光纖陀螺的熱分析與熱設計方法

第16卷第6期中國慣性技術(shù)學(xué)報Vol 16 No 62008年12月Journal of Chinese Inertial Technology文章編號:1005-6734(2008)06-072505光纖陀螺的熱分析與熱設計方法賈明,晁代宏,張春熹(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100083摘要:光纖陀螺隨溫度變化產(chǎn)生的熱噪聲及熱致非互易性相移誤差直接影響其使用精度。為解決溫度問(wèn)題,分析了光纖陀蝶工作的熱環(huán)境,根據光纖陀螺的體積功率密度選擇了自然冷卻方法,包括導熱、自然對流和輻射換熱的單獨作用或組合。通過(guò)分析光纖線(xiàn)圈及其他光電器件的溫度特性及溫度變化產(chǎn)生誤差的機理,指出熱設計的目的是控制光纖陀螺內部的溫度場(chǎng)分布及最髙溫度,并對光纖陀螺的熱設計方法進(jìn)行研究,包括光纖線(xiàn)圈的熱設計、光電器件的安裝方式、控制電路的熱設計等,由最后熱仿真與測試結果可知,熱設計方法合理可行,關(guān)鑣詞:光纖;光纖陀螺;熱分析;熱設計中圖分類(lèi)號:U6661文獻標志碼: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光纖陀螺是一種用來(lái)檢測載體運動(dòng)角速度的傳感器,利用光學(xué)上的薩格奈克效應與光纖傳輸原理,克服了機電陀螺與激光陀螺的一系列缺點(diǎn),被廣泛應用于航天、航空、航海、石油勘探等領(lǐng)域{光纖陀螺作為光機電一體化的傳感器,溫度對性能的影響是不可忽視的4首先,作為敏感元件的光纖線(xiàn)圈,在溫度變化時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱致“非互易性”相移,導致陀螺輸出誤差;其次,傳感器的不同結構也會(huì )隨著(zhù)溫度的變化發(fā)生變形,進(jìn)而擠壓到光纖線(xiàn)圈,從而產(chǎn)生誤差;另外,任何具有電阻的光電器件都是一個(gè)內部熱源,當傳感器工作時(shí),器件本身溫度會(huì )有所上升,從而影響到器件的性能與工作可靠性,同時(shí)這種溫度變化還會(huì )影響到傳感器其它部分的溫度。因此,對光纖陀螺進(jìn)行必要的熱分析與熱設計是保證光纖陀螺具有良好熱穩定性的關(guān)鍵光纖陀螺組成目前光纖陀螺普遍采用干涉式閉環(huán)方案,單軸陀螺的結構組成如圖信號由光源出發(fā),經(jīng)耦合器一分為二束傳輸到Y波導,另一束傳到空端.Y波導將其輸入光分成順時(shí)H中國煤化工千線(xiàn)圈。從光纖線(xiàn)圈收稿日期:2008-09-22;修回日期:2008-11-25CNMHG基金項目:國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2007AA06Z101);航空科學(xué)基金(2007ZC5106作者簡(jiǎn)介:賈明(1978—),男,講師,研究方向為光纖陀螺技術(shù)。E-mail:jiaming@buaaedu.cn中因慣性技術(shù)學(xué)報第16卷返回的光在Y波導公共端桕遇,發(fā)生干涉,干涉后的光經(jīng)耦合器后到達探測器,轉換為電信號進(jìn)入檢測控制電路,信號處理后對Y波導進(jìn)行調制,同時(shí)輸出角速率信息。