氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響及抑制方法研究

李青，于海成，張東旭

（北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

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氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響及抑制方法研究

李青，于海成，張東旭

（北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

光纖陀螺儀可用于測量載體相對慣性空間的角運動，是光纖慣導系統的核心部件。因此，要求光纖陀螺儀具有較高的精度和良好的環境適應性。光纖環是光纖陀螺儀的角速度敏感部件，光纖環受到環境因素影響，將導致光纖陀螺儀精度下降，因此需要對光纖環采取適當的保護措施。分析了氣壓變化導致光纖陀螺儀零偏穩定性變差的機理：環境氣壓的急劇變化，會使光纖環上產生附加應力，造成光纖的折射率分布不均，導致光路產生非互易性相位差，使光纖陀螺儀零偏產生漂移，零偏穩定性變差；并提出了對光纖陀螺儀進行密封的措施來抑制該效應。經試驗驗證，采用此密封設計后，光纖陀螺儀在變氣壓環境中的零偏穩定性改善了近10倍。

光纖陀螺儀；氣壓變化；應力；密封；零偏穩定性

0　引言

光纖陀螺儀（FOG）是一種基于Sagnac效應的角速率傳感器，具有啟動速度快、動態范圍寬、體積小、重量輕等優點，在航天等領域得到了廣泛的應用。光纖陀螺儀的核心敏感部件光纖環是由一定長度的光纖繞制而成，它對應用環境中應力的作用比較敏感［1］。當使用環境中的氣壓變化時，作用在光纖環上的應力會造成光纖陀螺儀的光路產生非互異性相位誤差，使光纖陀螺儀零偏發生變化，影響光纖陀螺儀的精度。因此，需要采取一定的密封措施對光纖環進行保護。目前，主要采取膠結密封、激光焊接等密封方法。由于膠的膨脹系數大，和金屬材料不匹配，環境中的溫度波動大時，極易開裂，造成泄漏；而激光焊接對于同種材料的焊接效果較好，對于不同金屬材料容易出現虛焊的狀況。文獻［2］設計了一種具有防水性能的光纖陀螺儀，其采用的是O形截面的密封墊片，并且電連接器不具有氣密性，需要對其進行灌膠才能實現光纖陀螺儀的整體密封。在上述研究現狀的基礎上，本文提出了一種利用矩形截面橡膠墊片結合具有氣密性的玻璃封結電連接器的方法對光纖陀螺儀進行密封，達到了氣密性的效果，從而抑制了氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響。

1　光纖陀螺儀檢測角速度的基本原理

光纖陀螺儀是一種敏感角速度的光纖傳感器，它是一個基于Sagnac效應的環形干涉儀［3］。光纖陀螺儀原理示意圖如圖1所示。

圖1　光纖陀螺儀原理示意圖Fig.1Schematic diagram of FOG principle

Sagnac效應是光纖陀螺儀的理論基礎。在一個任意幾何形狀的閉合光學環路中，從任意一點發出沿相反方向傳播的兩束光波，繞行一周返回到該點。如果閉合光路相對慣性空間沿某一方向轉動，則兩束光波的相位將發生變化，這種現象稱為Sagnac效應。閉合環形光路中，假設光纖環的直徑為D，旋轉角速度為Ω，匝數為N。則沿順逆時針傳播的兩束光波之間的相位差為：

由式（1）可知，由Sagnac效應引起的相位差與光纖環的轉動速度成正比，利用這一比例關系，可以在測量出兩束干涉光的相位差后，推算出光纖環的轉動角速度：

2　氣壓變化導致光纖陀螺儀零偏變化的機理

當光纖陀螺儀外部的氣壓p迅速變化時，在無密封的狀態下，結合式（3）可知，在溫度變化較小的狀態下，光纖陀螺儀內部的氣體密度ρ將會急劇變化。

氣體的狀態方程：

式中，R為氣體常數，T為溫度。

在光纖陀螺儀內外壓差較大的情況下，氣體流速v也會變大。由式（4）可知，氣體密度ρ和流速v的變化將會產生流體的質量力H以及加在該體積氣體上的應力P，即該體積氣體上的慣性力［4］。氣體流動的運動方程：

上述作用在氣體上的慣性力與施加在光纖上的應力互為作用力與反作用力，根據牛頓第三定律，兩者大小相等，方向相反，即作用在光纖的應力與作用在氣體上的慣性力相當，記為F。由上述論述可知，應力F是與氣壓相關的。另外，隨著光纖陀螺儀內外空氣的對流，氣壓差逐漸減小，流速也會逐漸變小。由此可知，密度ρ和流速v均與時間t相關。因此，應力F也是與時間t相關的。即F可以表示為：

