氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響及改進

閭曉琴，黃鑫巖, 高 峰，王學鋒

氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響及改進

閭曉琴，黃鑫巖, 高 峰，王學鋒

（北京航天時代光電科技有限公司，北京 100091）

研究了氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響，提出了降低光纖陀螺儀氣壓靈敏度的設計方法。理論分析并實際測量了氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性的影響，試驗研究了光纖環浸膠固化和密封這兩種降低光纖陀螺儀氣壓靈敏度設計方法的有效性。結果表明，變氣壓條件下光纖陀螺儀的零偏穩定性劣化1～2個量級，對光纖環浸膠固化后，光纖陀螺儀的氣壓靈敏度減小1倍，可以在一定程度上減小空氣的擾動，改善氣壓變化對光纖陀螺儀的影響。而對光纖陀螺儀進行密封設計是一種更有效的措施。對光纖陀螺儀進行密封設計后，光纖陀螺儀的氣壓靈敏度為零，光纖陀螺儀零偏穩定性基本不受變氣壓環境的影響，解決了光纖陀螺儀受氣壓變化影響精度的問題。

光纖陀螺儀；變氣壓；零偏穩定性；密封；光纖環；膠固技術

光纖陀螺是一種基于Sagnac效應的全固態慣性儀表，作為一種慣性儀表，具有傳統機電儀表所不具備的優點。它是由光學和電子器件組成的閉環系統，通過檢測兩束光的相位差來確定自身角速度，因此在結構上它是完全固態化的陀螺，沒有任何運動部件，具有可靠性高、壽命長、帶寬大、啟動快、環境適應性好、生產工藝性好等優點。正是以上原理和結構上獨特的優勢，使得光纖陀螺在許多應用領域具有明顯的優勢。

光纖陀螺儀正逐步應用于各種導彈武器及空間飛行器[1-3]，某些任務的工作環境中存在氣壓急劇變化的情況，若不采取任何措施，會導致光纖陀螺儀的零偏漂移，嚴重影響光纖陀螺儀的零偏穩定性。

外界環境中的鹽霧、水汽等進入陀螺內部，也會導致光纖性能加速退化、壽命縮短，嚴重情況下會使其斷裂失效。在實際應用中，光纖從拉絲塔下來后，其表面不可避免地會存在一些微裂紋，陀螺正常裝配過程中也會形成的微傷痕，這些微裂紋會不斷生長，最終導致光纖開裂、斷裂失效，這是光纖均勻失效的主要模式，這些微裂紋的生長速度決定了光纖陀螺的壽命。除了應力導致光纖表面微裂紋擴大外，光纖所處環境的濕度或水汽含量越大，微裂紋生長越快，光纖失效的越快。另外，在水汽及鹽霧、酸堿性氣體的作用下，Y波導鈮酸鋰晶體的電光系數也會發生加速退化，導致半波電壓增大，嚴重情況下可能引起Y波導的調制功能失效，從而導致陀螺失效[4-5]。

1 氣壓變化對光纖陀螺儀零偏穩定性影響的理論分析和試驗研究

光纖陀螺儀光路主要由光源、耦合器、Y波導、光纖環和光電探測器組成。從光源發出的光經2×2單模光纖耦合器進入Y波導，光在光纖環中沿相反方向傳播，然后回到Y波導的合光點上發生干涉，干涉光波再次經過2×2單模光纖耦合器，到達探測器。當光纖陀螺繞光纖環軸向旋轉時，由于Sagnac效應，兩束相向傳播的光束之間將產生光程差，進而產生相位差，形成干涉。通過光電探測器檢測干涉光強的變化就可以測量出轉速[1-2]。

光纖環是光纖陀螺儀敏感角速度的關鍵部件，它采用幾百米至幾千米的光纖繞制而成。光纖環對熱流以及氣壓變化敏感，這是因為光纖環繞制完成以后其內部包夾著一定量的空氣。

氣壓變化會在光纖環上產生應力。外部氣壓變小，光纖環內部的空氣會從光纖的縫隙中沖出環外，外部氣壓變大，環外的空氣會沖進光纖的縫隙中，這會在光纖環上產生應力，導致光纖環內部的應力分布發生變化，產生彈光效應引起光纖折射率的變化。光纖環每一點的折射率隨時間變化，而兩束光波經過該點的時間不同（除了光纖線圈中點），它們所經歷的光程也不同，從而產生相位差，引起光纖環的非互易相移，這個非互易相移與旋轉引起的薩格奈克相移無法區分。

