应用于光纤陀螺的磁屏蔽设计研究

摘 要：为解决高精度光纤陀螺对静磁场敏感的问题，设计了一种多层结构磁屏蔽体，并通过理论计算分析了屏蔽体不同结构、不同厚度对磁场的屏蔽效能。通过实验测试屏蔽体磁场的屏蔽效能，发现与理论计算结果能够较好地吻合，有效降低了光纤陀螺的磁场敏感度。

关键词：光学陀螺；磁屏蔽；屏蔽效能；多层屏蔽

中图分类号：V241.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.015

光纤陀螺是飞行器导航系统的重要组成部分，是实现飞行器或武器装备高精度导航的重要保障。受控制技术、陀螺内部器件结构特征及制作工艺等因素的制约，陀螺系统存在易受磁场环境影响、精度不高、长期稳定性差等问题，这已成为飞行器精确导航技术发展的瓶颈。

近年来，光纤陀螺已在电磁兼容性设计、敏感环工艺技术改进、电路补偿和磁屏蔽等抑制技术方面进行了有益的探索，但多数还没有采取磁屏蔽设计。本文针对某光纤陀螺磁漂移问题，在屏蔽理论和光纤陀螺磁屏蔽特征分析的基础上，进行了结构、材料、工艺优化等方面的磁屏蔽综合研究。

1 磁屏蔽理论设计研究

影响磁屏蔽性能的因素包括：磁场源的大小、屏蔽材料的接缝、磁场的频率、屏蔽到磁场源的距离、屏蔽对磁场源的方向、磁屏蔽材料的厚度和热处理等。对于高精度的惯导系统，需要降低低频磁场引起的陀螺漂移引入的误差，低频磁场主要为地磁场。磁屏蔽材料在磁场中提供低磁阻磁路，引导磁力线通过自身，使磁场避开敏感部件。

2 磁屏蔽系统的结构设计

光纤陀螺敏感的主要是外界静磁场，利用高磁导率材料的低磁阻特性，设计磁屏蔽体对其进行整体屏蔽。一般磁屏蔽系统内部都要装载仪器或部件，所以磁屏蔽罩需要分体设计，分为底端盖和上屏蔽罩。

为说明材料厚度对磁屏蔽效能的影响程度，进行了坡莫合金1J85单层、双层磁屏蔽比对实验，对不同厚度屏蔽罩进行不同组合搭配，如表1所示。

由表1可知，单层1 mm屏蔽效能极值点在S=29.4，双层屏蔽效能极值点在S=85.89. 单层2 mm屏蔽效能极值点在S=13.7，双层屏蔽效能极值点在S=138.9，在其他测试条件不变的情况下，即整个磁路的磁动势一定，屏蔽材料厚度加倍，屏效也相应加倍；层数加倍，屏效多倍数增加。考虑到成本与重量因素，要达到屏效极大值，需要双层屏蔽材料的磁导率达到极大值。

3 磁屏蔽的理论与测试对比

考虑到实践应用，将某光纤陀螺核心部件的磁屏蔽罩设计为内外双层磁屏蔽，同时综合屏蔽层厚度对屏效的影响，设计壁厚为1 mm与2 mm两种规格。

按照国家标准GB/T 12190—2006《电磁屏蔽室性能的检测方法》，对磁屏蔽罩屏蔽效能对空间某点屏蔽前后的磁场进行测量，并按照上述四个公式对其进行近似理论计算，其磁屏蔽效果与外界磁场的关系如图1所示。

从图1中可以看到，计算结果和实验结果有较好的一致性。对结构厚度为1 mm与2 mm的层数组合情况进行静磁分析，发现2 mm双层屏效比单层高了10多倍，且比1 mm的双层屏效也要好较多，可见屏蔽层相对层数多，且较厚屏蔽材料屏效要好多倍。同时，理论值较测试值有好的屏效，且在2 mm双层测试中，理论值比实际测量值要小较多。造成这种差异的原因是漏磁场增大和材料磁化不均匀。考虑到在实践静磁屏蔽中，尽管坡莫合金等高磁导率材料比空气的磁导率高几个数量级，但仍然会存在漏磁。特别是在屏蔽层有孔洞的情况下，漏磁会更加严重。

4 结束语

设计的磁屏蔽罩具有较高的磁屏蔽效能，满足环境静磁场对光纤陀螺的干扰性能要求，同时，实际测试与理论计算具有较好的吻合度，且具有结构简单、容易加工实现的优点，满足系统在机载环境下的应用要求，为其在电磁环境和地磁场等外部磁场环境下的工作提供了可靠保障。

参考文献

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作者简介：李巧燕（1979—），女，工程师，主要从事电磁屏蔽材料与技术的研究工作。

〔编辑：王霞〕

Abstract： In order to solve the high-precision fiber optic gyroscope sensitive issue of the static magnetic field， the design of a multi-layer structure of magnetic shield， and calculate the theoretical analysis of the different structures shield， different thickness of the magnetic field shielding effectiveness. Through experimental test magnetic shield shielding effectiveness， discovery and theoretical results can better fit， effectively reducing the magnetic field sensitivity of fiber optic gyroscope.

Key words： optical gyroscope； magnetic shielding； shielding effectiveness； multilayered shield