該應力F可能是導致光纖拉伸（壓縮）的拉（壓）力，也可能是導致光纖扭曲的剪應力，這些應力將會導致光纖折射率n分布不均。由于應力F是隨時間變化的，因此n也是隨時間變化的。由于相向傳播兩束光波經過某一點的時間不同，因此累積的相移也不同，這產生了非互易相位誤差，導致光纖陀螺儀零偏的變化。光波通過長度為L的光纖后，出射光波的相位延遲為［5］：

式中，λ為光在真空中的波長，n為光纖的折射率。

對于長度為L的光纖，以到線圈分束器距離為z的光纖微元δz為研究對象，假設該段光纖所經受到的應力變化率為，光纖的折射率隨應力的相位變化為，在某時刻，順時針傳播的光波在光纖微元δz上產生的相位變化為：

式中，n為光纖的折射率。

經過一段時間后，由于應力的變化，該段光纖的折射率發生了變化，逆時針傳播的光波在光纖段δz上產生的相位變化為：

其中，

表示順時針和逆時針光波到達光纖微元δz的時間差，其中，c表示真空的光速。式（8）和式（7）相減得到光纖微元δz上由應力F引起的相位誤差為：

考慮到光纖微元δz的應力隨氣壓、時間變化，對式（10）積分可以得到總的相位誤差：

結合式（2）可以進一步得到應力引起的光纖陀螺儀零偏變化：

由上述推導中的式（3）、式（4）和式（5）可知，環境中氣壓p的變化引起了作用在光纖上隨時間變化的應力F（t）。該應力造成光纖的折射率分布不均，由式（11）可得，它引起光纖陀螺儀光路的非互易性相位差。由式（12）可計算氣壓變化產生的應力造成的光纖陀螺儀的零偏變化ΔΩe（t）。該零偏的變化即為光纖陀螺儀的檢測角速度誤差，導致光纖陀螺儀精度的降低。

3　氣壓變化導致光纖陀螺儀零偏變化的抑制措施

為了解決上述問題，則需要減弱光纖陀螺儀與外界的空氣對流，對光纖陀螺儀進行密封可以有效地解決該問題。

根據上述論述，開展光纖陀螺儀的密封設計工作，以有效地抑制光纖陀螺儀的零偏變化。實現密封的方法有機械密封、墊片密封、膠密封、金屬焊接密封技術等。結合光纖陀螺儀的結構形式，按照經濟有效的原則，選擇墊片密封的方式對光纖陀螺儀密封［5］。墊片密封是過程工業裝置中壓力容器、工藝設備、動力機器和連接管道等可拆連接處最主要的靜密封型式，最常用的結構是墊片-螺栓-法蘭密封。借助螺栓的預緊力壓縮墊片，使其發生彈性或彈塑性變形，填塞密封面，以堵塞界面泄漏的通道。墊片密封具有極好的密封性能、抗拉力性能、耐高溫性能，安裝方便，能夠滿足光纖陀螺儀密封設計的需求。

沒有進行密封的光纖陀螺儀的結構形式如圖2所示，上、下端蓋直接通過緊固螺釘安裝在法蘭上，這種結構對強烈的空氣流動不具有阻擋效果。因此，針對光纖陀螺儀的結構特點，設計了矩形截面的橡膠墊片同時配合螺釘、法蘭進行密封。安裝法蘭和上、下端蓋設計了凹槽，將橡膠墊片放置在凹槽內。由于光纖陀螺儀需要與慣組本體傳輸信號，又要求保證其密封性，選用了具有良好密封性能的玻璃封接電連接器，實現光纖陀螺儀內外信號的傳輸。電連接器與法蘭之間也進行了墊片密封設計，保證了光纖陀螺儀整體較好的密封性。但是利用墊片密封無法實現絕對的密封，只需保證密封后的光纖陀螺儀有較小的泄漏率，能有效地減小氣體流動即可。密封后光纖陀螺儀的外形如圖3所示。

圖2　密封前光纖陀螺儀的剖面圖Fig.2Cross-section of unsealed FOG

圖3　密封后光纖陀螺儀的剖面圖Fig.3Cross-section of sealed FOG

對安裝好的光纖陀螺儀樣機進行氣密性檢測，將該樣機法蘭預留的氣密檢測接口與氣壓監測儀相接，用氣泵給密封后的光纖陀螺儀加壓到0.2MPa，使其內、外壓差為0.1MPa，靜置，通過觀察氣壓監測儀上顯示的氣壓來判斷該樣機的氣密性。試驗結果如表1所示。