設順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸的兩束光的光強為l,則干涉輸出為:=(+cos(△頭+△+△4)(1)式中,△中為 Sagnac相移,△中為調制相移,4為反耦合器導纖線(xiàn)圈饋相移, Sagnac相移△由轉動(dòng)角速率引起,計算公式為:測器(2)控制電路式中,D為光纖線(xiàn)圈直徑,L為光纖長(cháng)度,A為光在真空中的中心波長(cháng),c為光在光纖中的傳輸速度,為轉動(dòng)角速率。圖1光纖陀螺的組成ig. I Constitution of fiber optic gyroscope光纖陀螺熱分析2.1熱環(huán)境慣導產(chǎn)品的應用背景決定了光纖陀螺工作的外部熱環(huán)境,包括極熱(+60℃)、極冷(-40℃)、濕熱、真空、輻射快速溫變等各種惡劣環(huán)境。不同的熱環(huán)境,給光纖陀螺提供了不同的外部散熱條件地面、艦船用光纖陀螺的外表面存在自然對流,同時(shí)結構支承件也可以作為散熱介質(zhì);機載光纖陀螺在高空時(shí),自然對流的換熱量隨空氣密度的降低而降低,而且結構支承件的傳導換熱也有所減少;航天及彈用光纖陀螺的熱環(huán)境包括發(fā)射前與發(fā)射后兩種,發(fā)射前自然對流可以起散熱作用,而發(fā)射后在真空的條件下只能依靠傳導與輻射進(jìn)行散熱。22冷卻方法的選擇光纖陀蝶冷卻方法的選擇與熱環(huán)境有關(guān),同時(shí)還要考慮下列因素:熱流密度、體積功率密度、總功耗、表面積、體積、熱沉等。由于光纖陀螺同時(shí)具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn),所以冷卻方案應與體積功率密度大小相適應。不同精度等級的單軸光纖陀螺體積約為15~6×104m3,在全溫40~+60℃條件下的總功耗小于2W,因此單軸光纖陀螺的體積功率密度約為33~133kWm3,在此范圍內選擇白然冷卻方法是適合的5,這種冷卻方法包括導熱、自然對流和輻射換熱的單獨作用或兩種以上換熱形式的組合。自然冷卻方法還可以使陀螺的可靠性高、結構緊湊。2.3光纖線(xiàn)圈的溫度特性光纖陀螺的光纖線(xiàn)圈中反向傳輸的光會(huì )產(chǎn)生熱致非互易相移( Shupe誤差)6,主要表現在1)由于環(huán)境溫度的變化,導致纖芯折射率發(fā)生變化。對于石英纖芯,折射率Y(快軸)隨溫度的變化率約為103℃2)纖芯區各向異性應力的改變。以熊貓光纖為例,它是基于應力雙折射的原理制成的,截面如圖2所示。圖2中a為高摻雜石英棒,b為纖芯,c為包層,d為X(慢軸)光纖涂覆。由于a與c的熱膨脹系數不同,當溫度變化時(shí),a與c的熱應變和泊松比不同,導致纖芯區的各向異性應力改變。3)溫度變化引起光纖微彎。由于光纖涂覆的熱膨脹系數大于石英材料1~2個(gè)數丘級,涂覆的膨脹量或收縮量大于光纖,就會(huì )引起光纖出現微彎現象。微彎使光圖2光纖截面纖受到彎曲應力,其大小取決于曲率半徑的大小。Fig 2 Section of fiber應力的改變導致折射率發(fā)生變化,進(jìn)而影響到光在光纖中的傳輸速度,產(chǎn)生相位調制,從而帶來(lái)檢測誤差。為了減小誤差,需要使光纖線(xiàn)圈的溫度場(chǎng)分布均勻,降低溫度變化率,反向傳輸的光經(jīng)過(guò)相同的相位調制2.4光源的溫度特性中國煤化工理論上,在閉環(huán)光纖陀螺中,光源輸出功率的變化可以忽略。CNMHG學(xué)元器件的分光性能不穩定,使得光功率的變化直接反映到陀螺的輸出信號變化中,從而產(chǎn)生強度噪聲,影響陀螺精度。