光纤陀螺的热分析与热设计方法

第16卷第6期中国惯性技术学报Vol 16 No 62008年12月Journal of Chinese Inertial Technology文章编号:1005-6734(2008)06-072505光纤陀螺的热分析与热设计方法贾明,晁代宏,张春熹(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100083摘要:光纤陀螺随温度变化产生的热噪声及热致非互易性相移误差直接影响其使用精度。为解决温度问题,分析了光纤陀蝶工作的热环境,根据光纤陀螺的体积功率密度选择了自然冷却方法,包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或组合。通过分析光纤线圈及其他光电器件的温度特性及温度变化产生误差的机理,指出热设计的目的是控制光纤陀螺内部的温度场分布及最髙温度,并对光纤陀螺的热设计方法进行研究,包括光纤线圈的热设计、光电器件的安装方式、控制电路的热设计等,由最后热仿真与测试结果可知,热设计方法合理可行,关镳词:光纤;光纤陀螺;热分析;热设计中图分类号:U6661文献标志码:AThermal analysis and design for fiber optic gyroscopeJIA Ming, CHAO Dai-hong, ZHANG Chun-xi(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Beijing University of Aeronautics andAstronautics, Beijing, 100083, China)Abstract: Thermal noise and thermally induced nonreciprocity error of fiber optic gyro could directly affect itsapplication performance. In order to solve this problem, the gyro's thermal environment during working and the itsvolumetric power density were analyzed. Then the methods of natural cooling were selected, which include thermalconduction, natural convection and radiation recuperation. By analyzing the thermal characteristic of fiber ring andphotoconducting device, it is pointed out that the thermal design can achieve rational temperature field and maintainall the components of gyro within their respective temperature limits. Finally, the thermal design methods werepresented, including fiber ring design, mounting way and circuit scheme. The simulation and test results show that thethermal design methods are feasibleKey words: fiber; fiber optic gyroscope; thermal analysis; thermal design光纤陀螺是一种用来检测载体运动角速度的传感器,利用光学上的萨格奈克效应与光纤传输原理,克服了机电陀螺与激光陀螺的一系列缺点,被广泛应用于航天、航空、航海、石油勘探等领域{光纤陀螺作为光机电一体化的传感器,温度对性能的影响是不可忽视的4首先,作为敏感元件的光纤线圈,在温度变化时会产生热致“非互易性”相移,导致陀螺输出误差;其次,传感器的不同结构也会随着温度的变化发生变形,进而挤压到光纤线圈,从而产生误差;另外,任何具有电阻的光电器件都是一个内部热源,当传感器工作时,器件本身温度会有所上升,从而影响到器件的性能与工作可靠性,同时这种温度变化还会影响到传感器其它部分的温度。