王樹宇

【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)對陀螺漂移的影響；提出采用四級對稱繞法、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，并通過實驗進行驗證。

【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；四級對稱；環(huán)圈封裝

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

【中圖分類號】TN253 【文獻標志碼】A 【文章編號】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、探測器等幾部分組成，是根據(jù)Sagnac原理，依靠測量在光纖環(huán)圈中相向傳輸?shù)膬墒獠ㄖg的相位差來敏感運載體的轉(zhuǎn)動角速度。外界環(huán)境的變化會影響這種測量的穩(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)境因素對陀螺信號輸出的影響，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)圈繞制方法對陀螺漂移的影響

在sagnac干涉儀中，溫度梯度會給光纖陀螺帶來大的漂移，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對溫度都十分敏感，相向傳輸?shù)膬墒獠ǖ竭_光纖環(huán)中某一局部位置時存在一個微小的時間延遲造成。因而在同一溫度場內(nèi)不同時刻對光波產(chǎn)生了不同的影響，最終導致兩束光波之間產(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1，時間變化熱梯度引起的相位漂移？準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。因溫度梯度對相反方向傳輸?shù)墓庥绊憰r，附加相移有正負之分，所以可以通過改變繞纖結(jié)構(gòu)改變消除附加相移。采用四級對稱繞法時，可以相互抵消，在很大程度上消除產(chǎn)生的相位漂移。

理想的四級繞法可以很好抑制陀螺的溫度漂移誤差產(chǎn)生，但是當四級對稱結(jié)構(gòu)為非理性狀態(tài)時，這種抑制效果會大大降低。圖1為完整四級對稱工藝的陀螺漂移測試圖，圖2為非完整的四級對稱工藝陀螺漂移測試圖（層數(shù)為4n-2）。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)，非完整四級對稱工藝的陀螺漂移大大高于完整四級工藝的陀螺。

3 環(huán)圈封裝對陀螺漂移的影響

為了確保在振動環(huán)境中環(huán)圈具有良好的性能，需要對環(huán)圈進行適當?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，進而成為一個整體。但是，由于膠同光纖和骨架具有不同的熱膨脹系數(shù)，當外界溫度變化時，會產(chǎn)生隨時間變化的作用力，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程度；模量和硬度決定了膠對光纖作用力的大小；而應力松弛曲線表征膠的模量同時間的關(guān)系，即作用于光纖的作用力同時間的關(guān)系。因此不同的膠固化后對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。

封裝過程中如果膠的均勻性較差，會造成光纖局部受力過大或者過小，受力的不均勻會導致折射率分布的不均勻，且這種不均勻是隨時間而改變的，也會造成在光纖環(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。光纖陀螺在工作時會產(chǎn)生熱量，熱能會在最短的時間內(nèi)通過襯底傳導到光纖環(huán)圈上。首先襯底上的熱能會先到達骨架，然后通過骨架傳導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，最后再通過光纖自身向內(nèi)層光纖傳導熱量并最終達到整體的溫度平衡。

由于石英的熱傳導為3.5*10-4cal/mm·sec·℃，遠小于鋁的熱傳導4*10-2cal/mm·sec·℃，環(huán)圈內(nèi)部遠離骨架表面光纖的溫度變化會明顯滯后于同骨架直接接觸的光纖的溫度變化，這樣會造成環(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造成光纖陀螺在升溫或者降溫過程中輸出信號出現(xiàn)漂移。

采用熱傳導系數(shù)低于或者接近于光纖的材料制作環(huán)圈骨架并對骨架結(jié)構(gòu)合理設(shè)計可以很好地抑制由升降溫導致的光纖環(huán)圈內(nèi)部溫度分布不均引起的陀螺溫度漂移。如陶瓷的熱傳導系數(shù)為5*10-4cal/mm·sec·℃，非常接近石英的熱傳導，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)中測試溫度漂移。先將環(huán)圈加熱升溫至60℃，保溫一段時間后再降溫至25℃，測量環(huán)圈在升溫和降溫過程中的零漂，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。采用陶瓷骨架繞制的環(huán)圈，其升溫時零漂只有2.25μV，降溫時為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)對陀螺的漂移有很大的影響?？梢酝ㄟ^采用四級對稱繞法繞制光纖環(huán)圈、選擇適合的封裝材料和適當?shù)墓羌懿牧系确桨竵砀纳仆勇莸钠菩阅堋?/p>

【參考文獻】

【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.