气密封装对光纤陀螺零偏误差和长期可靠性的影响

许保祥，熊 智，黄继勋

(1.南京航空航天大学自动化学院，南京211106;2.北京航天时代光电科技有限公司，北京100094

0 引言

光纤陀螺是利用Sagnac效应的一种全固态仪表,无运动部件,具有功耗低、可靠性高、抗冲击振动等特点,已成为惯性导航应用领域的主要仪表,广泛应用于航空、航天、武器系统等领域[1-3]。而随着潜艇、空间大型水面舰船等远程长航时导航与制导需求,应用环境越来越复杂,使用性能要求越来越精确,长期可靠性要求越来越高[1,4],有些型号要求光纤陀螺在复杂环境下能够服役15年[5]甚至更高。

光纤陀螺对温度和应力较为敏感,当光纤陀螺置于运载火箭、空间飞行器等远程长航时运载体上时,由于飞行时域、空域跨度较大,会经历大气紊流、风切变、空气密度变化等气压变化条件,导致光纤陀螺工作环境中应力场和温度场的变化[6-7],使得光纤陀螺的零偏产生漂移。为满足应用需求,需要提高光纤陀螺的气压变化适应性。为降低气压对光纤陀螺的影响,文献[8]采用了结构件间加密封圈的结构对光路进行封装,这种结构能够提高气压变化适应性,但产品质量有所增加,且也不是气密性封装,不能降低水汽对光纤的腐蚀。

光路是光纤陀螺的核心部件,它是由光学器件通过光纤连接形成的,光纤长度从几百米到几千米不等。作为脆性材料,光纤制作过程中会引入一些微裂纹缺陷[9],而光纤陀螺装配过程中也会因为拉伸、弯曲、扭转等负载产生应力导致光纤形成微裂纹,这些微裂纹会不断生长,最终使得光纤开裂或断裂。而使用环境中存在的水汽、盐雾等腐蚀性气体将显著地促使应力腐蚀发生[10-11],导致光纤表面裂纹扩展甚至断裂,裂纹和裂纹扩展将严重影响光纤的可靠性。文献[12]提出了张力筛选试验、应力腐蚀敏感性试验等方法,以剔除缺陷光纤,确定光纤的使用寿命。工程应用时,在光纤使用前也会进行老练、振动、温循等试验筛选,以尽早剔除缺陷光纤。但是,这些方法不仅不能阻止相反会加速缺陷的产生,导致裂纹扩展。另外,Webber等[13]研究发现,由于光纤涂覆层材料的杨氏模量对水汽较敏感,当应用环境存在水汽时,可导致光纤陀螺输出长期振荡、漂移。

本文通过分析气压变化对光纤陀螺零偏误差的影响以及水汽介质对光纤陀螺使用寿命、长期精度的影响,提出了对光纤陀螺光路进行气密性封装的方法。该方法能够有效降低气压变化对陀螺零偏误差的影响,并能够有效去除光纤表面及其装配腔内的水汽,降低水汽对光纤陀螺长期可靠性及精度的影响。该技术对拓宽光纤陀螺应用领域和提高光纤陀螺长期可靠性具有指导意义。

1 理论分析

1.1 气压变化对光纤陀螺零偏误差的影响

气压变化会导致环境的应力和温度产生变化。如当气压减小使得空气密度降低时,会使光路装配腔内的空气对流减弱,使得对流热传导效率降低甚至消失,导致内部温度场发生变化。而气压变化时,会使得不同位置产生压力差,产生应力σ作用在光纤上

式(1)中,ΔP为作用在光纤上的压力差,S为作用面积。

应力导致的弹光效应、温度导致的Shupe效应都会使陀螺误差增大。其中,由于温度变化产生的角速率误差为[14]

