高精度光纖陀螺磁屏蔽技術*

田 慧， 梁 璀， 張登偉

(1.浙江大學醫學院附屬婦產科醫院，浙江 杭州 310006；2.浙江大學 光電科學與工程學現代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

0 引 言

光纖陀螺是現代航空、航海、航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器，具有十分重要的戰略及戰術應用[1,2]。近年來，光纖陀螺通過工藝改進，在敏感環設計、信息處理器設計、光路設計、模型解算研究等方面取得了長足的進步，其在溫度、振動等環境適應性方面也取得了重大進展，但隨著傳感器精度的提升，迫切需要解決磁場及多物理場耦合等問題[3]。

光纖陀螺以光纖線圈為基礎敏感元件，利用薩格納克效應，測量光路的旋轉角速度[4]。在實際工作中，外界低頻磁場對光纖陀螺的負面影響相當明顯，因此人們提出各種方法抑制外界磁場使傳感器產生的漂移，設計高效的磁屏蔽結構是其中被廣泛采用的一種[5,6]。

本文研究了該類磁屏蔽結構屏蔽效能的影響因素，建立了仿真模型，并對屏蔽效能與屏蔽結構各參數之間的關系進行了分析，提出了一種磁屏蔽結構的設計優化方法。

1 磁屏蔽影響因素的理論分析

影響光纖陀螺磁屏蔽性能的因素包括：屏蔽材料性能、屏蔽結構厚度、屏蔽結構形狀、屏蔽結構直徑、開孔尺寸、屏蔽結構配合間隙等。

對于高精度光纖陀螺，造成漂移的主要誤差來源是工頻干擾、地磁場等環境磁場，頻率都很低。根據理論分析和實踐經驗，低頻磁場的屏蔽一般采用高初始磁導率的軟磁材料，如坡莫合金等。屏蔽原理是利用軟磁材料的高磁導率對低頻磁場具有分路作用，將磁力線集中在屏蔽結構內部，避免通過屏蔽結構所保護的內部區域[7]，如圖1所示。

圖1 磁屏蔽原理

磁場分流的機理與電阻分流類似，可用電路方法來等效計算磁屏蔽結構的屏蔽效能[8～10]。設計的結構為類圓柱體形狀，對理想的圓柱殼體，其磁屏蔽效能為

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式中SE為磁屏蔽效能，Ha為屏蔽結構內磁場強度，Hb為外界磁場強度，da為圓柱體內直徑，db為圓柱體外直徑，Ra為空氣的等效磁阻，Rb為屏蔽結構的等效磁阻。設l為屏蔽材料厚度，則db=da+l，且已知磁阻R與材料的磁導率μ成反比。可得到，在一定范圍內，屏蔽結構的厚度越大，材料磁導率越高，磁屏蔽的效果越好。

然而，磁屏蔽結構不可能為理想的封閉柱體，以本設計為例，結構為類圓柱組合殼體，為容納光纖陀螺并使其與外界連通，屏蔽結構上具有凹陷和多個開孔，且在實際應用時結構的上下層之間不可避免存在配合間隙，整體結構如圖2所示。不規則結構使得磁力線在通過屏蔽結構時受到切割和阻礙，影響了屏蔽結構分流磁阻的能力，影響結果十分明顯，不容忽視。

圖2 磁屏蔽結構模型

2 磁屏蔽結構參數仿真與分析

磁屏蔽結構的屏蔽效能與其各種結構參數密切相關，純粹的理論計算無法得到精確的分析結果，利用軟件對其進行三維磁場環境仿真分析。

仿真中，利用亥姆霍茲線圈模擬磁場，線圈直徑1 m，線圈所在平面與屏蔽器內部中心距離為0.25 m，如圖3(a)所示。當100匝線圈內總電流為8 A時，屏蔽器內部(材質設置為空氣)平均磁場強度為10 G，如圖3(b)所示。

圖3 仿真模型

對于高精度光纖陀螺，磁屏蔽結構一般選用高初始磁導率的軟磁材料制成，在此選用1J50。考慮到實際應用中磁場方向不單一，設計中對徑向磁場和軸向磁場分別進行了仿真。

在各參數的掃描仿真中，采用了控制變量的方法，分別得到了各參數與磁屏蔽結構屏蔽效能之間的關系，如圖4所示。

圖4 不同參數下的仿真結果

2.1 磁屏蔽材料厚度

磁屏蔽材料采用1J50，結構直徑90 mm，上下殼體徑向縫隙0 mm、軸向重疊距離mm，大開孔4 mm，凹陷區域深度13 mm。分別取不同厚度值進行仿真，結果如圖4(a)所示。

