光纤环圈温度漂移影响因素分析

王树宇

【摘 要】分析了光纤环圈绕制方法、封装工艺和环圈结构对陀螺漂移的影响；提出采用四级对称绕法、选用适合的封装材料和工艺、提高绕纤质量等方案减小陀螺的温度漂移，并通过实验进行验证。

【Abstract】The influence of the coiling method of fibre-optical coils ， packaging technology and ring structure on gyro drift is analyzed. It is proposed that the temperature drift of the gyroscope is reduced by using the four-stage symmetric winding method， selecting the suitable packaging material and technology， improving the quality of the winding fiber， and the experiment is carried out to verify it.

【关键词】光纤环圈；温度漂移；四级对称；环圈封装

【Keywords】 fibre-optical coils； temperature drift； four -stage symmetry； ring encapsulation

【中图分类号】TN253 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0154-02

1 引言

干涉型光纤陀螺由光源、光纤环圈、Y波导、探测器等几部分组成，是根据Sagnac原理，依靠测量在光纤环圈中相向传输的两束光波之间的相位差来敏感运载体的转动角速度。外界环境的变化会影响这种测量的稳定性，使陀螺输出产生漂移误差。其中作用于光纤环圈上的温度梯度和应力等更加直接地影响着光纤陀螺的性能。提高光纤环圈绕制技术可以在一定程度上减小外界环境因素对陀螺信号输出的影响，减小陀螺漂移。本文将从绕制方法、封装和排丝等方面讨论光纤环圈的绕制技术。

2 环圈绕制方法对陀螺漂移的影响

在sagnac干涉仪中，温度梯度会给光纤陀螺带来大的漂移，这种漂移被称为温度漂移（shupe误差）。它是由于光纤折射率和光波长对温度都十分敏感，相向传输的两束光波到达光纤环中某一局部位置时存在一个微小的时间延迟造成。因而在同一温度场内不同时刻对光波产生了不同的影响，最终导致两束光波之间产生非互易性相位。温度梯度分为径向温度梯度和轴向温度梯度两种。根据文献1，时间变化热梯度引起的相位漂移？准T可以表示为

由式（1）可知，轴向温度梯度与所在层数距环圈内侧凸缘的距离及距光纤始端的距离有关，径向温度梯度与距光纤始端的距离有关，由于k1<<1，在温度梯度中径向温度梯度所产生的影响更大。因温度梯度对相反方向传输的光影响时，附加相移有正负之分，所以可以通过改变绕纤结构改变消除附加相移。采用四级对称绕法时，可以相互抵消，在很大程度上消除产生的相位漂移。

理想的四级绕法可以很好抑制陀螺的温度漂移误差产生，但是当四级对称结构为非理性状态时，这种抑制效果会大大降低。图1为完整四级对称工艺的陀螺漂移测试图，图2为非完整的四级对称工艺陀螺漂移測试图（层数为4n-2）。比较两图可以发现，非完整四级对称工艺的陀螺漂移大大高于完整四级工艺的陀螺。

3 环圈封装对陀螺漂移的影响

为了确保在振动环境中环圈具有良好的性能，需要对环圈进行适当的封装。通常的做法是用胶将光纤与光纤以及光纤与骨架粘接在一起，进而成为一个整体。但是，由于胶同光纤和骨架具有不同的热膨胀系数，当外界温度变化时，会产生随时间变化的作用力，作用于光纤，使光纤内部折射率发生变化，产生非互易相位误差，最终导致陀螺产生漂移。漂移的产生取决于所引入的封装材料。具体表现为胶的种类、胶的均匀性和胶的固化程度等。

不同种类的胶具有不同的粘度、模量、硬度和应力松弛曲线等参数。粘度直接影响涂胶的均匀性和胶的浸润程度；模量和硬度决定了胶对光纤作用力的大小；而应力松弛曲线表征胶的模量同时间的关系，即作用于光纤的作用力同时间的关系。因此不同的胶固化后对光纤的作用力是不同的，表现为力的大小和位置不同，力随时间的改变程度不同。作用力的状态不一致，两束光波传输时的相位改变则不同，最终造成非互易相位误差的产生。

封装过程中如果胶的均匀性较差，会造成光纤局部受力过大或者过小，受力的不均匀会导致折射率分布的不均匀，且这种不均匀是随时间而改变的，也会造成在光纤环中相向传输的两束光波之间相位差的产生。

胶的固化程度同样影响陀螺漂移的产生。固化的均匀性和固化率直接决定了固化后胶的模量和应力松弛曲线，因此同样是陀螺漂移产生的重要原因。图3和图4为两种固化状态环圈的漂移测试曲线，图4为均匀固化工艺，明显好于图3的非均匀固化工艺。

4 环圈结构对陀螺漂移的影响

光纤环圈由骨架、光纤和黏结剂等几部分构成，其中骨架的常用材料为铝。光纤陀螺在工作时会产生热量，热能会在最短的时间内通过衬底传导到光纤环圈上。首先衬底上的热能会先到达骨架，然后通过骨架传导给同骨架直接接触的光纤，也就是光纤环圈的最外层光纤，最后再通过光纤自身向内层光纤传导热量并最终达到整体的温度平衡。

由于石英的热传导为3.5*10-4cal/mm·sec·℃，远小于铝的热传导4*10-2cal/mm·sec·℃，环圈内部远离骨架表面光纤的温度变化会明显滞后于同骨架直接接触的光纤的温度变化，这样会造成环圈内部不同层不同区域的光纤之间的温度分布不均，这种温度分布不平衡会造成光纤陀螺在升温或者降温过程中输出信号出现漂移。

采用热传导系数低于或者接近于光纤的材料制作环圈骨架并对骨架结构合理设计可以很好地抑制由升降温导致的光纤环圈内部温度分布不均引起的陀螺温度漂移。如陶瓷的热传导系数为5*10-4cal/mm·sec·℃，非常接近石英的热传导，使得热量从骨架中的传递速度接近于热量从光纤环圈中的传递速度，不会造成热量在接近于骨架的光纤中滞留，环圈内部温度分布趋于平衡，从而降低陀螺在升降温状态下的温度漂移。

将两种材料的环圈装入陀螺系统中测试温度漂移。先将环圈加热升温至60℃，保温一段时间后再降温至25℃，测量环圈在升温和降温过程中的零漂，如图5和图6所示。图5为陶瓷骨架绕制的环圈零漂图，图6为铝骨架，图中T0为降温点。采用陶瓷骨架绕制的环圈，其升温时零漂只有2.25μV，降温时为5.25μV，要明显好于铝骨架环圈的9.35μV。

5 结论

环圈的绕制方法、封装和环圈结构对陀螺的漂移有很大的影响。可以通过采用四级对称绕法绕制光纤环圈、选择适合的封装材料和适当的骨架材料等方案来改善陀螺的漂移性能。

【参考文献】

【1】Sawyer J，Ruffin P B.Inverstigation of the effects of temporal thermal gradients in fiber optic gyroscope sensing coils[J].Opt.Eng.，1997，36（1）：29-34.