高精度光纤陀螺磁屏蔽技术*

田 慧， 梁 璀， 张登伟

(1.浙江大学医学院附属妇产科医院，浙江 杭州 310006；2.浙江大学 光电科学与工程学现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027)

0 引 言

光纤陀螺是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，具有十分重要的战略及战术应用[1,2]。近年来，光纤陀螺通过工艺改进，在敏感环设计、信息处理器设计、光路设计、模型解算研究等方面取得了长足的进步，其在温度、振动等环境适应性方面也取得了重大进展，但随着传感器精度的提升，迫切需要解决磁场及多物理场耦合等问题[3]。

光纤陀螺以光纤线圈为基础敏感元件，利用萨格纳克效应，测量光路的旋转角速度[4]。在实际工作中，外界低频磁场对光纤陀螺的负面影响相当明显，因此人们提出各种方法抑制外界磁场使传感器产生的漂移，设计高效的磁屏蔽结构是其中被广泛采用的一种[5,6]。

本文研究了该类磁屏蔽结构屏蔽效能的影响因素，建立了仿真模型，并对屏蔽效能与屏蔽结构各参数之间的关系进行了分析，提出了一种磁屏蔽结构的设计优化方法。

1 磁屏蔽影响因素的理论分析

影响光纤陀螺磁屏蔽性能的因素包括：屏蔽材料性能、屏蔽结构厚度、屏蔽结构形状、屏蔽结构直径、开孔尺寸、屏蔽结构配合间隙等。

对于高精度光纤陀螺，造成漂移的主要误差来源是工频干扰、地磁场等环境磁场，频率都很低。根据理论分析和实践经验，低频磁场的屏蔽一般采用高初始磁导率的软磁材料，如坡莫合金等。屏蔽原理是利用软磁材料的高磁导率对低频磁场具有分路作用，将磁力线集中在屏蔽结构内部，避免通过屏蔽结构所保护的内部区域[7]，如图1所示。

图1 磁屏蔽原理

磁场分流的机理与电阻分流类似，可用电路方法来等效计算磁屏蔽结构的屏蔽效能[8～10]。设计的结构为类圆柱体形状，对理想的圆柱壳体，其磁屏蔽效能为

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式中SE为磁屏蔽效能，Ha为屏蔽结构内磁场强度，Hb为外界磁场强度，da为圆柱体内直径，db为圆柱体外直径，Ra为空气的等效磁阻，Rb为屏蔽结构的等效磁阻。设l为屏蔽材料厚度，则db=da+l，且已知磁阻R与材料的磁导率μ成反比。可得到，在一定范围内，屏蔽结构的厚度越大，材料磁导率越高，磁屏蔽的效果越好。

然而，磁屏蔽结构不可能为理想的封闭柱体，以本设计为例，结构为类圆柱组合壳体，为容纳光纤陀螺并使其与外界连通，屏蔽结构上具有凹陷和多个开孔，且在实际应用时结构的上下层之间不可避免存在配合间隙，整体结构如图2所示。不规则结构使得磁力线在通过屏蔽结构时受到切割和阻碍，影响了屏蔽结构分流磁阻的能力，影响结果十分明显，不容忽视。

图2 磁屏蔽结构模型

2 磁屏蔽结构参数仿真与分析

磁屏蔽结构的屏蔽效能与其各种结构参数密切相关，纯粹的理论计算无法得到精确的分析结果，利用软件对其进行三维磁场环境仿真分析。

仿真中，利用亥姆霍兹线圈模拟磁场，线圈直径1 m，线圈所在平面与屏蔽器内部中心距离为0.25 m，如图3(a)所示。当100匝线圈内总电流为8 A时，屏蔽器内部(材质设置为空气)平均磁场强度为10 G，如图3(b)所示。

图3 仿真模型

对于高精度光纤陀螺，磁屏蔽结构一般选用高初始磁导率的软磁材料制成，在此选用1J50。考虑到实际应用中磁场方向不单一，设计中对径向磁场和轴向磁场分别进行了仿真。

在各参数的扫描仿真中，采用了控制变量的方法，分别得到了各参数与磁屏蔽结构屏蔽效能之间的关系，如图4所示。

图4 不同参数下的仿真结果

2.1 磁屏蔽材料厚度

磁屏蔽材料采用1J50，结构直径90 mm，上下壳体径向缝隙0 mm、轴向重叠距离mm，大开孔4 mm，凹陷区域深度13 mm。分别取不同厚度值进行仿真，结果如图4(a)所示。

