光纖環圈溫度漂移影響因素分析

王樹宇

【摘 要】分析了光纖環圈繞制方法、封裝工藝和環圈結構對陀螺漂移的影響；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.

【關鍵詞】光纖環圈；溫度漂移；四級對稱；環圈封裝

【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、光纖環圈、Y波導、探測器等幾部分組成，是根據Sagnac原理，依靠測量在光纖環圈中相向傳輸的兩束光波之間的相位差來敏感運載體的轉動角速度。外界環境的變化會影響這種測量的穩定性，使陀螺輸出產生漂移誤差。其中作用于光纖環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。提高光纖環圈繞制技術可以在一定程度上減小外界環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圈的繞制技術。

2 環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，相向傳輸的兩束光波到達光纖環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不同時刻對光波產生了不同的影響，最終導致兩束光波之間產生非互易性相位。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距環圈內側凸緣的距離及距光纖始端的距離有關，徑向溫度梯度與距光纖始端的距離有關，由于k1<<1，在溫度梯度中徑向溫度梯度所產生的影響更大。因溫度梯度對相反方向傳輸的光影響時，附加相移有正負之分，所以可以通過改變繞纖結構改變消除附加相移。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生，但是當四級對稱結構為非理性狀態時，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（層數為4n-2）。比較兩圖可以發現，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 環圈封裝對陀螺漂移的影響

為了確保在振動環境中環圈具有良好的性能，需要對環圈進行適當的封裝。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，當外界溫度變化時，會產生隨時間變化的作用力，作用于光纖，使光纖內部折射率發生變化，產生非互易相位誤差，最終導致陀螺產生漂移。漂移的產生取決于所引入的封裝材料。具體表現為膠的種類、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。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系，即作用于光纖的作用力同時間的關系。因此不同的膠固化后對光纖的作用力是不同的，表現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，也會造成在光纖環中相向傳輸的兩束光波之間相位差的產生。

膠的固化程度同樣影響陀螺漂移的產生。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生的重要原因。圖3和圖4為兩種固化狀態環圈的漂移測試曲線，圖4為均勻固化工藝，明顯好于圖3的非均勻固化工藝。

4 環圈結構對陀螺漂移的影響

光纖環圈由骨架、光纖和黏結劑等幾部分構成，其中骨架的常用材料為鋁。光纖陀螺在工作時會產生熱量，熱能會在最短的時間內通過襯底傳導到光纖環圈上。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，也就是光纖環圈的最外層光纖，最后再通過光纖自身向內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·℃，環圈內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，這樣會造成環圈內部不同層不同區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漂移。

采用熱傳導系數低于或者接近于光纖的材料制作環圈骨架并對骨架結構合理設計可以很好地抑制由升降溫導致的光纖環圈內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，環圈內部溫度分布趨于平衡，從而降低陀螺在升降溫狀態下的溫度漂移。

將兩種材料的環圈裝入陀螺系統中測試溫度漂移。先將環圈加熱升溫至60℃，保溫一段時間后再降溫至25℃，測量環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圈的9.35μV。

5 結論

環圈的繞制方法、封裝和環圈結構對陀螺的漂移有很大的影響。可以通過采用四級對稱繞法繞制光纖環圈、選擇適合的封裝材料和適當的骨架材料等方案來改善陀螺的漂移性能。

【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.