式(2)中,n为光纤的折射率,D为光纤环直径,L为光纤环长度,为光纤折射率的温度系数,α为光纤线膨胀系数,为光纤环位置z处的温度变化率。

同样的,由于应力变化导致的角速率误差可以表示为

因而,由于气压变化导致的误差可以表示为

由式(4)可知,为了提高光纤陀螺的精度,需要降低气压变化对陀螺性能的影响。

1.2 水汽对光纤使用寿命的影响

光纤裂纹可以导致光纤可靠性降低。在使用环境中,活性介质如水、盐等伏在光纤上像楔子一样扩撑裂纹,同时发生化学腐蚀,破坏硅氧键,加速微裂纹的生长。

石英光纤的疲劳因子f表示光纤疲劳过程的缓慢程度,f值越大,光纤寿命越长。当温度和湿度两种因素作用于光纤时,光纤的疲劳因子f满足

式(5)中,Z为相对湿度,R为气体常数,T为环境温度。

由式(5)可知,降低相对湿度,可使f值增大。而光纤在使用环境中所具有的使用寿命ts与其静态抗拉强度Si和所承受的应力σ之间有如下关系[15]

式(6)、式(7)中,B为裂纹生长特性参数。在静态环境下,Si为常数,σ恒定,光纤的使用寿命ts只与光纤的疲劳因子f有关,f值越大, 光纤的使用寿命也就越长。

根据式(7),令R=1.987cal/(K·mol),T=289K,Z从0～100变化,可以得到f-Z的关系曲线,如图1所示。当Z=5×10-6时,f=115；而当Z=0.0025时,f迅速降到33.8,可知f值影响着光纤的服役期限。为提高光纤陀螺的寿命,需要去除湿气的影响。

图1 光纤疲劳因子与相对湿度的关系Fig.1 Relationship between fiber fatigue factor and relative humidity

1.3 水汽对光纤陀螺精度的影响

作为光纤陀螺的核心部件,光纤环的性能决定着光纤陀螺的精度。当光纤环所处环境中水汽含量变化时,光纤涂覆层有机材料的体积、杨氏模量都会发生变化,而水汽浓度和光纤环半径、存放时间有关,因而由于水汽存在导致的光纤环径向受力可以表示为[13]

式(8)中,σr为光纤涂覆层材料对纤芯的径向作用应力,Ep为涂覆层材料的杨氏模量时间函数,αp为材料湿度膨胀系数,Zo为初始相对湿度,Z(t)为湿度时间函数。

由式(3)可知,湿度引起的应力会导致光纤陀螺零偏误差增大。而相对应力、温度来说,水汽在光纤涂覆层材料中的渗透、传输缓慢,因而会导致光纤陀螺长期漂移,精度降低。为提高光纤陀螺的长期精度,需要去除光纤周围的水汽。

2 气密性封装方案

为降低气压变化对光纤陀螺零偏误差的影响以及使用环境中水汽对光纤陀螺寿命和精度的影响,本文对光纤陀螺光路进行气密性封装。封装方案为:将光纤陀螺光路置于密封腔内,组成密封腔的端盖和安装基座的连接通过激光焊接实现,密封腔内部的光电子器件Y波导等通过固定于安装基座的玻璃绝缘子与外部电路连接,实现信号、能量的传递,具体如图2所示。

图2 光纤陀螺密封结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the IFOG hermetic packaging

实施过程为:将光路装配好的组件置于密封过渡仓内,采用惰性气体对焊接部件及光路组件进行清洗,以去除表面吸附的水汽,然后将光纤陀螺转移至充满氦气的手套箱内进行焊接,从而实现光路组件气密性封装。过程中,控制过渡舱和手套箱内的水汽含量不高于5×10-6。

本文选用了2只光纤陀螺开展试验验证,分别记为IFOG1和IFOG2。在光路气密性封装前测试了光纤陀螺在温度和变气压环境下的零偏,以对比气密性封装前后的性能。

3 性能测试及结果分析

3.1 封装气密性及可靠性检测

依据GJB360B-2009[16]中的密封试验——试验条件E进行漏气率检测,依据GJB360B-2009中方法107“温度冲击试验”要求对密封结构进行了温度冲击(温度范围为-40℃～80℃,极限温度保持30min,温变率为2℃/min,温循100次),并进行了总均方根加速度为28g的随机振动,考核温度冲击、随机振动前后漏气率的变化。