為了減小瑞利散射和偏振交叉等噪聲,同時(shí)抑制與干涉現象有關(guān)的克爾非線(xiàn)性效應,一般采用相干長(cháng)度短的寬帶光源,如半導體超發(fā)光二極管(SLD).然而常用的SLD光源的波長(cháng)溫度因數約3~4×10℃,因此,溫度的變化會(huì )導致與波長(cháng)成比例的標度第6期賈明等:光纖陀螺的熱分析與熱設計方法因數的改變。為保證光源的光功率與波長(cháng)穩定性,一般對光源都要進(jìn)行單獨的溫度控制和光功率控制2.5探測器的溫度特性光纖陀螺用探測器一般為高靈敏度的PIN-FET單片集成組件,探測器對光纖陀螺影響較大的指標是檢測靈敏度。探測器的噪聲同樣受到溫度影響,主要的熱噪聲是被放大了的PN光電二極管的散粒噪聲和熱噪聲,以及FET場(chǎng)效應晶體管前置放大電路自身的噪聲2.6Y波導的溫度特性Y波導是集偏振器、分束器、相位調制器于一體的多功能集成光學(xué)器件,其參數較多,如消光比、分束比、半波電等。其中,Y波導的消光比、分束比將隨溫度有一定的波動(dòng),從而直接影響探測器接收信號的強度大小,進(jìn)而影響陀螺的測量精度。另外,溫度對集成光學(xué)相位調制器的2π相位調制電壓產(chǎn)生影響,而2π相位調制電壓對光纖陀螺標度因數的精度、非線(xiàn)性度和對稱(chēng)性又產(chǎn)生影響2.7耦合器的溫度特性耦合器的分束比與消光比會(huì )隨溫度有一定變化。分束比誤差大的陀螺,干涉光強對比度下降,不僅影響光纖陀螺的精度,還會(huì )引起光克爾效應產(chǎn)生零位偏置誤差?？傊?光纖陀螺工作的熱環(huán)境差異很大,在選擇自然冷卻這種方法時(shí),還要根據具體的熱環(huán)境合理利用熱量傳遞的不同形式,即導熱、自然對流和輻射換熱。另外,光纖陀螺是結構緊湊全密閉的精密傳感器,內部各器件對溫度的要求都相對苛刻,且間距非常小,這種結構及應用上的特點(diǎn)決定了其在熱設計上會(huì )有更高的要求。3光纖陀螺熱設計光纖陀螺熱設計目的是控制光纖陀螺內部光纖線(xiàn)圈、光學(xué)器件、電子器件的溫度,使其在所處的工作環(huán)境條件下具有合理的溫度場(chǎng)分布,電子器件溫度不超過(guò)規定的最高允許溫度。合理的溫度場(chǎng)分布依賴(lài)于光纖線(xiàn)圈與光學(xué)器件的溫度特性分析、陀螺的精度、尺寸與重量限制。最高允許溫度的計算應以電子器件的應力分析為基礎,并且與可靠性的要求以及分配給每一個(gè)電子器件的失效率相一致。熱設計應與其它設計(電氣設計、結構設計、可靠性設計等)同時(shí)進(jìn)行,當出現矛盾時(shí),應進(jìn)行權衡分析,折衷解決,但不得損害光纖陀螺的光學(xué)與電氣性能,并符合可靠性要求,使光纖陀螺的壽命周期費用降至最低3.1光纖線(xiàn)圖的熱設計溫度穩定、均勻是線(xiàn)圈的最佳工作狀態(tài),但由于熱環(huán)境的溫度變化,溫度梯度是不可避免的,因此需要設計合理的溫度梯度方向。目前普遍采用的四極對稱(chēng)繞法,使距離中點(diǎn)相同的兩點(diǎn)在同一個(gè)線(xiàn)圈橫截面上,且分別在過(guò)中點(diǎn)與線(xiàn)圈軸線(xiàn)的縱截面兩側,與軸線(xiàn)的距離相差一層光纖直徑,如圖3所示,A、B點(diǎn)分別與A′、B′點(diǎn)為對稱(chēng)點(diǎn)。線(xiàn)圈的軸向溫度梯度會(huì )使對稱(chēng)點(diǎn)產(chǎn)生桕同的相位調制,而徑向溫度梯度會(huì )產(chǎn)生不同的相位調制。