氣密封裝對光纖陀螺零偏誤差和長期可靠性的影響

許保祥，熊 智，黃繼勛

(1.南京航空航天大學自動化學院，南京211106;2.北京航天時代光電科技有限公司，北京100094

0 引言

光纖陀螺是利用Sagnac效應的一種全固態儀表,無運動部件,具有功耗低、可靠性高、抗沖擊振動等特點,已成為慣性導航應用領域的主要儀表,廣泛應用于航空、航天、武器系統等領域[1-3]。而隨著潛艇、空間大型水面艦船等遠程長航時導航與制導需求,應用環境越來越復雜,使用性能要求越來越精確,長期可靠性要求越來越高[1,4],有些型號要求光纖陀螺在復雜環境下能夠服役15年[5]甚至更高。

光纖陀螺對溫度和應力較為敏感,當光纖陀螺置于運載火箭、空間飛行器等遠程長航時運載體上時,由于飛行時域、空域跨度較大,會經歷大氣紊流、風切變、空氣密度變化等氣壓變化條件,導致光纖陀螺工作環境中應力場和溫度場的變化[6-7],使得光纖陀螺的零偏產生漂移。為滿足應用需求,需要提高光纖陀螺的氣壓變化適應性。為降低氣壓對光纖陀螺的影響,文獻[8]采用了結構件間加密封圈的結構對光路進行封裝,這種結構能夠提高氣壓變化適應性,但產品質量有所增加,且也不是氣密性封裝,不能降低水汽對光纖的腐蝕。

光路是光纖陀螺的核心部件,它是由光學器件通過光纖連接形成的,光纖長度從幾百米到幾千米不等。作為脆性材料,光纖制作過程中會引入一些微裂紋缺陷[9],而光纖陀螺裝配過程中也會因為拉伸、彎曲、扭轉等負載產生應力導致光纖形成微裂紋,這些微裂紋會不斷生長,最終使得光纖開裂或斷裂。而使用環境中存在的水汽、鹽霧等腐蝕性氣體將顯著地促使應力腐蝕發生[10-11],導致光纖表面裂紋擴展甚至斷裂,裂紋和裂紋擴展將嚴重影響光纖的可靠性。文獻[12]提出了張力篩選試驗、應力腐蝕敏感性試驗等方法,以剔除缺陷光纖,確定光纖的使用壽命。工程應用時,在光纖使用前也會進行老練、振動、溫循等試驗篩選,以盡早剔除缺陷光纖。但是,這些方法不僅不能阻止相反會加速缺陷的產生,導致裂紋擴展。另外,Webber等[13]研究發現,由于光纖涂覆層材料的楊氏模量對水汽較敏感,當應用環境存在水汽時,可導致光纖陀螺輸出長期振蕩、漂移。

本文通過分析氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響以及水汽介質對光纖陀螺使用壽命、長期精度的影響,提出了對光纖陀螺光路進行氣密性封裝的方法。該方法能夠有效降低氣壓變化對陀螺零偏誤差的影響,并能夠有效去除光纖表面及其裝配腔內的水汽,降低水汽對光纖陀螺長期可靠性及精度的影響。該技術對拓寬光纖陀螺應用領域和提高光纖陀螺長期可靠性具有指導意義。

1 理論分析

1.1 氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響

氣壓變化會導致環境的應力和溫度產生變化。如當氣壓減小使得空氣密度降低時,會使光路裝配腔內的空氣對流減弱,使得對流熱傳導效率降低甚至消失,導致內部溫度場發生變化。而氣壓變化時,會使得不同位置產生壓力差,產生應力σ作用在光纖上

式(1)中,ΔP為作用在光纖上的壓力差,S為作用面積。

應力導致的彈光效應、溫度導致的Shupe效應都會使陀螺誤差增大。其中,由于溫度變化產生的角速率誤差為[14]

