應用于光纖陀螺的磁屏蔽設計研究

摘 要：為解決高精度光纖陀螺對靜磁場敏感的問題，設計了一種多層結構磁屏蔽體，并通過理論計算分析了屏蔽體不同結構、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，發現與理論計算結果能夠較好地吻合，有效降低了光纖陀螺的磁場敏感度。

關鍵詞：光學陀螺；磁屏蔽；屏蔽效能；多層屏蔽

中圖分類號：V241.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.015

光纖陀螺是飛行器導航系統的重要組成部分，是實現飛行器或武器裝備高精度導航的重要保障。受控制技術、陀螺內部器件結構特征及制作工藝等因素的制約，陀螺系統存在易受磁場環境影響、精度不高、長期穩定性差等問題，這已成為飛行器精確導航技術發展的瓶頸。

近年來，光纖陀螺已在電磁兼容性設計、敏感環工藝技術改進、電路補償和磁屏蔽等抑制技術方面進行了有益的探索，但多數還沒有采取磁屏蔽設計。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上，進行了結構、材料、工藝優化等方面的磁屏蔽綜合研究。

1 磁屏蔽理論設計研究

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。對于高精度的慣導系統，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，引導磁力線通過自身，使磁場避開敏感部件。

2 磁屏蔽系統的結構設計

光纖陀螺敏感的主要是外界靜磁場，利用高磁導率材料的低磁阻特性，設計磁屏蔽體對其進行整體屏蔽。一般磁屏蔽系統內部都要裝載儀器或部件，所以磁屏蔽罩需要分體設計，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，屏效也相應加倍；層數加倍，屏效多倍數增加。考慮到成本與重量因素，要達到屏效極大值，需要雙層屏蔽材料的磁導率達到極大值。

3 磁屏蔽的理論與測試對比

考慮到實踐應用，將某光纖陀螺核心部件的磁屏蔽罩設計為內外雙層磁屏蔽，同時綜合屏蔽層厚度對屏效的影響，設計壁厚為1 mm與2 mm兩種規格。

按照國家標準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行測量，并按照上述四個公式對其進行近似理論計算，其磁屏蔽效果與外界磁場的關系如圖1所示。

從圖1中可以看到，計算結果和實驗結果有較好的一致性。對結構厚度為1 mm與2 mm的層數組合情況進行靜磁分析，發現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。考慮到在實踐靜磁屏蔽中，盡管坡莫合金等高磁導率材料比空氣的磁導率高幾個數量級，但仍然會存在漏磁。特別是在屏蔽層有孔洞的情況下，漏磁會更加嚴重。

4 結束語

設計的磁屏蔽罩具有較高的磁屏蔽效能，滿足環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，且具有結構簡單、容易加工實現的優點，滿足系統在機載環境下的應用要求，為其在電磁環境和地磁場等外部磁場環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