因此,線(xiàn)圈的設計應盡量實(shí)現光纖線(xiàn)圈線(xiàn)圈纏繞方向過(guò)線(xiàn)圈中點(diǎn)的縱截面的軸向溫度梯度分布。圖3光纖線(xiàn)圈的對稱(chēng)點(diǎn)進(jìn)一步分析可知,當存在徑向溫度梯度時(shí),第+1層的光纖相對于第n層Fig3 Symmetry point of fiber coil會(huì )有溫度差,雖然第n+2層的光纖相對于第n+3層會(huì )有相反方向的溫度差,但由于溫度梯度的非線(xiàn)性,且第n層與第n3層的長(cháng)度并不相同,光纖線(xiàn)圈所以沿光纖長(cháng)度積分還是會(huì )帶來(lái)較大誤差。因此,設計光纖線(xiàn)圈的骨架結構時(shí),應減少徑向的傳熱如圖4所示,前一種骨架結構(可認為是無(wú)骨架)的溫度性國煤化工能優(yōu)于后一種骨架結構。EH2NMHG骨架材料的選擇也很重要,比較常溫下硬鋁骨架、石英光纖骨架骨架的熱平衡時(shí)間可知,在同一外界溫度、器件發(fā)熱率相同、圖4骨架結構形式骨架間熱阻相同的條件下,由于硬鋁導熱系數較大而熱容較Fig 4 Frame structural style中國慣性技術(shù)學(xué)報小,能使光纖骨架較快達到熱平衡,骨架內外壁溫差接近為0;相反,石英導熱系數較小而熱容較大,光纖骨架達到熱平衡較慢,平衡后內外仍存在溫差。因此,在溫度不變的環(huán)境中工作時(shí),可選擇導熱系數較大的材料,以迅速達到熱平衡,縮短光纖陀螺的啟動(dòng)時(shí)間。而在溫度變化的環(huán)境中,選擇導熱系數較小的材料,以減少溫度沖擊。對于單軸光纖陀螺,為了有效利用體積重量,光纖骨架也可能成為支承其他器件與電路部分的結構件。對于多軸光纖陀螺,繞好光纖線(xiàn)圈的光纖骨架可以看成是一個(gè)器件進(jìn)行布局熱設計。3.2結構布局的熱設計結構布局的熱設計是對光纖陀螺內部的熱管理。對于光源、控制電路這些發(fā)熱部分,一是要為其設計良好的散熱通路,將熱流通路直接連接到熱沉(光纖陀螺外殼或安裝底板),并提供光滑平整的接觸表面與接觸壓力;二是要減少對其他器件的干擾。對于探測器、Y波導、耦合器、光纖線(xiàn)圈這些無(wú)源器件,應盡量減少溫度波動(dòng),減少高溫元器件帶來(lái)的影響,必要時(shí)應采取熱屏蔽措施,形成熱區和冷區,保護對溫度敏感的器件。3.3外部散熱通路的熱設計光纖陀蝶向外散熱主要有兩個(gè)途徑,一個(gè)是外殼,另一個(gè)是安裝接觸面。外殼是接受內部熱量,并通過(guò)對流或輻射將其散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去的一個(gè)重要結構。外殼兩側均為高黑度時(shí)的散熱效果優(yōu)于只是一側高黑度時(shí)的散熱效果,提高外表面的黑度是降低外殼表面溫度的有效方法。當存在自然對流條件時(shí),對流換熱起主要作用,此時(shí)應適當增大外殼的散熱表面積,以滿(mǎn)足最大熱流密度不超過(guò)0039W/cm2的限制為減少接觸熱阻,可設計較大面積的安裝接觸面,同時(shí)安裝接觸面應保證平面度與粗糙度,并選擇材質(zhì)較軟的材料3.4控制電路的熱設計控制電路的熱設計包括兩方面內容,一是對器件布局及散熱方式的設計;二是控制電路板向外的散熱設計。由于光纖陀螺內部器件密集,對流與輻射幾乎不起作用,只能通過(guò)傳導進(jìn)行散熱。器件在傳導冷卻的印制電路板上的安裝方式,應能使器件到印制電路板上的熱阻值較小。