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由圖4(a)可見四條曲線分別是磁場方向為徑向和軸向時，平均場強以及磁屏蔽效能與厚度的關系。仿真結果表明，在其他條件一定的情況下，磁屏蔽結構的厚度越大，其屏蔽效能就越好，且影響關系較為明顯。

2.2 磁屏蔽結構直徑

磁屏蔽材料采用1J50，厚度0.5 mm，上下殼體徑向縫隙0 mm、軸向重疊距離9 mm，大開孔4 mm，凹陷區域深度13 mm。分別仿真了不同直徑大小下的屏蔽效能，結果如圖4(b)所示。

由仿真結果表明，當其他參數固定時，磁屏蔽結構的直徑越大，其屏蔽效能就越差，因此實際設計屏蔽結構時在保證能夠容納光纖陀螺的前提下可以盡量減小磁屏蔽結構的直徑。

2.3 磁屏蔽結構配合間隙

本設計中磁屏蔽結構存在徑向和軸向重疊兩個主要配合間隙。設置磁屏蔽材料為1J50，厚度0.5 mm，直徑90 mm，大開孔4 mm，凹陷區域深度13 mm。分別對兩種配合間隙進行仿真，其結果分別如圖4(c)和圖4(d)所示。

如理論分析所述，間隙的存在會切割和阻礙磁感線在屏蔽材料中的流通，對磁屏蔽效能產生負面的影響，仿真結果與分析一致。從圖7和圖8中還可以看出，縫隙在由小變大的前期對屏蔽效能的影響較明顯，而這部分也恰好處于實際應用時的狹縫尺寸范圍內。此外，軸向重疊距離對不同方向磁場下屏蔽效能的影響程度不同，軸向磁場對其更為敏感。

2.4 磁屏蔽結構凹陷深度

為保證傳感器工作部分與外界的連通，磁屏蔽結構中設計一個凹陷，對凹陷深度與屏蔽效能的關系進行了仿真，仿真時磁屏蔽材料采用1J50，厚度0.5 mm，直徑90 mm，大開孔4 mm，凹陷區域深度13 mm，仿真結果如圖4(e)所示。

由圖4(e)可見，凹陷部分深度對整體磁屏蔽效能影響并不明顯。

2.5 磁屏蔽結構開孔尺寸

對不同開孔尺寸與屏蔽效能的關系進行了仿真，仿真時磁屏蔽材料采用1J50，厚度0.5 mm，縫隙0 mm，重疊距離9 mm，直徑90 mm，大開孔4 mm，凹陷區域深度13 mm，仿真結果如圖4(f)所示。

3 實驗驗證

為驗證仿真結果的可信度，選擇某種參數組合的磁屏蔽結構進行了實測。實測磁屏蔽結構直徑為45 mm，殼體厚度0.5 mm，徑向縫隙1 mm，軸向重疊距離6 mm，大孔直徑4 mm，凹陷部分深度11 mm。測試方法為選取屏蔽罩內部若干個有代表性的空間位置點，外部分別施加10 Gauss的徑向和軸向磁場，使用三維高精度霍爾傳感器測量對應點的磁場大小并記錄。分別計算無磁場和有磁場時測試數據的合成值的平均值B0、B1和標準差S0、S1。通過下式得到待測磁屏蔽罩內部各測試點的剩余磁場百分比

(2)

表1為10G徑向和軸向磁場下待測屏蔽結構內部各測試點的測量結果。

表1 在10 Gauss徑向和軸向磁場下待測磁屏蔽罩內部測量結果

仿真得到的結果如圖5和圖6所示。由于空間測試位置有限，且仿真中變化趨勢在0.01G數量級，小于霍爾傳感器測試數據的噪聲水平，實測的變化趨勢尚不明確。但對比實測數據與仿真趨勢圖，可知實測結果與仿真結果數量級相當，排除其他因素影響時，基本可以證明仿真結果有效。

圖5 徑向磁場下屏蔽結構內磁場分布

圖6 軸向磁場下屏蔽結構內磁場分布

4 結 論

本文從實際應用的角度出發，提出了一種高精度光纖傳感器磁屏蔽結構的設計與優化方法，從理論分析、建模仿真等方面對磁屏蔽結構的各項參數進行分析，探尋了它們與整體屏蔽效能之間的關系。利用其影響關系可以方便地得到磁屏蔽結構參數并進一步提出結構的優化方法，屏蔽效能可以達到40 dB以上，即外界磁場經屏蔽結構后被衰減為原來的1 %以下，可以滿足高精度光纖傳感器的實際應用需求。