jī)的隨機(jī)振動(dòng)振動(dòng)中與振動(dòng)前后的零偏極差為0.05～0.1（°）/h，成熟光纖陀螺的隨機(jī)振動(dòng)振動(dòng)中與振動(dòng)前后的零偏極差為0.01～0.03（°）/h，證明結(jié)構(gòu)細(xì)分和材料優(yōu)選對(duì)光纖陀螺的振動(dòng)性能也有一定改善。

4 結(jié) 論

通過對(duì)光纖陀螺結(jié)構(gòu)的細(xì)分，并對(duì)光纖陀螺實(shí)際工作狀態(tài)建立溫度場(chǎng)模型，選用鈹鋁合金和因瓦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金，利用ANSYS Workbench軟件針對(duì)優(yōu)選的材料分別進(jìn)行模態(tài)分析、熱應(yīng)力分析和瞬態(tài)溫度分析，獲得了對(duì)實(shí)際研究有指導(dǎo)意義的結(jié)論，運(yùn)用得到的結(jié)果，對(duì)陀螺結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，減小光纖環(huán)的溫度漂移、啟動(dòng)時(shí)間和熱應(yīng)力變形，最終提高光纖陀螺精度，意義重大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張維敘.光纖陀螺及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 王巍.干涉型光纖陀螺儀技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，2010.

[3] 張桂才.光纖陀螺原理與技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[4] 傅長松，汪繩武，袁一方.光纖陀螺技術(shù)研究[J].光學(xué)儀器，2002，24（6）：19-23.

[5] 劉海霞，蔣鷂飛，宋凝芳，等.結(jié)構(gòu)材料對(duì)光纖陀螺動(dòng)態(tài)性能的影響[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40（1）：39-43.

[6] 于中權(quán)，張珉，陳習(xí)元，等.光纖環(huán)溫度性能仿真分析[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（2）：421-426.

[7] 陳蘊(yùn)博，岳麗杰.機(jī)械工程材料優(yōu)選方法的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（1）：16-20.

[8] 劉孝寧，馬世光.鈹鋁合金的研究與應(yīng)用[J].稀有金屬，2003，27（1）：62-65.

[9] 李青祿，胡笛川.因瓦合金的特性及應(yīng)用前景[J].機(jī)械管理開發(fā)，2003（6）：34-35.

[10] 陳昀，李明光，張艷紅，等.因瓦合金發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2009，22（4）：9-11.

[11] 陳文海，牟旭東，舒曉武，等.光纖陀螺的振動(dòng)特性研究[J].光學(xué)儀器，2003，25（5）：19-23.

（編輯：張 磊）