基于動(dòng)態(tài)溫控的光纖陀螺高溫工作控制方案

王剛，萬(wàn)洵，崔志超，謝良平

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西 西安 710065）

引言

光纖陀螺以其全固態(tài)、高可靠、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)在導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制、勘探、采掘等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著光纖陀螺技術(shù)的不斷突破[4-10]，光纖陀螺產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展和配套系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性要求的提升，光纖陀螺工作溫度范圍要求也隨之提高。光纖陀螺工作溫度的提升主要受制于光路系統(tǒng)，光源作為光路系統(tǒng)中的有源器件，其高溫工作時(shí)的可靠性和性能穩(wěn)定是制約光纖陀螺工作溫度提高的主要因素。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光源的高溫工作進(jìn)行了大量研究，研究重點(diǎn)包括：結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如密封）、器件改進(jìn)（如提高熱電控制器的效率）等，這些研究在提高光源工作溫度方面起到了重要作用。然而光源高溫工作還受到其他方面的影響，包括光源的控制方案、光源在光纖陀螺中的散熱環(huán)境等。本文研究了光纖陀螺光源控制方案，通過(guò)優(yōu)化控制方案提升了光纖陀螺工作溫度。

1 光纖陀螺溫度控制型光源工作特性

1.1 工作原理

光纖陀螺主要采用溫度控制型超輻射發(fā)光二極管作為光源。溫度控制型超輻射發(fā)光二極管具有輸出光功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)熱敏電阻檢測(cè)超輻射發(fā)光二極管管芯組件的溫度，利用制冷器（熱電控制器TEC）進(jìn)行閉環(huán)控制，使超輻射發(fā)光二極管管芯組件工作在恒定的溫度下。圖1 中P 表示電極。

圖1 溫度控制型超輻射發(fā)光二極管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of temperature-controlled SLD

制冷器對(duì)超輻射發(fā)光二極管管芯組件的溫度進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，一旦管芯溫度大于或低于預(yù)設(shè)溫度，制冷器產(chǎn)生電流，利用帕爾貼效應(yīng)，對(duì)管芯組件致冷或者加熱。但是，該方法在環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)溫度之差超過(guò)制冷器容差極限[11]（通常為60 ℃）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溫控系統(tǒng)失效。在工程應(yīng)用中，通常將光纖陀螺中超輻射發(fā)光二極管管芯組件的預(yù)設(shè)溫度設(shè)置為25 ℃，因此，光纖陀螺產(chǎn)品的高溫工作溫度通常不超過(guò)85 ℃。

1.2 光源輸出平均波長(zhǎng)和預(yù)設(shè)溫度之間的關(guān)系

光源發(fā)光芯片發(fā)光波長(zhǎng)λ可表達(dá)為

式中：h為常量；c為光速；Eg(0)為溫度0 K 時(shí)禁帶寬度；α為溫度系數(shù)；β為常數(shù)；T為光源發(fā)光芯片的溫度。

通過(guò)式（1）可以計(jì)算出理想情況下光源的發(fā)光波長(zhǎng)和預(yù)設(shè)溫度間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 輸出光平均波長(zhǎng)與預(yù)設(shè)溫度Fig.2 Average wavelength versus preset temperature

使用某型光源，超輻射發(fā)光二極管恒流驅(qū)動(dòng)電流電流為100 mA，設(shè)定不同的預(yù)設(shè)溫度，測(cè)試超輻射發(fā)光二極管輸出光的平均波長(zhǎng)[12]。

由圖2 可知，在一定的溫度范圍（20 ℃～40 ℃）內(nèi)，光源輸出光的平均波長(zhǎng)隨著預(yù)設(shè)溫度的升高而變大，兩者基本呈線(xiàn)性關(guān)系，可表達(dá)為

式中：λ為平均波長(zhǎng)；TS為預(yù)設(shè)溫度；a、b為擬合系數(shù)。

2 高溫工作控制方案

2.1 控制方案

根據(jù)1.1 節(jié)的分析，光纖陀螺的工作溫度范圍為[TL，TH]，建立溫度區(qū)間為[25 ℃-Tt，25 ℃+Tb]，設(shè)計(jì)基于動(dòng)態(tài)溫度控制的光纖陀螺高溫工作控制方案：光纖陀螺環(huán)境溫度TE低于TL時(shí)，設(shè)定預(yù)設(shè)溫度TS為25-Tb（相對(duì)25 ℃偏低），光纖陀螺環(huán)境溫度TE高于TH時(shí)，設(shè)定預(yù)設(shè)溫度TS為25+Tt（相對(duì)25 ℃偏高）；中間溫度點(diǎn)的預(yù)設(shè)溫度TS按照式（3）進(jìn)行設(shè)定：

基于動(dòng)態(tài)溫度控制的光纖陀螺高溫工作控制方案，降低了環(huán)境溫度和預(yù)設(shè)溫度之間的差值，可以提高光纖陀螺產(chǎn)品高溫工作溫度，降低高溫、低溫工作時(shí)用于溫度控制的產(chǎn)品功耗。