另外氣壓變化會導致光纖環的溫度場發生變化。氣壓變化，空氣和熱流進出光纖縫隙，導致光纖環的溫度場發生變化。光纖環每一點的溫度隨時間變化，而兩束光波經過該點的時間不同（除了光纖線圈中點），它們所經歷的光程也不同，從而產生相位差，這種現象也稱為shupe效應[6]。Shupe效應產生的非互易相移與旋轉引起的薩格奈克相移無法區分。

假設光纖長度為L，到線圈分束器距離為z的一小段光纖δz所經受的應力和溫度變化率分別為ddPt、ddTt，光纖的折射率隨應力和溫度的變化分別為ddnP、ddnT，在某一時刻，順時針傳播的光波在光纖段δz上產生的相位變化為

式中，n為光纖的有效折射率。經過一段時間后，由于氣壓變化引起的溫度場和應力變化，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式中，dt表示順時針和逆時針光波到達光纖段δz的時間差。由兩式相減可以得到光纖段δz上的由于氣壓變化引起的相位誤差為

對上式積分可以得到總的相位誤差：

利用Sagnac效應可以進一步得到氣壓變化引起的光纖陀螺儀零偏漂移為

采用二極對稱繞法或四極對稱繞法繞制光纖線圈可降低光纖陀螺中shupe效應導致的相位誤差，但是不能完全消除這種誤差。

圖1是某光纖陀螺儀在變氣壓過程中的輸出，常溫下此光纖陀螺儀的零偏穩定性為0.009 (°)/h。從圖1可以看出，30 min降氣壓變化過程中，零偏漂移達到0.5 (°)/h。變氣壓條件下光纖陀螺儀的零偏穩定性比常壓條件下劣化了1～2個量級，氣壓變化對光纖陀螺儀輸出影響很大。

2 降低氣壓靈敏度的設計及試驗驗證

為了減小或避免外界氣壓變化對光纖陀螺儀精度和可靠性造成的影響，分析認為可以采取兩個措施。

第一個措施是對光纖環進行浸膠固化[7-10]。浸膠是指將膠粘劑均勻的滲透到光纖環的線圈之間，然后固化，光纖環浸膠以后固化膠取代光纖環內部的空氣均勻分布于光纖的間隙之間，因此浸膠可以在一定程度上減小空氣的擾動，改善氣壓變化對光纖陀螺儀的影響。但是對光纖環進行浸膠固化會給光纖帶來新的應力，主要包括固化過程產生的收縮應力、環境溫度變化產生的熱應力、粘結作用力產生的粘結應力等。而光纖是一種應力敏感的材料，外部應力的作用會改變光纖內部結構的應力分布，引起光纖折射率的變化，導致傳播光的相位和強度發生改變，使光纖環的輸出產生非互易相移。

圖1 某光纖陀螺儀降氣壓過程中零偏漂移Fig.1 Bias drift of FOG in variable air pressure

第二個措施是對光纖陀螺儀進行密封。對光纖陀螺儀進行密封設計不但可以杜絕空氣的擾動，避免氣壓變化對光纖陀螺儀精度的影響，同時還可以延長光纖陀螺儀的貯存壽命，提高可靠性。

圖2是對光纖環進行膠固后，變氣壓環境下的光纖陀螺儀零偏變化。從圖2可以看出，30 min降氣壓變化過程中，零偏漂移幅度減小。試驗結果表明，光纖環浸膠可以在一定程度上杜絕空氣的擾動，改善氣壓變化對光纖陀螺儀的影響。