因此,对光纤陀螺进行必要的热分析与热设计是保证光纤陀螺具有良好热稳定性的关键光纤陀螺组成目前光纤陀螺普遍采用干涉式闭环方案,单轴陀螺的结构组成如图信号由光源出发,经耦合器一分为二束传输到Y波导,另一束传到空端.Y波导将其输入光分成顺时H中国煤化工千线圈。从光纤线圈收稿日期:2008-09-22;修回日期:2008-11-25CNMHG基金项目:国家863高技术研究发展计划项目(2007AA06Z101);航空科学基金(2007ZC5106作者简介:贾明(1978—),男,讲师,研究方向为光纤陀螺技术。E-mail:jiaming@buaaedu.cn中因惯性技术学报第16卷返回的光在Y波导公共端桕遇,发生干涉,干涉后的光经耦合器后到达探测器,转换为电信号进入检测控制电路,信号处理后对Y波导进行调制,同时输出角速率信息。设顺时针和逆时针传输的两束光的光强为l,则干涉输出为:=(+cos(△头+△+△4)(1)式中,△中为 Sagnac相移,△中为调制相移,4为反耦合器导纤线圈馈相移, Sagnac相移△由转动角速率引起,计算公式为:测器(2)控制电路式中,D为光纤线圈直径,L为光纤长度,A为光在真空中的中心波长,c为光在光纤中的传输速度,为转动角速率。图1光纤陀螺的组成ig. I Constitution of fiber optic gyroscope光纤陀螺热分析2.1热环境惯导产品的应用背景决定了光纤陀螺工作的外部热环境,包括极热(+60℃)、极冷(-40℃)、湿热、真空、辐射快速温变等各种恶劣环境。不同的热环境,给光纤陀螺提供了不同的外部散热条件地面、舰船用光纤陀螺的外表面存在自然对流,同时结构支承件也可以作为散热介质;机载光纤陀螺在高空时,自然对流的换热量随空气密度的降低而降低,而且结构支承件的传导换热也有所减少;航天及弹用光纤陀螺的热环境包括发射前与发射后两种,发射前自然对流可以起散热作用,而发射后在真空的条件下只能依靠传导与辐射进行散热。22冷却方法的选择光纤陀蝶冷却方法的选择与热环境有关,同时还要考虑下列因素:热流密度、体积功率密度、总功耗、表面积、体积、热沉等。由于光纤陀螺同时具有体积小、功耗低的优点,所以冷却方案应与体积功率密度大小相适应。不同精度等级的单轴光纤陀螺体积约为15~6×104m3,在全温40~+60℃条件下的总功耗小于2W,因此单轴光纤陀螺的体积功率密度约为33~133kWm3,在此范围内选择白然冷却方法是适合的5,这种冷却方法包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合。自然冷却方法还可以使陀螺的可靠性高、结构紧凑。2.3光纤线圈的温度特性光纤陀螺的光纤线圈中反向传输的光会产生热致非互易相移( Shupe误差)6,主要表现在1)由于环境温度的变化,导致纤芯折射率发生变化。对于石英纤芯,折射率Y(快轴)随温度的变化率约为103℃2)纤芯区各向异性应力的改变。以熊猫光纤为例,它是基于应力双折射的原理制成的,截面如图2所示。图2中a为高掺杂石英棒,b为纤芯,c为包层,d为X(慢轴)光纤涂覆。由于a与c的热膨胀系数不同,当温度变化时,a与c的热应变和泊松比不同,导致纤芯区的各向异性应力改变。3)温度变化引起光纤微弯。由于光纤涂覆的热膨胀系数大于石英材料1~2个数丘级,涂覆的膨胀量或收缩量大于光纤,就会引起光纤出现微弯现象。微弯使光图2光纤截面纤受到弯曲应力,其大小取决于曲率半径的大小。Fig 2 Section of fiber应力的改变导致折射率发生变化,进而影响到光在光纤中的传输速度,产生相位调制,从而带来检测误差。为了减小误差,需要使光纤线圈的温度场分布均匀,降低温度变化率,反向传输的光经过相同的相位调制2.4光源的温度特性中国煤化工理论上,在闭环光纤陀螺中,光源输出功率的变化可以忽略。CNMHG学元器件的分光性能不稳定,使得光功率的变化直接反映到陀螺的输出信号变化中,从而产生强度噪声,影响陀螺精度。为了减小瑞利散射和偏振交叉等噪声,同时抑制与干涉现象有关的克尔非线性效应,一般采用相干长度短的宽带光源,如半导体超发光二极管(SLD).