第16卷第6期中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)Vol 16 No 62008年12月Journal of Chinese Inertial Technology文章編號(hào):1005-6734(2008)06-072505光纖陀螺的熱分析與熱設(shè)計(jì)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。為解決溫度問題,分析了光纖陀蝶工作的熱環(huán)境,根據(jù)光纖陀螺的體積功率密度選擇了自然冷卻方法,包括導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú)作用或組合。通過分析光纖線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(jī)理,指出熱設(shè)計(jì)的目的是控制光纖陀螺內(nèi)部的溫度場分布及最髙溫度,并對(duì)光纖陀螺的熱設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,包括光纖線圈的熱設(shè)計(jì)、光電器件的安裝方式、控制電路的熱設(shè)計(jì)等,由最后熱仿真與測試結(jié)果可知,熱設(shè)計(jì)方法合理可行,關(guān)鑣詞:光纖;光纖陀螺;熱分析;熱設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):U6661文獻(xiàn)標(biāo)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檢測載體運(yùn)動(dòng)角速度的傳感器,利用光學(xué)上的薩格奈克效應(yīng)與光纖傳輸原理,克服了機(jī)電陀螺與激光陀螺的一系列缺點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、石油勘探等領(lǐng)域{光纖陀螺作為光機(jī)電一體化的傳感器,溫度對(duì)性能的影響是不可忽視的4首先,作為敏感元件的光纖線圈,在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱致“非互易性”相移,導(dǎo)致陀螺輸出誤差;其次,傳感器的不同結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生變形,進(jìn)而擠壓到光纖線圈,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(nèi)部熱源,當(dāng)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(duì)光纖陀螺進(jìn)行必要的熱分析與熱設(shè)計(jì)是保證光纖陀螺具有良好熱穩(wěn)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(jié)構(gòu)組成如圖信號(hào)由光源出發(fā),經(jīng)耦合器一分為二束傳輸?shù)結(jié)波導(dǎo),另一束傳到空端.Y波導(dǎo)將其輸入光分成順時(shí)H中國煤化工千線圈。從光纖線圈收稿日期:2008-09-22;修回日期:2008-11-25CNMHG基金項(xiàng)目:國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA06Z101);航空科學(xué)基金(2007ZC5106作者簡介:賈明(1978—),男,講師,研究方向?yàn)楣饫w陀螺技術(shù)。E-mail:jiaming@buaaedu.cn中因慣性技術(shù)學(xué)報(bào)第16卷返回的光在Y波導(dǎo)公共端桕遇,發(fā)生干涉,干涉后的光經(jīng)耦合器后到達(dá)探測器,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)入檢測控制電路,信號(hào)處理后對(duì)Y波導(dǎo)進(jìn)行調(diào)制,同時(shí)輸出角速率信息。設(shè)順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)膬墒獾墓鈴?qiáng)為l,則干涉輸出為:=(+cos(△頭+△+△4)(1)式中,△中為 Sagnac相移,△中為調(diào)制相移,4為反耦合器導(dǎo)纖線圈饋相移, Sagnac相移△由轉(zhuǎn)動(dòng)角速率引起,計(jì)算公式為:測器(2)控制電路式中,D為光纖線圈直徑,L為光纖長度,A為光在真空中的中心波長,c為光在光纖中的傳輸速度,為轉(zhuǎn)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(dǎo)產(chǎn)品的應(yīng)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(duì)流,同時(shí)結(jié)構(gòu)支承件也可以作為散熱介質(zhì);機(jī)載光纖陀螺在高空時(shí),自然對(duì)流的換熱量隨空氣密度的降低而降低,而且結(jié)構(gòu)支承件的傳導(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(yīng)與體積功率密度大小相適應(yīng)。不同精度等級(jí)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(nèi)選擇白然冷卻方法是適合的5,這種冷卻方法包括導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú)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(jié)構(gòu)緊湊。2.3光纖線圈的溫度特性光纖陀螺的光纖線圈中反向傳輸?shù)墓鈺?huì)產(chǎn)生熱致非互易相移( Shupe誤差)6,主要表現(xiàn)在1)由于環(huán)境溫度的變化,導(dǎo)致纖芯折射率發(fā)生變化。對(duì)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(qū)各向異性應(yīng)力的改變。以熊貓光纖為例,它是基于應(yīng)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(shù)不同,當(dāng)溫度變化時(shí),a與c的熱應(yīng)變和泊松比不同,導(dǎo)致纖芯區(qū)的各向異性應(yīng)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(shù)大于石英材料1~2個(gè)數(shù)丘級(jí),涂覆的膨脹量或收縮量大于光纖,就會(huì)引起光纖出現(xiàn)微彎現(xiàn)象。微彎使光圖2光纖截面纖受到彎曲應(yīng)力,其大小取決于曲率半徑的大小。