表1　光纖陀螺儀氣密性檢測結果Table 1Detection result of FOG airtightness

從試驗結果可得，光纖陀螺儀進行密封后，在內外0.1MPa壓差的情況下，0.25h內，光纖陀螺儀內氣壓變化不大于0.3%；1h內，光纖陀螺儀內氣壓變化不大于1%。該密封設計使光纖陀螺儀實現了氣密性。

4　密封光纖陀螺儀的性能驗證

將密封前和密封后的光纖陀螺儀分別按照以下步驟進行測試：將光纖陀螺儀安裝在測試工裝上，測試工裝平穩放置在真空氣壓罐中，分為五個階段進行測試：1）在常壓下測試5min；2）開啟真空罐閥門，使真空罐內的氣壓下降，至接近真空狀態（壓強小于4×10-3Pa），在該過程中進行測試；3）在接近真空的狀態下連續測試30min；4）給真空罐升壓至常壓狀態，在該過程中測試20min；5）真空罐內恢復到常壓狀態后，繼續測試20min。實驗過程如圖4所示，記錄各階段的試驗數據，計算出零偏及零偏穩定性，實驗數據如表2、表3所示。

圖4　光纖陀螺儀測試的試驗條件Fig.4Experiment condition of FOG test

表2　無密封狀態下光纖陀螺儀的零偏及零偏穩定性Table 2Zero offset and zero bias stability of FOG in unsealed condition

表3　密封狀態下光纖陀螺儀的零偏及零偏穩定性Table 3Zero offset and zero bias stability of FOG in sealed condition

從表2、表3中可以看出，密封后光纖陀螺儀在氣壓變化過程中的零偏穩定性由0.102（°）/h～0.268（°）/h減小到0.010（°）/h～0.012（°）/h，有效地抑制了光纖陀螺儀檢測角速度的誤差。

5　結論

本文理論研究了無密封情況下，環境中的氣壓變化導致光纖陀螺儀零偏漂移，零偏穩定性變差的機理；在此基礎上提出了對光纖陀螺儀密封的方法，有效地抑制了氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響。經試驗驗證，密封后的光纖陀螺儀實現了良好的氣密性，零偏穩定性改善了近10倍，光纖陀螺儀的精度得到了提高。此方法有著重要的工程應用價值。

［1］王巍.干涉型光纖陀螺儀技術［M］.北京：中國宇航出版社，2010. WANG Wei.Interferometric fiber optic gyroscope［M］. Beijing：ChinaAerospace Press，2010.

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［3］張桂才，王巍.光纖陀螺儀［M］.北京：國防工業出版社，2002. ZHANG Gui-cai，WANG Wei.The fiber gyroscope［M］. Beijing：National Defense Industry Press，2002.

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Research on Restrain Method of Effect on FOG Zero Bias from Variety ofAtmospheric Pressure

LI Qing，YU Hai-cheng，ZHANG Dong-xu
（BeijingAerospace Times Optical-Electronic Technology Co.，Ltd.，Beijing 100094）

Fiber optic gyroscope（FOG）can be used for measuring the vehicle of carrier relative to the inertial space，and is the core component of fiber inertial navigation system.Therefore，a high precision and good environmental adaptability of fiber optic gyroscope is required.Fiber-optic ring is the angular speed sensitive component of FOG，fiberoptic ring influenced by environmental factors，will lead to decline in the accuracy of the FOG.Therefore，taking some steps to protect the fiber-optic ring is needed.The paper analyzes the atmospheric pressure change lead to partial stability mechanism of variation of FOG zero：dramatic changes in the pressure of environment，can cause additional stress on fiber-optic ring，caused by the refractive index distribution of the fiber，led the fiber road to the reciprocal of phase difference，make produce FOG zero bias drift，zero bias stability variation；and put forward the sealing measures to restrain the effect.After verification by experiment，this paper adopts the design of seal after the FOG in the variable air pressure environment of the zero bias stability is improved almost ten times.

fiber optic gyroscope（FOG）；variety of atmospheric pressure；stress；seal；stability of zero bias

V448.2

A

1674-5558（2016）02-01055

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.007

李青，女，碩士，研究方向為導航、制導與控制。

2014-12-23