針對此光纖陀螺儀的結構設計特點，對光纖陀螺儀的結構進行改進設計，在陀螺法蘭和陀螺上端蓋、下端蓋、電連接器的裝配面設計密封圈，并采用玻璃封接電連接器的方式對陀螺進行密封。密封設計后，光纖陀螺儀在內外1個大氣壓壓差的情況下，15 min陀螺內氣壓變化不大于0.3%，1 h陀螺內氣壓變化不大于1%，大大降低光纖陀螺儀內部的氣壓變化率。

圖2 采取光纖環浸膠固化措施后光纖陀螺儀降氣壓過程中零偏漂移Fig.2 Bias drift of FOG in variable air pressure environment after coating

圖3和圖4是采取光纖環膠固和密封這兩個措施后，變氣壓環境下的光纖陀螺儀零偏變化。表1是改進設計前后變氣壓環境下的陀螺零偏穩定性(100 s，1σ)測試結果。可以看出，采取降低氣壓靈敏度設計后，變氣壓過程中陀螺零偏基本沒有漂移，光纖陀螺儀零偏基本不受變氣壓環境的影響，解決了光纖陀螺儀受氣壓變化影響精度的問題。

由上述分析可知，光纖陀螺儀進行密封設計是一種更有效的措施。為進一步延長光纖陀螺的貯存壽命，提高可靠性，需要對光纖陀螺儀進行密封，阻止外界鹽霧、水汽進入到陀螺內部，降低外界氣壓急劇變化、熱流、熱真空等環境因素的影響，保證陀螺光路始終處于“安全”的環境中，消除環境因素導致的光纖加速失效問題。

圖3 采取光纖環浸膠固化和密封措施后降氣壓過程中光纖陀螺儀的零偏漂移Fig.3 Bias drift in reduced air pressure environment after coating and sealing

圖4 采取光纖環浸膠固化和密封措施后升氣壓過程中光纖陀螺儀的零偏漂移Fig.4 Bias drift in step-up air pressure environment after coating and sealing

表1 改進前后光纖陀螺儀零偏穩定性Tab.1 Bias stability in variable air pressure environment before and after improvement

3 結 論

光纖陀螺儀的零偏會因氣壓變化漂移，變氣壓條件下光纖陀螺儀的零偏漂移為常壓條件下的1-2個量級。對光纖環浸膠可以在一定程度上減小空氣的擾動，改善氣壓變化對光纖陀螺儀的影響。而對光纖陀螺儀進行密封設計是一種更有效的措施，對光纖陀螺儀進行密封設計后，光纖陀螺儀零偏基本不受變氣壓環境的影響，解決了光纖陀螺儀受氣壓變化影響精度的問題，同時避免了外界環境中的鹽霧、水汽等進入陀螺內部對光纖陀螺儀壽命的影響，進一步提高了光纖陀螺儀的環境適應性和可靠性。

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Influence of air pressure variation on FOG bias stability and its improvement

LV Xiao-qin, HUANG Xin-yan, GAO Feng, WANG Xue-feng
(Beijing Aerospace Times Optical-electronic Co. Ltd, Beijing 100091, China)

Influence of air pressure variation on the bias stability of fiber-optic gyroscope(FOG) was studied, and the design method of reducing the pressure sensitivity of the FOG was proposed. The influence of the pressure change on the FOG was theoretically analyzed and practically measured. Both the adhesive coating and the sealing techniques for the optical fiber ring were experimentally studied to reduce the pressure sensitivity of the FOG. The results show that the bias stability of the FOG is increased by 1-2 orders of magnitude compared with that under variable pressure. The air pressure sensitivity of the FOG is reduced by half after coating adhesive on the optical fiber ring, thus the air disturbance can be decreased, and the influence of air pressure change on the FOG is reduced. The results also show that the FOG sealing design is a more effective method. After sealing, the bias of FOG is not sensitive to variable air pressure at all, and the problem of FOG bias drift in variable air pressure environment is solved.

fiber-optic gyroscope; pressure change; bias stability; sealing; optical fiber coils; adhesive coating

U666.1

A

1005-6734(2015)03-0399-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.03.0022

2015-02-15；

2015-05-27

國防基礎科研項目（A0320110013）

閭曉琴（1979—），女，高級工程師，從事光纖陀螺儀技術研究。E-mail：xqlv@163.com