随着光纤陀螺的广泛应用,光纤陀螺中各个光电器件对结构的要求不断细化,例如,光纤线圈要求其骨架要有较高的机械强度和很小的热膨胀性;光源要求其安装板有好的散热性能;陀螺基座要有较高的机械强度和好的散热性能;相位调制器(Y波导)要求绝缘;电路板要求有良好的散热,并且与光纤线圈热隔离。

传统光纤陀螺的光纤环骨架既要用于固定光纤线圈、相位调制器、光电探测器、耦合器和电路板,又要作为光纤陀螺的安装基座,所以要求光纤环骨架要有足够的机械强度,不能有太大的热膨胀性。另外,光纤环骨架要进行热设计,使电路板、光源、光电探测器等光电器件产生的热量有良好的导热通道传到光纤陀螺外,尽可能减小光纤线圈温度变化和温变速率。这种情况下,使得在光纤陀螺的结构设计和材料选择上要综合考虑,这极大地降低了这些光电器件的工作性能。

本文按照光纤陀螺中不同光电器件对工作环境的要求将光纤陀螺的结构细分成单独的零件,逐一进行结构优化和材料优选。 1 光纤陀螺基本原理和主要器件的特性 1.1 基本原理

光纤陀螺基于Sagnac效应,即沿闭合光路相向传播的光波返回到起始点干涉后,干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。

干涉型光纤陀螺的基本光路如图 1所示,由光源、探测器、分束器、准直透镜和光纤线圈构成。从光源发出的光波被分束器分成两束,一束透射过分束器后经准直透镜耦合进光纤线圈后顺时针传播,由光纤线圈出射后经准直透镜准直后透射过分束器。另一束被分束器反射后经准直透镜耦合进光纤线圈后逆时针传播,由光纤线圈出射后经准直透镜准直后被分束器反射。两束光会合时会产生干涉信号,干涉信号的强度随光纤线圈法向的输入角速度变化而变化,通过探测器检测干涉信号的强度变化,可以获得输入的角速度变化。

图 1

Fig. 1

图 1 干涉型光纤陀螺基本原理光路图 Fig. 1 Operation principle of interferometry-type fiber optic gyroscope

光纤线圈是光纤陀螺中用于敏感输入角速度引起的两相向传播光波之间Sagnac相位差的部件,因而是影响光纤陀螺性能的主要因素。光纤线圈可以分为有骨架和无骨架两种,目前得到广泛工程化应用的是有骨架的光纤线圈。对光纤陀螺有影响的光纤线圈参数主要有光纤线圈的结构参数(包括平均直径、光纤长度、光纤线圈的横截面比例)、损耗、偏振串音、应力分布及光纤线圈的对称性。其中,光纤环骨架的强度、温度变化速率、温度变化下的形变量对光纤线圈的参数影响较大。减小光纤线圈在振动和温变情况下的形变和温变速率可以大幅度提高光纤陀螺的性能。 1.3 Y波导集成光学器件

Y波导是光纤陀螺中的关键器件,它和光纤线圈形成Sagnac干涉仪,它是作为光纤陀螺的专用调制器件出现的,它要对输入的光波进行偏振滤波、对光波进行分束和合束、对光波进行偏置和反馈调制,它对偏振抑制和半波电压稳定性要求高,要防止和探测器输出信号的电子形成串扰误差,实际应用中,可对Y波导进行绝缘安装以提高其抗干扰能力。 1.4 光 源

光源的作用是为光纤陀螺提供产生Sagnac效应所需的合适光信号,需要其有较高的、稳定的尾纤输出光功率,以提高光纤陀螺的信噪比,这就需要光源有良好的散热环境保证它有较高的温控精度,另外,由光源产生的热也是光纤陀螺主要的噪声源头,因此,在保证其散热良好的前提下,还要尽可能地减少其传到光纤线圈上的热量。 1.5 光电探测器

光电探测器将Sagnac干涉仪返回来的光信号转换为电信号,一般直接焊接在电路板上,通过实验发现,探测器在实际工作中也会产生一定的热量,影响光纤陀螺的性能^{[1, 2]} 。 1.6 Shupe效应和弹光效应

