氣密封裝對光纖陀螺零偏誤差和長期可靠性的影響

許保祥，熊 智，黃繼勛

(1.南京航空航天大學自動化學院，南京211106;2.北京航天時代光電科技有限公司，北京100094

0 引言

光纖陀螺是利用Sagnac效應(yīng)的一種全固態(tài)儀表,無運動部件,具有功耗低、可靠性高、抗沖擊振動等特點,已成為慣性導航應(yīng)用領(lǐng)域的主要儀表,廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-3]。而隨著潛艇、空間大型水面艦船等遠程長航時導航與制導需求,應(yīng)用環(huán)境越來越復雜,使用性能要求越來越精確,長期可靠性要求越來越高[1,4],有些型號要求光纖陀螺在復雜環(huán)境下能夠服役15年[5]甚至更高。

光纖陀螺對溫度和應(yīng)力較為敏感,當光纖陀螺置于運載火箭、空間飛行器等遠程長航時運載體上時,由于飛行時域、空域跨度較大,會經(jīng)歷大氣紊流、風切變、空氣密度變化等氣壓變化條件,導致光纖陀螺工作環(huán)境中應(yīng)力場和溫度場的變化[6-7],使得光纖陀螺的零偏產(chǎn)生漂移。為滿足應(yīng)用需求,需要提高光纖陀螺的氣壓變化適應(yīng)性。為降低氣壓對光纖陀螺的影響,文獻[8]采用了結(jié)構(gòu)件間加密封圈的結(jié)構(gòu)對光路進行封裝,這種結(jié)構(gòu)能夠提高氣壓變化適應(yīng)性,但產(chǎn)品質(zhì)量有所增加,且也不是氣密性封裝,不能降低水汽對光纖的腐蝕。

光路是光纖陀螺的核心部件,它是由光學器件通過光纖連接形成的,光纖長度從幾百米到幾千米不等。作為脆性材料,光纖制作過程中會引入一些微裂紋缺陷[9],而光纖陀螺裝配過程中也會因為拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等負載產(chǎn)生應(yīng)力導致光纖形成微裂紋,這些微裂紋會不斷生長,最終使得光纖開裂或斷裂。而使用環(huán)境中存在的水汽、鹽霧等腐蝕性氣體將顯著地促使應(yīng)力腐蝕發(fā)生[10-11],導致光纖表面裂紋擴展甚至斷裂,裂紋和裂紋擴展將嚴重影響光纖的可靠性。文獻[12]提出了張力篩選試驗、應(yīng)力腐蝕敏感性試驗等方法,以剔除缺陷光纖,確定光纖的使用壽命。工程應(yīng)用時,在光纖使用前也會進行老練、振動、溫循等試驗篩選,以盡早剔除缺陷光纖。但是,這些方法不僅不能阻止相反會加速缺陷的產(chǎn)生,導致裂紋擴展。另外,Webber等[13]研究發(fā)現(xiàn),由于光纖涂覆層材料的楊氏模量對水汽較敏感,當應(yīng)用環(huán)境存在水汽時,可導致光纖陀螺輸出長期振蕩、漂移。

本文通過分析氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響以及水汽介質(zhì)對光纖陀螺使用壽命、長期精度的影響,提出了對光纖陀螺光路進行氣密性封裝的方法。該方法能夠有效降低氣壓變化對陀螺零偏誤差的影響,并能夠有效去除光纖表面及其裝配腔內(nèi)的水汽,降低水汽對光纖陀螺長期可靠性及精度的影響。該技術(shù)對拓寬光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域和提高光纖陀螺長期可靠性具有指導意義。

1 理論分析

1.1 氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響

氣壓變化會導致環(huán)境的應(yīng)力和溫度產(chǎn)生變化。如當氣壓減小使得空氣密度降低時,會使光路裝配腔內(nèi)的空氣對流減弱,使得對流熱傳導效率降低甚至消失,導致內(nèi)部溫度場發(fā)生變化。而氣壓變化時,會使得不同位置產(chǎn)生壓力差,產(chǎn)生應(yīng)力σ作用在光纖上

式(1)中,ΔP為作用在光纖上的壓力差,S為作用面積。

應(yīng)力導致的彈光效應(yīng)、溫度導致的Shupe效應(yīng)都會使陀螺誤差增大。其中,由于溫度變化產(chǎn)生的角速率誤差為[14]

式(2)中,n為光纖的折射率,D為光纖環(huán)直徑,L為光纖環(huán)長度,為光纖折射率的溫度系數(shù),α為光纖線膨脹系數(shù),為光纖環(huán)位置z處的溫度變化率。