然而常用的SLD光源的波长温度因数约3~4×10℃,因此,温度的变化会导致与波长成比例的标度第6期贾明等:光纤陀螺的热分析与热设计方法因数的改变。为保证光源的光功率与波长稳定性,一般对光源都要进行单独的温度控制和光功率控制2.5探测器的温度特性光纤陀螺用探测器一般为高灵敏度的PIN-FET单片集成组件,探测器对光纤陀螺影响较大的指标是检测灵敏度。探测器的噪声同样受到温度影响,主要的热噪声是被放大了的PN光电二极管的散粒噪声和热噪声,以及FET场效应晶体管前置放大电路自身的噪声2.6Y波导的温度特性Y波导是集偏振器、分束器、相位调制器于一体的多功能集成光学器件,其参数较多,如消光比、分束比、半波电等。其中,Y波导的消光比、分束比将随温度有一定的波动,从而直接影响探测器接收信号的强度大小,进而影响陀螺的测量精度。另外,温度对集成光学相位调制器的2π相位调制电压产生影响,而2π相位调制电压对光纤陀螺标度因数的精度、非线性度和对称性又产生影响2.7耦合器的温度特性耦合器的分束比与消光比会随温度有一定变化。分束比误差大的陀螺,干涉光强对比度下降,不仅影响光纤陀螺的精度,还会引起光克尔效应产生零位偏置误差。总之,光纤陀螺工作的热环境差异很大,在选择自然冷却这种方法时,还要根据具体的热环境合理利用热量传递的不同形式,即导热、自然对流和辐射换热。另外,光纤陀螺是结构紧凑全密闭的精密传感器,内部各器件对温度的要求都相对苛刻,且间距非常小,这种结构及应用上的特点决定了其在热设计上会有更高的要求。3光纤陀螺热设计光纤陀螺热设计目的是控制光纤陀螺内部光纤线圈、光学器件、电子器件的温度,使其在所处的工作环境条件下具有合理的温度场分布,电子器件温度不超过规定的最高允许温度。合理的温度场分布依赖于光纤线圈与光学器件的温度特性分析、陀螺的精度、尺寸与重量限制。最高允许温度的计算应以电子器件的应力分析为基础,并且与可靠性的要求以及分配给每一个电子器件的失效率相一致。热设计应与其它设计(电气设计、结构设计、可靠性设计等)同时进行,当出现矛盾时,应进行权衡分析,折衷解决,但不得损害光纤陀螺的光学与电气性能,并符合可靠性要求,使光纤陀螺的寿命周期费用降至最低3.1光纤线图的热设计温度稳定、均匀是线圈的最佳工作状态,但由于热环境的温度变化,温度梯度是不可避免的,因此需要设计合理的温度梯度方向。目前普遍采用的四极对称绕法,使距离中点相同的两点在同一个线圈横截面上,且分别在过中点与线圈轴线的纵截面两侧,与轴线的距离相差一层光纤直径,如图3所示,A、B点分别与A′、B′点为对称点。线圈的轴向温度梯度会使对称点产生桕同的相位调制,而径向温度梯度会产生不同的相位调制。因此,线圈的设计应尽量实现光纤线圈线圈缠绕方向过线圈中点的纵截面的轴向温度梯度分布。图3光纤线圈的对称点进一步分析可知,当存在径向温度梯度时,第+1层的光纤相对于第n层Fig3 Symmetry point of fiber coil会有温度差,虽然第n+2层的光纤相对于第n+3层会有相反方向的温度差,但由于温度梯度的非线性,且第n层与第n3层的长度并不相同,光纤线圈所以沿光纤长度积分还是会带来较大误差。因此,设计光纤线圈的骨架结构时,应减少径向的传热如图4所示,前一种骨架结构(可认为是无骨架)的温度性国煤化工能优于后一种骨架结构。EH2NMHG骨架材料的选择也很重要,比较常温下硬铝骨架、石英光纤骨架骨架的热平衡时间可知,在同一外界温度、器件发热率相同、图4骨架结构形式骨架间热阻相同的条件下,由于硬铝导热系数较大而热容较Fig 4 Frame structural style中国惯性技术学报小,能使光纤骨架较快达到热平衡,骨架内外壁温差接近为0;相反,石英导热系数较小而热容较大,光纤骨架达到热平衡较慢,平衡后内外仍存在温差。因此,在温度不变的环境中工作时,可选择导热系数较大的材料,以迅速达到热平衡,缩短光纤陀螺的启动时间。而在温度变化的环境中,选择导热系数较小的材料,以减少温度冲击。对于单轴光纤陀螺,为了有效利用体积重量,光纤骨架也可能成为支承其他器件与电路部分的结构件。对于多轴光纤陀螺,绕好光纤线圈的光纤骨架可以看成是一个器件进行布局热设计。3.2结构布局的热设计结构布局的热设计是对光纤陀螺内部的热管理。对于光源、控制电路这些发热部分,一是要为其设计良好的散热通路,将热流通路直接连接到热沉(光纤陀螺外壳或安装底板),并提供光滑平整的接触表面与接触压力;二是要减少对其他器件的干扰。