漏气率的测试结果表明:密封结构漏气率优于 4×10-10Pa·m3/s。

温度冲击和振动试验前后漏气率的变化如表1和表2所示。由漏气率几乎没有变化可知,气密性封装有很高的可靠性,能够阻止水汽等进入光路安装腔体内,从而提高了光纤陀螺的长期可靠性。

表1 温度冲击前后漏气率变化对比Table 1 Leakage rate of IFOG before and after temperature shock test

表2 振动前后漏气率变化对比Table 2 Leakage rate of IFOG before and after random vibration test

3.2 气密性封装对变温条件下光纤陀螺零偏误差的影响

将气密性封装前后的光纤陀螺置于高低温试验箱内,进行如图3所示的高低温连续通电测试,并测试光纤陀螺的输出,光纤陀螺输出的峰峰值及零偏稳定性如表3所示。

图3 光纤陀螺高低温试验温度曲线及陀螺输出Fig.3 Temperature curve and bias output of IFOG in high and low temperature test

表3 气密性封装前后温变条件下零偏误差对比Table 3 Comparisons of bias error before and after hermetic packaging under temperature changes

由图3和表3可知,在-40℃～60℃的测试温度范围内,在不进行温度补偿的情况下,气密性封装后IFOG1的零偏峰峰值降低了32.5%,零偏稳定性误差降低了26.9%；IFOG2的零偏峰峰值降低了31.0%,零偏稳定性误差降低了22.2%。试验结果表明,气密性封装能够提高光纤陀螺在变温条件下的稳定性。

3.3 气密性封装对变气压条件下光纤陀螺零偏误差的影响

将气密性封装前后的光纤陀螺置于真空试验箱内,进行变气压环境试验。试验条件为:令真空试验箱的气压在60min内从1×105Pa降至1×10-4Pa,过程中测试光纤陀螺的输出,测试结果如图4和表4所示。

图4 气密性封装前后陀螺零偏与气压变化的关系Fig.4 Relationship between bias and atmospheric pressure before and after hermetic packaging

表4 气密性封装前后气压变化时零偏误差对比Table 4 Comparisons of bias error before and after hermetic packaging under atmospheric pressure changes

由图4和表4可知,未进行气密性封装时光纤陀螺的零偏漂移较大、噪声较高、零偏稳定性较差,其中的IFOG2零偏峰峰值变化量达到0.295(°)/h,零偏稳定性变化量达到0.039(°)/h。而进行气密性封装后的光纤陀螺无论是零偏峰峰值还是零偏稳定性都有明显改善,IFOG1的零偏峰峰值降低了95.3%,零偏稳定性误差降低了96.2%；IFOG2的零偏峰峰值降低了96.3%,零偏稳定性误差降低了95.4%。试验结果表明,气密性封装能够显著降低外界气压变化对光纤环性能的影响,提高了光纤陀螺在变气压环境下的精度。

4 结论

本文开展了提高光纤陀螺在变气压下的精度和在高湿环境下的可靠性与及精度技术研究,通过分析气压变化对光纤陀螺零偏误差的影响以及水汽介质对光纤陀螺使用寿命、长期精度的影响,提出了对光纤陀螺光路进行气密性封装的方法。通过漏气率测试、温度冲击测试以及振动测试,可得气密性封装结构的漏气率优于4×10-10Pa·m3/s,具有较高的可靠性；通过对2只光纤陀螺进行温度测试和变气压测试,光纤陀螺气密性封装后在测试温度范围内,零偏峰峰值降低了31.0%以上,零偏稳定性误差降低了22.2%以上；在变气压环境下,零偏峰值降低了95.3%以上,零偏稳定性误差降低了95.4%以上。测试结果表明,该技术能够显著提高光纤陀螺的精度和长期可靠性。