同樣的,由于應(yīng)力變化導致的角速率誤差可以表示為

因而,由于氣壓變化導致的誤差可以表示為

由式(4)可知,為了提高光纖陀螺的精度,需要降低氣壓變化對陀螺性能的影響。

1.2 水汽對光纖使用壽命的影響

光纖裂紋可以導致光纖可靠性降低。在使用環(huán)境中,活性介質(zhì)如水、鹽等伏在光纖上像楔子一樣擴撐裂紋,同時發(fā)生化學腐蝕,破壞硅氧鍵,加速微裂紋的生長。

石英光纖的疲勞因子f表示光纖疲勞過程的緩慢程度,f值越大,光纖壽命越長。當溫度和濕度兩種因素作用于光纖時,光纖的疲勞因子f滿足

式(5)中,Z為相對濕度,R為氣體常數(shù),T為環(huán)境溫度。

由式(5)可知,降低相對濕度,可使f值增大。而光纖在使用環(huán)境中所具有的使用壽命ts與其靜態(tài)抗拉強度Si和所承受的應(yīng)力σ之間有如下關(guān)系[15]

式(6)、式(7)中,B為裂紋生長特性參數(shù)。在靜態(tài)環(huán)境下,Si為常數(shù),σ恒定,光纖的使用壽命ts只與光纖的疲勞因子f有關(guān),f值越大, 光纖的使用壽命也就越長。

根據(jù)式(7),令R=1.987cal/(K·mol),T=289K,Z從0～100變化,可以得到f-Z的關(guān)系曲線,如圖1所示。當Z=5×10-6時,f=115；而當Z=0.0025時,f迅速降到33.8,可知f值影響著光纖的服役期限。為提高光纖陀螺的壽命,需要去除濕氣的影響。

圖1 光纖疲勞因子與相對濕度的關(guān)系Fig.1 Relationship between fiber fatigue factor and relative humidity

1.3 水汽對光纖陀螺精度的影響

作為光纖陀螺的核心部件,光纖環(huán)的性能決定著光纖陀螺的精度。當光纖環(huán)所處環(huán)境中水汽含量變化時,光纖涂覆層有機材料的體積、楊氏模量都會發(fā)生變化,而水汽濃度和光纖環(huán)半徑、存放時間有關(guān),因而由于水汽存在導致的光纖環(huán)徑向受力可以表示為[13]

式(8)中,σr為光纖涂覆層材料對纖芯的徑向作用應(yīng)力,Ep為涂覆層材料的楊氏模量時間函數(shù),αp為材料濕度膨脹系數(shù),Zo為初始相對濕度,Z(t)為濕度時間函數(shù)。

由式(3)可知,濕度引起的應(yīng)力會導致光纖陀螺零偏誤差增大。而相對應(yīng)力、溫度來說,水汽在光纖涂覆層材料中的滲透、傳輸緩慢,因而會導致光纖陀螺長期漂移,精度降低。為提高光纖陀螺的長期精度,需要去除光纖周圍的水汽。

2 氣密性封裝方案

為降低氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響以及使用環(huán)境中水汽對光纖陀螺壽命和精度的影響,本文對光纖陀螺光路進行氣密性封裝。封裝方案為:將光纖陀螺光路置于密封腔內(nèi),組成密封腔的端蓋和安裝基座的連接通過激光焊接實現(xiàn),密封腔內(nèi)部的光電子器件Y波導等通過固定于安裝基座的玻璃絕緣子與外部電路連接,實現(xiàn)信號、能量的傳遞,具體如圖2所示。

圖2 光纖陀螺密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the IFOG hermetic packaging

實施過程為:將光路裝配好的組件置于密封過渡倉內(nèi),采用惰性氣體對焊接部件及光路組件進行清洗,以去除表面吸附的水汽,然后將光纖陀螺轉(zhuǎn)移至充滿氦氣的手套箱內(nèi)進行焊接,從而實現(xiàn)光路組件氣密性封裝。過程中,控制過渡艙和手套箱內(nèi)的水汽含量不高于5×10-6。

本文選用了2只光纖陀螺開展試驗驗證,分別記為IFOG1和IFOG2。在光路氣密性封裝前測試了光纖陀螺在溫度和變氣壓環(huán)境下的零偏,以對比氣密性封裝前后的性能。

3 性能測試及結(jié)果分析

3.1 封裝氣密性及可靠性檢測

依據(jù)GJB360B-2009[16]中的密封試驗——試驗條件E進行漏氣率檢測,依據(jù)GJB360B-2009中方法107“溫度沖擊試驗”要求對密封結(jié)構(gòu)進行了溫度沖擊(溫度范圍為-40℃～80℃,極限溫度保持30min,溫變率為2℃/min,溫循100次),并進行了總均方根加速度為28g的隨機振動,考核溫度沖擊、隨機振動前后漏氣率的變化。