式(2)中,n為光纖的折射率,D為光纖環直徑,L為光纖環長度,為光纖折射率的溫度系數,α為光纖線膨脹系數,為光纖環位置z處的溫度變化率。

同樣的,由于應力變化導致的角速率誤差可以表示為

因而,由于氣壓變化導致的誤差可以表示為

由式(4)可知,為了提高光纖陀螺的精度,需要降低氣壓變化對陀螺性能的影響。

1.2 水汽對光纖使用壽命的影響

光纖裂紋可以導致光纖可靠性降低。在使用環境中,活性介質如水、鹽等伏在光纖上像楔子一樣擴撐裂紋,同時發生化學腐蝕,破壞硅氧鍵,加速微裂紋的生長。

石英光纖的疲勞因子f表示光纖疲勞過程的緩慢程度,f值越大,光纖壽命越長。當溫度和濕度兩種因素作用于光纖時,光纖的疲勞因子f滿足

式(5)中,Z為相對濕度,R為氣體常數,T為環境溫度。

由式(5)可知,降低相對濕度,可使f值增大。而光纖在使用環境中所具有的使用壽命ts與其靜態抗拉強度Si和所承受的應力σ之間有如下關系[15]

式(6)、式(7)中,B為裂紋生長特性參數。在靜態環境下,Si為常數,σ恒定,光纖的使用壽命ts只與光纖的疲勞因子f有關,f值越大, 光纖的使用壽命也就越長。

根據式(7),令R=1.987cal/(K·mol),T=289K,Z從0～100變化,可以得到f-Z的關系曲線,如圖1所示。當Z=5×10-6時,f=115；而當Z=0.0025時,f迅速降到33.8,可知f值影響著光纖的服役期限。為提高光纖陀螺的壽命,需要去除濕氣的影響。

圖1 光纖疲勞因子與相對濕度的關系Fig.1 Relationship between fiber fatigue factor and relative humidity

1.3 水汽對光纖陀螺精度的影響

作為光纖陀螺的核心部件,光纖環的性能決定著光纖陀螺的精度。當光纖環所處環境中水汽含量變化時,光纖涂覆層有機材料的體積、楊氏模量都會發生變化,而水汽濃度和光纖環半徑、存放時間有關,因而由于水汽存在導致的光纖環徑向受力可以表示為[13]

式(8)中,σr為光纖涂覆層材料對纖芯的徑向作用應力,Ep為涂覆層材料的楊氏模量時間函數,αp為材料濕度膨脹系數,Zo為初始相對濕度,Z(t)為濕度時間函數。

由式(3)可知,濕度引起的應力會導致光纖陀螺零偏誤差增大。而相對應力、溫度來說,水汽在光纖涂覆層材料中的滲透、傳輸緩慢,因而會導致光纖陀螺長期漂移,精度降低。為提高光纖陀螺的長期精度,需要去除光纖周圍的水汽。

2 氣密性封裝方案

為降低氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響以及使用環境中水汽對光纖陀螺壽命和精度的影響,本文對光纖陀螺光路進行氣密性封裝。封裝方案為:將光纖陀螺光路置于密封腔內,組成密封腔的端蓋和安裝基座的連接通過激光焊接實現,密封腔內部的光電子器件Y波導等通過固定于安裝基座的玻璃絕緣子與外部電路連接,實現信號、能量的傳遞,具體如圖2所示。

圖2 光纖陀螺密封結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the IFOG hermetic packaging

實施過程為:將光路裝配好的組件置于密封過渡倉內,采用惰性氣體對焊接部件及光路組件進行清洗,以去除表面吸附的水汽,然后將光纖陀螺轉移至充滿氦氣的手套箱內進行焊接,從而實現光路組件氣密性封裝。過程中,控制過渡艙和手套箱內的水汽含量不高于5×10-6。

本文選用了2只光纖陀螺開展試驗驗證,分別記為IFOG1和IFOG2。在光路氣密性封裝前測試了光纖陀螺在溫度和變氣壓環境下的零偏,以對比氣密性封裝前后的性能。

3 性能測試及結果分析

3.1 封裝氣密性及可靠性檢測

依據GJB360B-2009[16]中的密封試驗——試驗條件E進行漏氣率檢測,依據GJB360B-2009中方法107“溫度沖擊試驗”要求對密封結構進行了溫度沖擊(溫度范圍為-40℃～80℃,極限溫度保持30min,溫變率為2℃/min,溫循100次),并進行了總均方根加速度為28g的隨機振動,考核溫度沖擊、隨機振動前后漏氣率的變化。