在光纤陀螺中,由于外界温度随时间变化,光纤线圈每一点的折射率都随温度变化而变化,而相向传播的两束光波经过该点的时间不同(除光纤线圈中点以外),因此,两束光波经过光纤线圈后由于温度引起的相位变化不同,这个效应最初由Shupe发现,称为Shupe效应。

应力对光纤陀螺的作用主要通过光纤线圈体现。对于常用的保偏光纤,除了内部应力区引起的保持偏振所需要的高双折射外,光纤陀螺在振动、冲击、过载和温变等环境条件下,作用在光纤上的外部机械应力会引起光纤的附加双折射,引起这种双折射的效应称为弹光效应^{[3, 4]} 。 1.7 光纤陀螺温度场模型

通过测量光纤陀螺中的各个器件在工作时的温度,得出主要发热器件的温度曲线,再利用ANSYS软件建立起光纤陀螺常温工作状态下的温度模型。SLD(超辐射发光二极管)是光纤陀螺中最主要发热器件,其底部在常温工作状态下的温度曲线如图 2所示。光源驱动板用于驱动SLD,其安装面在常温工作状态下的温度曲线如图 3所示。

图 2

Fig. 2

图 2 光源底部常温工作状态下的温度曲线 Fig. 2 Temperature change of the light source

图 3

Fig. 3

图 3 光源驱动板常温工作状态下的温度曲线 Fig. 3 Temperature change of the driving board of the light source

主板上的FPGA芯片和光电探测器发热,也给光纤陀螺带来了一定的误差热源,其安装面在常温工作状态下的温度曲线如图 4所示。利用得到的温度数据对光纤陀螺建立接近实际工作状态的温度场有限元模型,分别将以上温度曲线赋予光纤陀螺的光源安装面、光源驱动板安装面和主板安装面,忽略光纤陀螺中热辐射的影响,进行有限元分析。

图 4

Fig. 4

图 4 主板常温工作状态下的温度曲线 Fig. 4 Temperature change of the main board

按照光纤陀螺各个光学器件(包括光纤线圈、相位调制器、耦合器、光电探测器、光源)的功能和对使用环境的要求,将光纤陀螺的主体结构细分成光纤环骨架、相位调制器支架、光源底板和基座几部分。如图 5所示,为传统光纤陀螺基体和细分后的结构对比。

图 5

Fig. 5

图 5 光纤陀螺基座结构细分示意图 Fig. 5 Schematic diagram of the fiber optic gyroscope

针对光纤陀螺各个光学器件对环境的要求,在目前广泛应用的工程材料和近几年在惯性器件行业得到应用的新型材料中进行筛选,选取了铍铝合金和因瓦合金替代原有铝合金,并在建立的温度场模型下对不同材料进行结构热力学分析和瞬态温度分析^{[5, 6, 7]}。

铍铝合金具有质量轻、强度高、刚度高、热稳定性好、高韧性、抗腐蚀、结合了铍的低密度与铝的易加工性等许多优良特性,随着航空、航天工业、计算机制造业、汽车工业及高精度、高速度电焊机器制造工业的飞速发展,其已成为一种越来越重要的新型材料^[8]。

因瓦合金,是一种镍铁合金,其成分为镍36%,铁63.8%,碳0.2%,它的热膨胀系数极低,能在很宽的温度范围内保持固定长度。绝大多数的金属合金都是在受热时体积膨胀,冷却时体积收缩,但因瓦合金由于它的铁磁性,在一定的温度范围内,具有因瓦效应的反常热膨胀,其膨胀系数极低,有时甚至为零或负值^{[9, 10]}。

表 1是有限元分析所用到不同材料的主要性能参数。

表 1Table 1)

