光纖環(huán)圈溫度漂移影響因素分析

王樹(shù)宇

【摘 要】分析了光纖環(huán)圈繞制方法、封裝工藝和環(huán)圈結(jié)構(gòu)對(duì)陀螺漂移的影響；提出采用四級(jí)對(duì)稱繞法、選用適合的封裝材料和工藝、提高繞纖質(zhì)量等方案減小陀螺的溫度漂移，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

【Abstract】The influence of the coiling method of fibre-optical coils ， packaging technology and ring structure on gyro drift is analyzed. It is proposed that the temperature drift of the gyroscope is reduced by using the four-stage symmetric winding method， selecting the suitable packaging material and technology， improving the quality of the winding fiber， and the experiment is carried out to verify it.

【關(guān)鍵詞】光纖環(huán)圈；溫度漂移；四級(jí)對(duì)稱；環(huán)圈封裝

【Keywords】 fibre-optical coils； temperature drift； four -stage symmetry； ring encapsulation

【中圖分類號(hào)】TN253 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）08-0154-02

1 引言

干涉型光纖陀螺由光源、光纖環(huán)圈、Y波導(dǎo)、探測(cè)器等幾部分組成，是根據(jù)Sagnac原理，依靠測(cè)量在光纖環(huán)圈中相向傳輸?shù)膬墒獠ㄖg的相位差來(lái)敏感運(yùn)載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。外界環(huán)境的變化會(huì)影響這種測(cè)量的穩(wěn)定性，使陀螺輸出產(chǎn)生漂移誤差。其中作用于光纖環(huán)圈上的溫度梯度和應(yīng)力等更加直接地影響著光纖陀螺的性能。提高光纖環(huán)圈繞制技術(shù)可以在一定程度上減小外界環(huán)境因素對(duì)陀螺信號(hào)輸出的影響，減小陀螺漂移。本文將從繞制方法、封裝和排絲等方面討論光纖環(huán)圈的繞制技術(shù)。

2 環(huán)圈繞制方法對(duì)陀螺漂移的影響

在sagnac干涉儀中，溫度梯度會(huì)給光纖陀螺帶來(lái)大的漂移，這種漂移被稱為溫度漂移（shupe誤差）。它是由于光纖折射率和光波長(zhǎng)對(duì)溫度都十分敏感，相向傳輸?shù)膬墒獠ǖ竭_(dá)光纖環(huán)中某一局部位置時(shí)存在一個(gè)微小的時(shí)間延遲造成。因而在同一溫度場(chǎng)內(nèi)不同時(shí)刻對(duì)光波產(chǎn)生了不同的影響，最終導(dǎo)致兩束光波之間產(chǎn)生非互易性相位。溫度梯度分為徑向溫度梯度和軸向溫度梯度兩種。根據(jù)文獻(xiàn)1，時(shí)間變化熱梯度引起的相位漂移？準(zhǔn)T可以表示為

由式（1）可知，軸向溫度梯度與所在層數(shù)距環(huán)圈內(nèi)側(cè)凸緣的距離及距光纖始端的距離有關(guān)，徑向溫度梯度與距光纖始端的距離有關(guān)，由于k1<<1，在溫度梯度中徑向溫度梯度所產(chǎn)生的影響更大。因溫度梯度對(duì)相反方向傳輸?shù)墓庥绊憰r(shí)，附加相移有正負(fù)之分，所以可以通過(guò)改變繞纖結(jié)構(gòu)改變消除附加相移。采用四級(jí)對(duì)稱繞法時(shí)，可以相互抵消，在很大程度上消除產(chǎn)生的相位漂移。

理想的四級(jí)繞法可以很好抑制陀螺的溫度漂移誤差產(chǎn)生，但是當(dāng)四級(jí)對(duì)稱結(jié)構(gòu)為非理性狀態(tài)時(shí)，這種抑制效果會(huì)大大降低。圖1為完整四級(jí)對(duì)稱工藝的陀螺漂移測(cè)試圖，圖2為非完整的四級(jí)對(duì)稱工藝陀螺漂移測(cè)試圖（層數(shù)為4n-2）。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)，非完整四級(jí)對(duì)稱工藝的陀螺漂移大大高于完整四級(jí)工藝的陀螺。

3 環(huán)圈封裝對(duì)陀螺漂移的影響

為了確保在振動(dòng)環(huán)境中環(huán)圈具有良好的性能，需要對(duì)環(huán)圈進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b。通常的做法是用膠將光纖與光纖以及光纖與骨架粘接在一起，進(jìn)而成為一個(gè)整體。但是，由于膠同光纖和骨架具有不同的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的作用力，作用于光纖，使光纖內(nèi)部折射率發(fā)生變化，產(chǎn)生非互易相位誤差，最終導(dǎo)致陀螺產(chǎn)生漂移。漂移的產(chǎn)生取決于所引入的封裝材料。具體表現(xiàn)為膠的種類、膠的均勻性和膠的固化程度等。