由于金屬的導熱系數高,故可用薄金屬板散熱器覆蓋印制電路板。對需要絕緣的器件,可在安裝時(shí)使用氧化鈹墊片等傳熱性能好的電絕緣體電路板在固定時(shí),應設計較大的接觸面,加大接觸表面之間的壓力,在接觸表面之間墊以導熱襯墊、導熱脂或導熱音等介質(zhì)。對可更換的插入式印制板,利用導軌可以實(shí)現傳熱,以楔形導軌的熱阻為最小。4熱仿真分析硬鋁骨架光纖線(xiàn)圈是光纖陀螺的敏感元件,可以通過(guò)熱仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)38行定量分析,選擇高溫60℃和低溫-40℃的條件下進(jìn)行仿真分析。石英骨架基于如圖4所示的骨架結構,后一種骨架結構采用兩種不同材料,分析光纖所受熱應力的大小,并轉換成折射率差來(lái)衡量光纖線(xiàn)圈無(wú)溫度特性,如圖5所示由此可知,無(wú)骨架光纖線(xiàn)圈的熱致應力都是最小的。石英骨架與硬鋁骨架在高低溫時(shí)表現的性能有所不同,這主要是因為材光纖層數料的膨脹系數不同,從而產(chǎn)生對光纖的不同擠壓,通過(guò)理論分析圖5(a)60℃時(shí)的折射率差Fig. 5. (a) Difference of refractive index at 60C可以驗證這一點(diǎn)。石英骨架5實(shí)本實(shí)驗主要目的是驗證無(wú)骨架光纖線(xiàn)圈在溫度變化時(shí)對輸出噪5研們架一聲的改善。環(huán)境溫度變化范圍為40~+60℃,變溫速率為1℃中國煤化工如圖6a所示為某型號陀螺使用硬鋁骨架時(shí)的信號輸出,如圖6CNMHG示為將該硬鋁骨架的中間及上沿結構拆掉后的無(wú)骨架時(shí)的信號輸出。光纖層數由實(shí)驗可以看出,無(wú)骨架光纖線(xiàn)圈在溫循中性能有所改善,尤圖5(b)-40℃時(shí)的折射率差其是在高溫下,偏振噪聲和奇點(diǎn)大大減少Fig 5(b) Difference of refractive index at-40C賈明等:光纖陀螺的熱分析與熱設計方法6結束語(yǔ)通過(guò)分析光纖陀螺的應用背景與工作熱環(huán)境,選擇了自然冷卻方法進(jìn)行散0400080001200016000200000001600020000熱設計。由于陀螺可靠性要圖6(a)硬鋁骨架時(shí)的信號輸出圖6b)無(wú)骨架時(shí)的信號輸出求高,且內部器件密度高Fig 6(a) Signal output with duralium frameFig 6(b)Signal output without frame所以?xún)炔康膫鳠嵬緩揭詡鲗橹?不宜采用對流散熱。通過(guò)分析光纖線(xiàn)圈及其他光電器件的溫度特性,指出熱設計的目的是控制光纖陀螺內部的度場(chǎng)分布及光電器件的最高溫度。器件安裝方式及控制電路的熱設計在參考其他電子設備設計的同時(shí),還應考慮到光纖陀螺是光機電一體化的特殊設備。尤其對于光纖線(xiàn)圈這一轉動(dòng)角速率敏感元件,還應考慮溫度梯度方向。由熱仿真與實(shí)驗測試結果可知,光纖線(xiàn)圈的熱設計至關(guān)重要,無(wú)骨架的光纖線(xiàn)圈可以實(shí)現較理想的軸向溫度梯度,陀螺性能好。參考文獻( References)[1]Herve C Lefevre. The Fiber-optic gyroscope[M]. 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