漏氣率的測試結(jié)果表明:密封結(jié)構(gòu)漏氣率優(yōu)于 4×10-10Pa·m3/s。

溫度沖擊和振動試驗前后漏氣率的變化如表1和表2所示。由漏氣率幾乎沒有變化可知,氣密性封裝有很高的可靠性,能夠阻止水汽等進入光路安裝腔體內(nèi),從而提高了光纖陀螺的長期可靠性。

表1 溫度沖擊前后漏氣率變化對比Table 1 Leakage rate of IFOG before and after temperature shock test

表2 振動前后漏氣率變化對比Table 2 Leakage rate of IFOG before and after random vibration test

3.2 氣密性封裝對變溫條件下光纖陀螺零偏誤差的影響

將氣密性封裝前后的光纖陀螺置于高低溫試驗箱內(nèi),進行如圖3所示的高低溫連續(xù)通電測試,并測試光纖陀螺的輸出,光纖陀螺輸出的峰峰值及零偏穩(wěn)定性如表3所示。

圖3 光纖陀螺高低溫試驗溫度曲線及陀螺輸出Fig.3 Temperature curve and bias output of IFOG in high and low temperature test

表3 氣密性封裝前后溫變條件下零偏誤差對比Table 3 Comparisons of bias error before and after hermetic packaging under temperature changes

由圖3和表3可知,在-40℃～60℃的測試溫度范圍內(nèi),在不進行溫度補償?shù)那闆r下,氣密性封裝后IFOG1的零偏峰峰值降低了32.5%,零偏穩(wěn)定性誤差降低了26.9%；IFOG2的零偏峰峰值降低了31.0%,零偏穩(wěn)定性誤差降低了22.2%。試驗結(jié)果表明,氣密性封裝能夠提高光纖陀螺在變溫條件下的穩(wěn)定性。

3.3 氣密性封裝對變氣壓條件下光纖陀螺零偏誤差的影響

將氣密性封裝前后的光纖陀螺置于真空試驗箱內(nèi),進行變氣壓環(huán)境試驗。試驗條件為:令真空試驗箱的氣壓在60min內(nèi)從1×105Pa降至1×10-4Pa,過程中測試光纖陀螺的輸出,測試結(jié)果如圖4和表4所示。

圖4 氣密性封裝前后陀螺零偏與氣壓變化的關(guān)系Fig.4 Relationship between bias and atmospheric pressure before and after hermetic packaging

表4 氣密性封裝前后氣壓變化時零偏誤差對比Table 4 Comparisons of bias error before and after hermetic packaging under atmospheric pressure changes

由圖4和表4可知,未進行氣密性封裝時光纖陀螺的零偏漂移較大、噪聲較高、零偏穩(wěn)定性較差,其中的IFOG2零偏峰峰值變化量達到0.295(°)/h,零偏穩(wěn)定性變化量達到0.039(°)/h。而進行氣密性封裝后的光纖陀螺無論是零偏峰峰值還是零偏穩(wěn)定性都有明顯改善,IFOG1的零偏峰峰值降低了95.3%,零偏穩(wěn)定性誤差降低了96.2%；IFOG2的零偏峰峰值降低了96.3%,零偏穩(wěn)定性誤差降低了95.4%。試驗結(jié)果表明,氣密性封裝能夠顯著降低外界氣壓變化對光纖環(huán)性能的影響,提高了光纖陀螺在變氣壓環(huán)境下的精度。

4 結(jié)論

本文開展了提高光纖陀螺在變氣壓下的精度和在高濕環(huán)境下的可靠性與及精度技術(shù)研究,通過分析氣壓變化對光纖陀螺零偏誤差的影響以及水汽介質(zhì)對光纖陀螺使用壽命、長期精度的影響,提出了對光纖陀螺光路進行氣密性封裝的方法。通過漏氣率測試、溫度沖擊測試以及振動測試,可得氣密性封裝結(jié)構(gòu)的漏氣率優(yōu)于4×10-10Pa·m3/s,具有較高的可靠性；通過對2只光纖陀螺進行溫度測試和變氣壓測試,光纖陀螺氣密性封裝后在測試溫度范圍內(nèi),零偏峰峰值降低了31.0%以上,零偏穩(wěn)定性誤差降低了22.2%以上；在變氣壓環(huán)境下,零偏峰值降低了95.3%以上,零偏穩(wěn)定性誤差降低了95.4%以上。測試結(jié)果表明,該技術(shù)能夠顯著提高光纖陀螺的精度和長期可靠性。