Fig 2 Section of fiber應(yīng)力的改變導(dǎo)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(diào)制,從而帶來檢測誤差。為了減小誤差,需要使光纖線圈的溫度場分布均勻,降低溫度變化率,反向傳輸?shù)墓饨?jīng)過相同的相位調(diào)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(wěn)定,使得光功率的變化直接反映到陀螺的輸出信號(hào)變化中,從而產(chǎn)生強(qiáng)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(xiàn)象有關(guān)的克爾非線性效應(yīng),一般采用相干長度短的寬帶光源,如半導(dǎo)體超發(fā)光二極管(SLD).然而常用的SLD光源的波長溫度因數(shù)約3~4×10℃,因此,溫度的變化會(huì)導(dǎo)致與波長成比例的標(biāo)度第6期賈明等:光纖陀螺的熱分析與熱設(shè)計(jì)方法因數(shù)的改變。為保證光源的光功率與波長穩(wěn)定性,一般對(duì)光源都要進(jìn)行單獨(dú)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(duì)光纖陀螺影響較大的指標(biāo)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場效應(yīng)晶體管前置放大電路自身的噪聲2.6Y波導(dǎo)的溫度特性Y波導(dǎo)是集偏振器、分束器、相位調(diào)制器于一體的多功能集成光學(xué)器件,其參數(shù)較多,如消光比、分束比、半波電等。其中,Y波導(dǎo)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(hào)的強(qiáng)度大小,進(jìn)而影響陀螺的測量精度。另外,溫度對(duì)集成光學(xué)相位調(diào)制器的2π相位調(diào)制電壓產(chǎn)生影響,而2π相位調(diào)制電壓對(duì)光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的精度、非線性度和對(duì)稱性又產(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(qiáng)對(duì)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(yīng)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(jù)具體的熱環(huán)境合理利用熱量傳遞的不同形式,即導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱。另外,光纖陀螺是結(jié)構(gòu)緊湊全密閉的精密傳感器,內(nèi)部各器件對(duì)溫度的要求都相對(duì)苛刻,且間距非常小,這種結(jié)構(gòu)及應(yīng)用上的特點(diǎn)決定了其在熱設(shè)計(jì)上會(huì)有更高的要求。3光纖陀螺熱設(shè)計(jì)光纖陀螺熱設(shè)計(jì)目的是控制光纖陀螺內(nèi)部光纖線圈、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分布,電子器件溫度不超過規(guī)定的最高允許溫度。合理的溫度場分布依賴于光纖線圈與光學(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(jì)算應(yīng)以電子器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ),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(shè)計(jì)應(yīng)與其它設(shè)計(jì)(電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等)同時(shí)進(jìn)行,當(dāng)出現(xiàn)矛盾時(shí),應(yīng)進(jìn)行權(quán)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(fèi)用降至最低3.1光纖線圖的熱設(shè)計(jì)溫度穩(wěn)定、均勻是線圈的最佳工作狀態(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(shè)計(jì)合理的溫度梯度方向。目前普遍采用的四極對(duì)稱繞法,使距離中點(diǎn)相同的兩點(diǎn)在同一個(gè)線圈橫截面上,且分別在過中點(diǎn)與線圈軸線的縱截面兩側(cè),與軸線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(duì)稱點(diǎn)。線圈的軸向溫度梯度會(huì)使對(duì)稱點(diǎn)產(chǎn)生桕同的相位調(diào)制,而徑向溫度梯度會(huì)產(chǎn)生不同的相位調(diào)制。因此,線圈的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)光纖線圈線圈纏繞方向過線圈中點(diǎn)的縱截面的軸向溫度梯度分布。圖3光纖線圈的對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)一步分析可知,當(dāng)存在徑向溫度梯度時(shí),第+1層的光纖相對(duì)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(duì)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性,且第n層與第n3層的長度并不相同,光纖線圈所以沿光纖長度積分還是會(huì)帶來較大誤差。因此,設(shè)計(jì)光纖線圈的骨架結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)減少徑向的傳熱如圖4所示,前一種骨架結(jié)構(gòu)(可認(rèn)為是無骨架)的溫度性國煤化工能優(yōu)于后一種骨架結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)形式骨架間熱阻相同的條件下,由于硬鋁導(dǎo)熱系數(shù)較大而熱容較Fig 4 Frame structural style中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)小,能使光纖骨架較快達(dá)到熱平衡,骨架內(nèi)外壁溫差接近為0;相反,石英導(dǎo)熱系數(shù)較小而熱容較大,光纖骨架達(dá)到熱平衡較慢,平衡后內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)較大的材料,以迅速達(dá)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(dǎo)熱系數(shù)較小的材料,以減少溫度沖擊。