对于探测器、Y波导、耦合器、光纤线圈这些无源器件,应尽量减少温度波动,减少高温元器件带来的影响,必要时应采取热屏蔽措施,形成热区和冷区,保护对温度敏感的器件。3.3外部散热通路的热设计光纤陀蝶向外散热主要有两个途径,一个是外壳,另一个是安装接触面。外壳是接受内部热量,并通过对流或辐射将其散发到周围环境中去的一个重要结构。外壳两侧均为高黑度时的散热效果优于只是一侧高黑度时的散热效果,提高外表面的黑度是降低外壳表面温度的有效方法。当存在自然对流条件时,对流换热起主要作用,此时应适当增大外壳的散热表面积,以满足最大热流密度不超过0039W/cm2的限制为减少接触热阻,可设计较大面积的安装接触面,同时安装接触面应保证平面度与粗糙度,并选择材质较软的材料3.4控制电路的热设计控制电路的热设计包括两方面内容,一是对器件布局及散热方式的设计;二是控制电路板向外的散热设计。由于光纤陀螺内部器件密集,对流与辐射几乎不起作用,只能通过传导进行散热。器件在传导冷却的印制电路板上的安装方式,应能使器件到印制电路板上的热阻值较小。由于金属的导热系数高,故可用薄金属板散热器覆盖印制电路板。对需要绝缘的器件,可在安装时使用氧化铍垫片等传热性能好的电绝缘体电路板在固定时,应设计较大的接触面,加大接触表面之间的压力,在接触表面之间垫以导热衬垫、导热脂或导热音等介质。对可更换的插入式印制板,利用导轨可以实现传热,以楔形导轨的热阻为最小。4热仿真分析硬铝骨架光纤线圈是光纤陀螺的敏感元件,可以通过热仿真技术来进38行定量分析,选择高温60℃和低温-40℃的条件下进行仿真分析。石英骨架基于如图4所示的骨架结构,后一种骨架结构采用两种不同材料,分析光纤所受热应力的大小,并转换成折射率差来衡量光纤线圈无温度特性,如图5所示由此可知,无骨架光纤线圈的热致应力都是最小的。石英骨架与硬铝骨架在高低温时表现的性能有所不同,这主要是因为材光纤层数料的膨胀系数不同,从而产生对光纤的不同挤压,通过理论分析图5(a)60℃时的折射率差Fig. 5. (a) Difference of refractive index at 60C可以验证这一点。石英骨架5实本实验主要目的是验证无骨架光纤线圈在温度变化时对输出噪5研们架一声的改善。环境温度变化范围为40~+60℃,变温速率为1℃中国煤化工如图6a所示为某型号陀螺使用硬铝骨架时的信号输出,如图6CNMHG示为将该硬铝骨架的中间及上沿结构拆掉后的无骨架时的信号输出。光纤层数由实验可以看出,无骨架光纤线圈在温循中性能有所改善,尤图5(b)-40℃时的折射率差其是在高温下,偏振噪声和奇点大大减少Fig 5(b) Difference of refractive index at-40C贾明等:光纤陀螺的热分析与热设计方法6结束语通过分析光纤陀螺的应用背景与工作热环境,选择了自然冷却方法进行散0400080001200016000200000001600020000热设计。由于陀螺可靠性要图6(a)硬铝骨架时的信号输出图6b)无骨架时的信号输出求高,且内部器件密度高Fig 6(a) Signal output with duralium frameFig 6(b)Signal output without frame所以内部的传热途径以传导为主,不宜采用对流散热。通过分析光纤线圈及其他光电器件的温度特性,指出热设计的目的是控制光纤陀螺内部的度场分布及光电器件的最高温度。器件安装方式及控制电路的热设计在参考其他电子设备设计的同时,还应考虑到光纤陀螺是光机电一体化的特殊设备。尤其对于光纤线圈这一转动角速率敏感元件,还应考虑温度梯度方向。由热仿真与实验测试结果可知,光纤线圈的热设计至关重要,无骨架的光纤线圈可以实现较理想的轴向温度梯度,陀螺性能好。参考文献( References)[1]Herve C Lefevre. The Fiber-optic gyroscope[M]. Norwood: Artech House, 1993[2]Friebele E Joseph, Askins Charles G Miller Gary A, et al. 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