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由图4(a)可见四条曲线分别是磁场方向为径向和轴向时，平均场强以及磁屏蔽效能与厚度的关系。仿真结果表明，在其他条件一定的情况下，磁屏蔽结构的厚度越大，其屏蔽效能就越好，且影响关系较为明显。

2.2 磁屏蔽结构直径

磁屏蔽材料采用1J50，厚度0.5 mm，上下壳体径向缝隙0 mm、轴向重叠距离9 mm，大开孔4 mm，凹陷区域深度13 mm。分别仿真了不同直径大小下的屏蔽效能，结果如图4(b)所示。

由仿真结果表明，当其他参数固定时，磁屏蔽结构的直径越大，其屏蔽效能就越差，因此实际设计屏蔽结构时在保证能够容纳光纤陀螺的前提下可以尽量减小磁屏蔽结构的直径。

2.3 磁屏蔽结构配合间隙

本设计中磁屏蔽结构存在径向和轴向重叠两个主要配合间隙。设置磁屏蔽材料为1J50，厚度0.5 mm，直径90 mm，大开孔4 mm，凹陷区域深度13 mm。分别对两种配合间隙进行仿真，其结果分别如图4(c)和图4(d)所示。

如理论分析所述，间隙的存在会切割和阻碍磁感线在屏蔽材料中的流通，对磁屏蔽效能产生负面的影响，仿真结果与分析一致。从图7和图8中还可以看出，缝隙在由小变大的前期对屏蔽效能的影响较明显，而这部分也恰好处于实际应用时的狭缝尺寸范围内。此外，轴向重叠距离对不同方向磁场下屏蔽效能的影响程度不同，轴向磁场对其更为敏感。

2.4 磁屏蔽结构凹陷深度

为保证传感器工作部分与外界的连通，磁屏蔽结构中设计一个凹陷，对凹陷深度与屏蔽效能的关系进行了仿真，仿真时磁屏蔽材料采用1J50，厚度0.5 mm，直径90 mm，大开孔4 mm，凹陷区域深度13 mm，仿真结果如图4(e)所示。

由图4(e)可见，凹陷部分深度对整体磁屏蔽效能影响并不明显。

2.5 磁屏蔽结构开孔尺寸

对不同开孔尺寸与屏蔽效能的关系进行了仿真，仿真时磁屏蔽材料采用1J50，厚度0.5 mm，缝隙0 mm，重叠距离9 mm，直径90 mm，大开孔4 mm，凹陷区域深度13 mm，仿真结果如图4(f)所示。

3 实验验证

为验证仿真结果的可信度，选择某种参数组合的磁屏蔽结构进行了实测。实测磁屏蔽结构直径为45 mm，壳体厚度0.5 mm，径向缝隙1 mm，轴向重叠距离6 mm，大孔直径4 mm，凹陷部分深度11 mm。测试方法为选取屏蔽罩内部若干个有代表性的空间位置点，外部分别施加10 Gauss的径向和轴向磁场，使用三维高精度霍尔传感器测量对应点的磁场大小并记录。分别计算无磁场和有磁场时测试数据的合成值的平均值B0、B1和标准差S0、S1。通过下式得到待测磁屏蔽罩内部各测试点的剩余磁场百分比

(2)

表1为10G径向和轴向磁场下待测屏蔽结构内部各测试点的测量结果。

表1 在10 Gauss径向和轴向磁场下待测磁屏蔽罩内部测量结果

仿真得到的结果如图5和图6所示。由于空间测试位置有限，且仿真中变化趋势在0.01G数量级，小于霍尔传感器测试数据的噪声水平，实测的变化趋势尚不明确。但对比实测数据与仿真趋势图，可知实测结果与仿真结果数量级相当，排除其他因素影响时，基本可以证明仿真结果有效。

图5 径向磁场下屏蔽结构内磁场分布

图6 轴向磁场下屏蔽结构内磁场分布

4 结 论

本文从实际应用的角度出发，提出了一种高精度光纤传感器磁屏蔽结构的设计与优化方法，从理论分析、建模仿真等方面对磁屏蔽结构的各项参数进行分析，探寻了它们与整体屏蔽效能之间的关系。利用其影响关系可以方便地得到磁屏蔽结构参数并进一步提出结构的优化方法，屏蔽效能可以达到40 dB以上，即外界磁场经屏蔽结构后被衰减为原来的1 %以下，可以满足高精度光纤传感器的实际应用需求。