表 1 几种材料的主要性能参数 Tab. 1 Main characteristics of different materials 材料 杨氏模量/ Pa 密度/ (kg·m-3) 热膨胀系数/ ℃-1 导热系数/ (W·m-1·℃-1) 比热容/ (J·kg-1·℃-1) 铝合金2A12-T4 7.2×1010 2 810 2.3×10-5 120 875 因瓦合金4J32 1.4×1011 8 100 1.0×10-6 13.9 520 铍铝合金LX-62 2.1×1011 2 100 1.4×10-5 217 1 560 光纤敏感环(含胶) 7.2×1010 1 200 5.5×10-5 0.13 1 302

表 1 几种材料的主要性能参数 Tab. 1 Main characteristics of different materials

基座选用目前在航天航空领域得到一定应用的铍铝合金,这种材料的强度和导热性能均优于常用的铝合金,图 6是传统铝合金材料和铍铝合金在同等条件下的模态分析对比,表 2是计算模型的固有频率。

图 6

Fig. 6

图 6 模态分析对比 Fig. 6 Comparison of modal analysis

表 2 (Table 2)

表 2 计算模型的固有频率 Tab. 2 Frequency of the calculation model 1阶频率/Hz 2阶频率/Hz 3阶频率/Hz 4阶频率/Hz 5阶频率/Hz 硬铝合金基座(本体) 11 609 11 702 12 700 15 135 15 930 铍铝合金基座(本体) 23 471 23 653 24 907 30 405 31 954 硬铝合金基座+光纤环 6 955 7 685 8 228 10 118 10 170 硬铝合金基座+光纤环 9 808 10 839 11 770 15 949 16 244

表 2 计算模型的固有频率 Tab. 2 Frequency of the calculation model

光纤环骨架选用低膨胀因瓦合金,这种材料的力学性能与铁合金相似,最大的特点是具有极低的线膨胀系数,对于光纤陀螺这种温度变化大的使用环境,可以很好的保证光纤线圈的稳定性。图 7是传统铝合金和因瓦合金在相同情况下的热应力变形的分析对比。在同样状况下,因瓦合金热应力变形为1.296×10^-6 m,远远小于铝合金4.564×10^-5 m。

图 7

Fig. 7

图 7 热应力变形对比 Fig. 7 Comparison of transform for different heat stress

基座选用铍铝合金,光纤环骨架选用低膨胀因瓦合金,图 8是铍铝合金及因瓦合金与传统铝合金材料在同等条件下的瞬态温度分析对比,发现使用铍铝合金可以使光纤线圈更快的达到热平衡,将减小光纤陀螺的启动时间,从而提高光纤陀螺的精度。

图 8

Fig. 8

图 8 瞬态温度分析对比 Fig. 8 Comparison of instant temperature analysis

采用细分后的新结构和优选的新型材料,加工两台样机,保证各个光电器件与现有成熟陀螺状态一致,随机选取一只现有陀螺与两台样机分别做温度定点和随机振动试验,对比陀螺输出曲线,见图 9和图 10。

图 9

Fig. 9

图 9 40 ℃温度定点试验对比 Fig. 9 Comparison of the experiments at 40 ℃

图 10

Fig. 10

图 10 随机振动试验对比 Fig. 10 Comparison of the experiments for random viberation

将试验数据进行对比,看到样机的启动时间为10 s左右,零偏稳定性为0.1(°)/h,相比成熟的光纤陀螺启动时间为60 s,零偏稳定性为0.13(°)/h,都有大幅度减小,证明将光纤陀螺的结构细分和材料优选对其温度性能有一定提高。

将试验数据进行对比,看到样机的随机振动振动中与振动前后的零偏极差为0.05～0.1(°)/h,成熟光纤陀螺的随机振动振动中与振动前后的零偏极差为0.01～0.03(°)/h,证明结构细分和材料优选对光纤陀螺的振动性能也有一定改善。

4 结 论

通过对光纤陀螺结构的细分,并对光纤陀螺实际工作状态建立温度场模型,选用铍铝合金和因瓦合金代替传统的铝合金,利用ANSYS Workbench软件针对优选的材料分别进行模态分析、热应力分析和瞬态温度分析,获得了对实际研究有指导意义的结论,运用得到的结果,对陀螺结构进行结构改进,减小光纤环的温度漂移、启动时间和热应力变形,最终提高光纤陀螺精度,意义重大。