应用于光纤陀螺的磁屏蔽设计研究

1、    应用于光纤陀螺的磁屏蔽设计研究    摘 要：为解决高精度光纤陀螺对静磁场敏感的问题，设计了一种多层结构磁屏蔽体，并通过理论计算分析了屏蔽体不同结构、不同厚度对磁场的屏蔽效能。通过实验测试屏蔽体磁场的屏蔽效能，发现与理论计算结果能够较好地吻合，有效降低了光纤陀螺的磁场敏感度。关键词：光学陀螺；磁屏蔽；屏蔽效能；多层屏蔽：v241.5 ：a doi：10.15913/ki.kjycx.2015.07.015光纤陀螺是飞行器导航系统的重要组成部分，是实现飞行器或武器装备高精度导航的重要保障。受控制技术、陀螺内部器件结构特征及制作工艺等因素的制约，陀螺

2、系统存在易受磁场环境影响、精度不高、长期稳定性差等问题，这已成为飞行器精确导航技术发展的瓶颈。近年来，光纤陀螺已在电磁兼容性设计、敏感环工艺技术改进、电路补偿和磁屏蔽等抑制技术方面进行了有益的探索，但多数还没有采取磁屏蔽设计。本文针对某光纤陀螺磁漂移问题，在屏蔽理论和光纤陀螺磁屏蔽特征分析的基础上，进行了结构、材料、工艺优化等方面的磁屏蔽综合研究。1 磁屏蔽理论设计研究影响磁屏蔽性能的因素包括：磁场源的大小、屏蔽材料的接缝、磁场的频率、屏蔽到磁场源的距离、屏蔽对磁场源的方向、磁屏蔽材料的厚度和热处理等。对于高精度的惯导系统，需要降低低频磁场引起的陀螺漂移引入的误差，低频磁场主要为地磁场。磁屏蔽

3、材料在磁场中提供低磁阻磁路，引导磁力线通过自身，使磁场避开敏感部件。2 磁屏蔽系统的结构设计光纤陀螺敏感的主要是外界静磁场，利用高磁导率材料的低磁阻特性，设计磁屏蔽体对其进行整体屏蔽。一般磁屏蔽系统内部都要装载仪器或部件，所以磁屏蔽罩需要分体设计，分为底端盖和上屏蔽罩。为说明材料厚度对磁屏蔽效能的影响程度，进行了坡莫合金1j85单层、双层磁屏蔽比对实验，对不同厚度屏蔽罩进行不同组合搭配，如表1所示。由表1可知，单层1 mm屏蔽效能极值点在s=29.4，双层屏蔽效能极值点在s=85.89. 单层2 mm屏蔽效能极值点在s=13.7，双层屏蔽效能极值点在s=138.9，在其他测试条件不变的情况下，

4、即整个磁路的磁动势一定，屏蔽材料厚度加倍，屏效也相应加倍；层数加倍，屏效多倍数增加。考虑到成本与重量因素，要达到屏效极大值，需要双层屏蔽材料的磁导率达到极大值。3 磁屏蔽的理论与测试对比考虑到实践应用，将某光纤陀螺核心部件的磁屏蔽罩设计为内外双层磁屏蔽，同时综合屏蔽层厚度对屏效的影响，设计壁厚为1 mm与2 mm两种规格。按照国家标准gb/t 121902006电磁屏蔽室性能的检测方法，对磁屏蔽罩屏蔽效能对空间某点屏蔽前后的磁场进行测量，并按照上述四个公式对其进行近似理论计算，其磁屏蔽效果与外界磁场的关系如图1所示。从图1中可以看到，计算结果和实验结果有较好的一致性。对结构厚度为1 mm与2

5、mm的层数组合情况进行静磁分析，发现2 mm双层屏效比单层高了10多倍，且比1 mm的双层屏效也要好较多，可见屏蔽层相对层数多，且较厚屏蔽材料屏效要好多倍。同时，理论值较测试值有好的屏效，且在2 mm双层测试中，理论值比实际测量值要小较多。造成这种差异的原因是漏磁场增大和材料磁化不均匀。考虑到在实践静磁屏蔽中，尽管坡莫合金等高磁导率材料比空气的磁导率高几个数量级，但仍然会存在漏磁。特别是在屏蔽层有孔洞的情况下，漏磁会更加严重。4 结束语设计的磁屏蔽罩具有较高的磁屏蔽效能，满足环境静磁场对光纤陀螺的干扰性能要求，同时，实际测试与理论计算具有较好的吻合度，且具有结构简单、容易加工实现的优点，满足系统在机载环境下的应用要求，为其在电磁环境和地磁场等外部磁场环境下的工作提供了可靠保障。参考文献1kazuo hotate，kunio tabe.drift of optical fiber gyroscope caused by the faraday effect：experimentj.j light wave technol，1987，lt-5（7）：997-1001.2mcewen m b，vaught j a，leonard j r.magnetic shield for optical gy