不同種類的膠具有不同的粘度、模量、硬度和應(yīng)力松弛曲線等參數(shù)。粘度直接影響涂膠的均勻性和膠的浸潤(rùn)程度；模量和硬度決定了膠對(duì)光纖作用力的大小；而應(yīng)力松弛曲線表征膠的模量同時(shí)間的關(guān)系，即作用于光纖的作用力同時(shí)間的關(guān)系。因此不同的膠固化后對(duì)光纖的作用力是不同的，表現(xiàn)為力的大小和位置不同，力隨時(shí)間的改變程度不同。作用力的狀態(tài)不一致，兩束光波傳輸時(shí)的相位改變則不同，最終造成非互易相位誤差的產(chǎn)生。

封裝過(guò)程中如果膠的均勻性較差，會(huì)造成光纖局部受力過(guò)大或者過(guò)小，受力的不均勻會(huì)導(dǎo)致折射率分布的不均勻，且這種不均勻是隨時(shí)間而改變的，也會(huì)造成在光纖環(huán)中相向傳輸?shù)膬墒獠ㄖg相位差的產(chǎn)生。

膠的固化程度同樣影響陀螺漂移的產(chǎn)生。固化的均勻性和固化率直接決定了固化后膠的模量和應(yīng)力松弛曲線，因此同樣是陀螺漂移產(chǎn)生的重要原因。圖3和圖4為兩種固化狀態(tài)環(huán)圈的漂移測(cè)試曲線，圖4為均勻固化工藝，明顯好于圖3的非均勻固化工藝。

4 環(huán)圈結(jié)構(gòu)對(duì)陀螺漂移的影響

光纖環(huán)圈由骨架、光纖和黏結(jié)劑等幾部分構(gòu)成，其中骨架的常用材料為鋁。光纖陀螺在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，熱能會(huì)在最短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)襯底傳導(dǎo)到光纖環(huán)圈上。首先襯底上的熱能會(huì)先到達(dá)骨架，然后通過(guò)骨架傳導(dǎo)給同骨架直接接觸的光纖，也就是光纖環(huán)圈的最外層光纖，最后再通過(guò)光纖自身向內(nèi)層光纖傳導(dǎo)熱量并最終達(dá)到整體的溫度平衡。

由于石英的熱傳導(dǎo)為3.5*10-4cal/mm·sec·℃，遠(yuǎn)小于鋁的熱傳導(dǎo)4*10-2cal/mm·sec·℃，環(huán)圈內(nèi)部遠(yuǎn)離骨架表面光纖的溫度變化會(huì)明顯滯后于同骨架直接接觸的光纖的溫度變化，這樣會(huì)造成環(huán)圈內(nèi)部不同層不同區(qū)域的光纖之間的溫度分布不均，這種溫度分布不平衡會(huì)造成光纖陀螺在升溫或者降溫過(guò)程中輸出信號(hào)出現(xiàn)漂移。

采用熱傳導(dǎo)系數(shù)低于或者接近于光纖的材料制作環(huán)圈骨架并對(duì)骨架結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)可以很好地抑制由升降溫導(dǎo)致的光纖環(huán)圈內(nèi)部溫度分布不均引起的陀螺溫度漂移。如陶瓷的熱傳導(dǎo)系數(shù)為5*10-4cal/mm·sec·℃，非常接近石英的熱傳導(dǎo)，使得熱量從骨架中的傳遞速度接近于熱量從光纖環(huán)圈中的傳遞速度，不會(huì)造成熱量在接近于骨架的光纖中滯留，環(huán)圈內(nèi)部溫度分布趨于平衡，從而降低陀螺在升降溫狀態(tài)下的溫度漂移。

將兩種材料的環(huán)圈裝入陀螺系統(tǒng)中測(cè)試溫度漂移。先將環(huán)圈加熱升溫至60℃，保溫一段時(shí)間后再降溫至25℃，測(cè)量環(huán)圈在升溫和降溫過(guò)程中的零漂，如圖5和圖6所示。圖5為陶瓷骨架繞制的環(huán)圈零漂圖，圖6為鋁骨架，圖中T0為降溫點(diǎn)。采用陶瓷骨架繞制的環(huán)圈，其升溫時(shí)零漂只有2.25μV，降溫時(shí)為5.25μV，要明顯好于鋁骨架環(huán)圈的9.35μV。

5 結(jié)論

環(huán)圈的繞制方法、封裝和環(huán)圈結(jié)構(gòu)對(duì)陀螺的漂移有很大的影響?？梢酝ㄟ^(guò)采用四級(jí)對(duì)稱繞法繞制光纖環(huán)圈、選擇適合的封裝材料和適當(dāng)?shù)墓羌懿牧系确桨竵?lái)改善陀螺的漂移性能。

【參考文獻(xiàn)】

【1】Sawyer J，Ruffin P B.Inverstigation of the effects of temporal thermal gradients in fiber optic gyroscope sensing coils[J].Opt.Eng.，1997，36（1）：29-34.