2.2 平均波長(zhǎng)對(duì)光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的影響分析

光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)K可表示[13-14]為

式中：H為光纖陀螺增益系數(shù)；S為光纖環(huán)包圍的等效面積；λ為平均波長(zhǎng)；c為光速。

對(duì)式（4）進(jìn)行微分得到：

當(dāng)光纖陀螺的環(huán)境溫度升高時(shí)：

1）光纖環(huán)包圍的等效面積變大，由式（5）可知光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)增大，標(biāo)度因數(shù)和光纖環(huán)包圍等效面積成正相關(guān)關(guān)系；

2）由式（3）可知預(yù)設(shè)溫度升高，由式（1）可知光源輸出光平均波長(zhǎng)變大，由式（6）可知刻度系數(shù)變小，標(biāo)度因數(shù)和光源輸出光平均波長(zhǎng)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

因此，根據(jù)基于式（3）的基于動(dòng)態(tài)溫控的高溫工作控制方案，能夠抵消光纖環(huán)等效包圍面積隨溫度變化對(duì)標(biāo)度因數(shù)的影響。

3 試驗(yàn)研究與分析

3.1 試驗(yàn)說(shuō)明

試驗(yàn)樣品：某型單軸閉環(huán)光纖陀螺；

試驗(yàn)樣品工作溫度范圍：-45 ℃～75 ℃；

常規(guī)溫度控制方案：采用25 ℃恒定溫度點(diǎn)進(jìn)行溫度控制；

動(dòng)態(tài)溫度控制方案：按照2.1 節(jié)的方法進(jìn)行溫度控制，取TH=75 ℃，TL=-45 ℃，Tt=30 ℃，Tb=20 ℃；

高溫工作測(cè)試方法：?jiǎn)屋S閉環(huán)光纖陀螺放置在溫箱內(nèi)，溫箱設(shè)置為1 ℃/min 的升溫速率，溫箱升溫時(shí)開(kāi)始測(cè)試，輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的大數(shù)后產(chǎn)品斷電，停止試驗(yàn)；

標(biāo)度因數(shù)的測(cè)試方法：將單軸閉環(huán)光纖陀螺通過(guò)工裝固定在溫箱內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，溫箱溫度到達(dá)設(shè)定溫度并保溫2 h后，進(jìn)行按照GJB2426A-2004 的方法進(jìn)行標(biāo)度因數(shù)的測(cè)試[15]。

3.2 高溫工作

常規(guī)溫控方案高溫工作測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

溫箱溫度為75 ℃時(shí)，光纖陀螺功耗為2.7 W。

溫箱溫度為90.0 ℃時(shí)，光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常大數(shù)，檢查產(chǎn)品輸出故障信息為光源失控，表明光纖陀螺到達(dá)了高溫工作的溫度極限。

動(dòng)態(tài)溫控方案的高溫試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 動(dòng)態(tài)溫控方案時(shí)升溫條件下產(chǎn)品輸出數(shù)據(jù)Fig.4 Output data of gyro under dynamic temperature control at rising temperature

溫箱溫度為75 ℃時(shí)，光纖陀螺功耗為2.4 W。溫箱溫度為94.8 ℃時(shí)，光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常大數(shù)，檢查產(chǎn)品輸出故障信息為光源失控，表明光纖陀螺到達(dá)了高溫工作的溫度極限。

3.3 標(biāo)度因數(shù)

采用常規(guī)溫控方案和動(dòng)態(tài)溫控方案，分別測(cè)試同一只單軸閉環(huán)光纖陀螺在-45 ℃、-15 ℃、15 ℃、45 ℃、75 ℃共5 個(gè)溫度點(diǎn)的標(biāo)度因數(shù)，產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同控制方案下標(biāo)度因數(shù)隨溫度變化Fig.5 Scale factor varies with temperature under different control schemes

3.4 試驗(yàn)分析

對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 常規(guī)溫控方案和動(dòng)態(tài)溫控方案試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of test results between conventional temperature control scheme and dynamic temperature control scheme

由表1 可知，采用動(dòng)態(tài)溫控方案，光纖陀螺的工作溫度高溫極限相比常規(guī)的溫控方案提高約5 ℃，高溫75 ℃工作時(shí)產(chǎn)品的功耗降低了0.3 W；光纖陀螺在動(dòng)態(tài)溫控方案下未經(jīng)補(bǔ)償標(biāo)度因數(shù)隨溫度的最大變化量相比常規(guī)溫控方案降低71%。

4 結(jié)論

本文研究了影響光纖陀螺工作溫度提升的主要限制因素，提出了動(dòng)態(tài)溫度控制的方案。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究證明光纖陀螺采用動(dòng)態(tài)溫度控制方案能夠提高產(chǎn)品高溫工作時(shí)的溫度，降低產(chǎn)品高溫工作時(shí)的功耗，還可以降低產(chǎn)品標(biāo)度因數(shù)隨溫度的變化量，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。