對(duì)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(jié)構(gòu)件。對(duì)于多軸光纖陀螺,繞好光纖線圈的光纖骨架可以看成是一個(gè)器件進(jìn)行布局熱設(shè)計(jì)。3.2結(jié)構(gòu)布局的熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局的熱設(shè)計(jì)是對(duì)光纖陀螺內(nèi)部的熱管理。對(duì)于光源、控制電路這些發(fā)熱部分,一是要為其設(shè)計(jì)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(duì)其他器件的干擾。對(duì)于探測器、Y波導(dǎo)、耦合器、光纖線圈這些無源器件,應(yīng)盡量減少溫度波動(dòng),減少高溫元器件帶來的影響,必要時(shí)應(yīng)采取熱屏蔽措施,形成熱區(qū)和冷區(qū),保護(hù)對(duì)溫度敏感的器件。3.3外部散熱通路的熱設(shè)計(jì)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(nèi)部熱量,并通過對(duì)流或輻射將其散發(fā)到周圍環(huán)境中去的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)。外殼兩側(cè)均為高黑度時(shí)的散熱效果優(yōu)于只是一側(cè)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(dāng)存在自然對(duì)流條件時(shí),對(duì)流換熱起主要作用,此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大外殼的散熱表面積,以滿足最大熱流密度不超過0039W/cm2的限制為減少接觸熱阻,可設(shè)計(jì)較大面積的安裝接觸面,同時(shí)安裝接觸面應(yīng)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(shè)計(jì)控制電路的熱設(shè)計(jì)包括兩方面內(nèi)容,一是對(duì)器件布局及散熱方式的設(shè)計(jì);二是控制電路板向外的散熱設(shè)計(jì)。由于光纖陀螺內(nèi)部器件密集,對(duì)流與輻射幾乎不起作用,只能通過傳導(dǎo)進(jìn)行散熱。器件在傳導(dǎo)冷卻的印制電路板上的安裝方式,應(yīng)能使器件到印制電路板上的熱阻值較小。由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)高,故可用薄金屬板散熱器覆蓋印制電路板。對(duì)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(yīng)設(shè)計(jì)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(dǎo)熱襯墊、導(dǎo)熱脂或?qū)嵋舻冉橘|(zhì)。對(duì)可更換的插入式印制板,利用導(dǎo)軌可以實(shí)現(xiàn)傳熱,以楔形導(dǎo)軌的熱阻為最小。4熱仿真分析硬鋁骨架光纖線圈是光纖陀螺的敏感元件,可以通過熱仿真技術(shù)來進(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(jié)構(gòu),后一種骨架結(jié)構(gòu)采用兩種不同材料,分析光纖所受熱應(yīng)力的大小,并轉(zhuǎn)換成折射率差來衡量光纖線圈無溫度特性,如圖5所示由此可知,無骨架光纖線圈的熱致應(yīng)力都是最小的。石英骨架與硬鋁骨架在高低溫時(shí)表現(xiàn)的性能有所不同,這主要是因?yàn)椴墓饫w層數(shù)料的膨脹系數(shù)不同,從而產(chǎn)生對(duì)光纖的不同擠壓,通過理論分析圖5(a)60℃時(shí)的折射率差Fig. 5. (a) Difference of refractive index at 60C可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。石英骨架5實(shí)本實(shí)驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證無骨架光纖線圈在溫度變化時(shí)對(duì)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(hào)陀螺使用硬鋁骨架時(shí)的信號(hào)輸出,如圖6CNMHG示為將該硬鋁骨架的中間及上沿結(jié)構(gòu)拆掉后的無骨架時(shí)的信號(hào)輸出。光纖層數(shù)由實(shí)驗(yàn)可以看出,無骨架光纖線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(shè)計(jì)方法6結(jié)束語通過分析光纖陀螺的應(yīng)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(shè)計(jì)。由于陀螺可靠性要圖6(a)硬鋁骨架時(shí)的信號(hào)輸出圖6b)無骨架時(shí)的信號(hào)輸出求高,且內(nèi)部器件密度高Fig 6(a) Signal output with duralium frameFig 6(b)Signal output without frame所以內(nèi)部的傳熱途徑以傳導(dǎo)為主,不宜采用對(duì)流散熱。通過分析光纖線圈及其他光電器件的溫度特性,指出熱設(shè)計(jì)的目的是控制光纖陀螺內(nèi)部的度場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(shè)計(jì)在參考其他電子設(shè)備設(shè)計(jì)的同時(shí),還應(yīng)考慮到光纖陀螺是光機(jī)電一體化的特殊設(shè)備。尤其對(duì)于光纖線圈這一轉(zhuǎn)動(dòng)角速率敏感元件,還應(yīng)考慮溫度梯度方向。由熱仿真與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知,光纖線圈的熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要,無骨架的光纖線圈可以實(shí)現(xiàn)較理想的軸向溫度梯度,陀螺性能好。參考文獻(xiàn)( References)[1]Herve C Lefevre. 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