漏氣率的測試結果表明:密封結構漏氣率優于 4×10-10Pa·m3/s。

溫度沖擊和振動試驗前后漏氣率的變化如表1和表2所示。由漏氣率幾乎沒有變化可知,氣密性封裝有很高的可靠性,能夠阻止水汽等進入光路安裝腔體內,從而提高了光纖陀螺的長期可靠性。

表1 溫度沖擊前后漏氣率變化對比Table 1 Leakage rate of IFOG before and after temperature shock test

表2 振動前后漏氣率變化對比Table 2 Leakage rate of IFOG before and after random vibration test

3.2 氣密性封裝對變溫條件下光纖陀螺零偏誤差的影響

將氣密性封裝前后的光纖陀螺置于高低溫試驗箱內,進行如圖3所示的高低溫連續通電測試,并測試光纖陀螺的輸出,光纖陀螺輸出的峰峰值及零偏穩定性如表3所示。

圖3 光纖陀螺高低溫試驗溫度曲線及陀螺輸出Fig.3 Temperature curve and bias output of IFOG in high and low temperature test

表3 氣密性封裝前后溫變條件下零偏誤差對比Table 3 Comparisons of bias error before and after hermetic packaging under temperature changes

由圖3和表3可知,在-40℃～60℃的測試溫度范圍內,在不進行溫度補償的情況下,氣密性封裝后IFOG1的零偏峰峰值降低了32.5%,零偏穩定性誤差降低了26.9%；IFOG2的零偏峰峰值降低了31.0%,零偏穩定性誤差降低了22.2%。試驗結果表明,氣密性封裝能夠提高光纖陀螺在變溫條件下的穩定性。

3.3 氣密性封裝對變氣壓條件下光纖陀螺零偏誤差的影響

將氣密性封裝前后的光纖陀螺置于真空試驗箱內,進行變氣壓環境試驗。試驗條件為:令真空試驗箱的氣壓在60min內從1×105Pa降至1×10-4Pa,過程中測試光纖陀螺的輸出,測試結果如圖4和表4所示。

圖4 氣密性封裝前后陀螺零偏與氣壓變化的關系Fig.4 Relationship between bias and atmospheric pressure before and after hermetic packaging

表4 氣密性封裝前后氣壓變化時零偏誤差對比Table 4 Comparisons of bias error before and after hermetic packaging under atmospheric pressure changes

由圖4和表4可知,未進行氣密性封裝時光纖陀螺的零偏漂移較大、噪聲較高、零偏穩定性較差,其中的IFOG2零偏峰峰值變化量達到0.295(°)/h,零偏穩定性變化量達到0.039(°)/h。而進行氣密性封裝后的光纖陀螺無論是零偏峰峰值還是零偏穩定性都有明顯改善,IFOG1的零偏峰峰值降低了95.3%,零偏穩定性誤差降低了96.2%；IFOG2的零偏峰峰值降低了96.3%,零偏穩定性誤差降低了95.4%。試驗結果表明,氣密性封裝能夠顯著降低外界氣壓變化對光纖環性能的影響,提高了光纖陀螺在變氣壓環境下的精度。

4 結論

本文開展了提高光纖陀螺在變氣壓下的精度和在高濕環境下的可靠性與及精度技術研究,通過分析氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響以及水汽介質對光纖陀螺使用壽命、長期精度的影響,提出了對光纖陀螺光路進行氣密性封裝的方法。通過漏氣率測試、溫度沖擊測試以及振動測試,可得氣密性封裝結構的漏氣率優于4×10-10Pa·m3/s,具有較高的可靠性；通過對2只光纖陀螺進行溫度測試和變氣壓測試,光纖陀螺氣密性封裝后在測試溫度范圍內,零偏峰峰值降低了31.0%以上,零偏穩定性誤差降低了22.2%以上；在變氣壓環境下,零偏峰值降低了95.3%以上,零偏穩定性誤差降低了95.4%以上。測試結果表明,該技術能夠顯著提高光纖陀螺的精度和長期可靠性。