基于动态温控的光纤陀螺高温工作控制方案

王刚，万洵，崔志超，谢良平

（中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，陕西 西安 710065）

引言

光纤陀螺以其全固态、高可靠、长寿命的特点在导航、制导、控制、勘探、采掘等领域得到了广泛应用[1-3]。随着光纤陀螺技术的不断突破[4-10]，光纤陀螺产品应用范围的不断扩展和配套系统环境适应性要求的提升，光纤陀螺工作温度范围要求也随之提高。光纤陀螺工作温度的提升主要受制于光路系统，光源作为光路系统中的有源器件，其高温工作时的可靠性和性能稳定是制约光纤陀螺工作温度提高的主要因素。

国内外学者针对光源的高温工作进行了大量研究，研究重点包括：结构优化（如密封）、器件改进（如提高热电控制器的效率）等，这些研究在提高光源工作温度方面起到了重要作用。然而光源高温工作还受到其他方面的影响，包括光源的控制方案、光源在光纤陀螺中的散热环境等。本文研究了光纤陀螺光源控制方案，通过优化控制方案提升了光纤陀螺工作温度。

1 光纤陀螺温度控制型光源工作特性

1.1 工作原理

光纤陀螺主要采用温度控制型超辐射发光二极管作为光源。温度控制型超辐射发光二极管具有输出光功率和波长稳定的优点，其结构如图1 所示。通过热敏电阻检测超辐射发光二极管管芯组件的温度，利用制冷器（热电控制器TEC）进行闭环控制，使超辐射发光二极管管芯组件工作在恒定的温度下。图1 中P 表示电极。

图1 温度控制型超辐射发光二极管产品结构图Fig.1 Structure diagram of temperature-controlled SLD

制冷器对超辐射发光二极管管芯组件的温度进行闭环控制时，一旦管芯温度大于或低于预设温度，制冷器产生电流，利用帕尔贴效应，对管芯组件致冷或者加热。但是，该方法在环境温度与预设温度之差超过制冷器容差极限[11]（通常为60 ℃）时，会导致温控系统失效。在工程应用中，通常将光纤陀螺中超辐射发光二极管管芯组件的预设温度设置为25 ℃，因此，光纤陀螺产品的高温工作温度通常不超过85 ℃。

1.2 光源输出平均波长和预设温度之间的关系

光源发光芯片发光波长λ可表达为

式中：h为常量；c为光速；Eg(0)为温度0 K 时禁带宽度；α为温度系数；β为常数；T为光源发光芯片的温度。

通过式（1）可以计算出理想情况下光源的发光波长和预设温度间的关系，如图2 所示。

图2 输出光平均波长与预设温度Fig.2 Average wavelength versus preset temperature

使用某型光源，超辐射发光二极管恒流驱动电流电流为100 mA，设定不同的预设温度，测试超辐射发光二极管输出光的平均波长[12]。

由图2 可知，在一定的温度范围（20 ℃～40 ℃）内，光源输出光的平均波长随着预设温度的升高而变大，两者基本呈线性关系，可表达为

式中：λ为平均波长；TS为预设温度；a、b为拟合系数。

2 高温工作控制方案

2.1 控制方案

根据1.1 节的分析，光纤陀螺的工作温度范围为[TL，TH]，建立温度区间为[25 ℃-Tt，25 ℃+Tb]，设计基于动态温度控制的光纤陀螺高温工作控制方案：光纤陀螺环境温度TE低于TL时，设定预设温度TS为25-Tb（相对25 ℃偏低），光纤陀螺环境温度TE高于TH时，设定预设温度TS为25+Tt（相对25 ℃偏高）；中间温度点的预设温度TS按照式（3）进行设定：

基于动态温度控制的光纤陀螺高温工作控制方案，降低了环境温度和预设温度之间的差值，可以提高光纤陀螺产品高温工作温度，降低高温、低温工作时用于温度控制的产品功耗。

2.2 平均波长对光纤陀螺标度因数的影响分析

光纤陀螺标度因数K可表示[13-14]为

式中：H为光纤陀螺增益系数；S为光纤环包围的等效面积；λ为平均波长；c为光速。

对式（4）进行微分得到：

当光纤陀螺的环境温度升高时：

1）光纤环包围的等效面积变大，由式（5）可知光纤陀螺标度因数增大，标度因数和光纤环包围等效面积成正相关关系；

2）由式（3）可知预设温度升高，由式（1）可知光源输出光平均波长变大，由式（6）可知刻度系数变小，标度因数和光源输出光平均波长成负相关关系。

因此，根据基于式（3）的基于动态温控的高温工作控制方案，能够抵消光纤环等效包围面积随温度变化对标度因数的影响。

3 试验研究与分析

3.1 试验说明

试验样品：某型单轴闭环光纤陀螺；

试验样品工作温度范围：-45 ℃～75 ℃；

常规温度控制方案：采用25 ℃恒定温度点进行温度控制；

动态温度控制方案：按照2.1 节的方法进行温度控制，取TH=75 ℃，TL=-45 ℃，Tt=30 ℃，Tb=20 ℃；

高温工作测试方法：单轴闭环光纤陀螺放置在温箱内，温箱设置为1 ℃/min 的升温速率，温箱升温时开始测试，输出数据出现异常的大数后产品断电，停止试验；

标度因数的测试方法：将单轴闭环光纤陀螺通过工装固定在温箱内的转台上，温箱温度到达设定温度并保温2 h后，进行按照GJB2426A-2004 的方法进行标度因数的测试[15]。

3.2 高温工作

常规温控方案高温工作测试结果如图3 所示。

温箱温度为75 ℃时，光纤陀螺功耗为2.7 W。

温箱温度为90.0 ℃时，光纤陀螺输出数据出现异常大数，检查产品输出故障信息为光源失控，表明光纤陀螺到达了高温工作的温度极限。

动态温控方案的高温试验结果如图4 所示。

图4 动态温控方案时升温条件下产品输出数据Fig.4 Output data of gyro under dynamic temperature control at rising temperature

温箱温度为75 ℃时，光纤陀螺功耗为2.4 W。温箱温度为94.8 ℃时，光纤陀螺输出数据出现异常大数，检查产品输出故障信息为光源失控，表明光纤陀螺到达了高温工作的温度极限。

3.3 标度因数

采用常规温控方案和动态温控方案，分别测试同一只单轴闭环光纤陀螺在-45 ℃、-15 ℃、15 ℃、45 ℃、75 ℃共5 个温度点的标度因数，产品的测试结果如图5 所示。

图5 不同控制方案下标度因数随温度变化Fig.5 Scale factor varies with temperature under different control schemes

3.4 试验分析

对比试验的结果汇总如表1 所示。

表1 常规温控方案和动态温控方案试验结果对比Table 1 Comparison of test results between conventional temperature control scheme and dynamic temperature control scheme

由表1 可知，采用动态温控方案，光纤陀螺的工作温度高温极限相比常规的温控方案提高约5 ℃，高温75 ℃工作时产品的功耗降低了0.3 W；光纤陀螺在动态温控方案下未经补偿标度因数随温度的最大变化量相比常规温控方案降低71%。

4 结论

本文研究了影响光纤陀螺工作温度提升的主要限制因素，提出了动态温度控制的方案。通过理论分析和试验研究证明光纤陀螺采用动态温度控制方案能够提高产品高温工作时的温度，降低产品高温工作时的功耗，还可以降低产品标度因数随温度的变化量，具有重要的工程应用价值。