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基于故障树分析的光纤陀螺标度因数可靠性的分析

作者:王玥泽,张子健,刘伯晗,吴晓乐 发布日期:2019/01/08


摘要采用故障树分析(FTA)方法对光纤陀螺标度因数进行故障树分析,从而为光纤陀螺加速试验的开展提供理论依据。通过分析引起陀螺标度因数退化的理化因素及制造工艺参数,建立了以光纤陀螺标度因数退化为顶事件的故障树;由故障树分析了引起标度因数退化故障树的最小割集;通过分析,得到光纤环圈稳定性变差是引起陀螺标度因数随时间退化的主要故障模式之一。分析与实验结果表明:光纤环圈中各组分热学参数变化对光纤陀螺标度因数的可靠性会产生十分恶劣的影响。通过对其进行优化,可以提升陀螺的标度因数可靠性。

关键词:光纤陀螺;光纤环圈;故障树;标度因数;可靠性。

 

光纤陀螺是集光、机、电于一体的多元技术产品,具有可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、零启动、“全固态”等优点,已广泛应用于海、陆、空、天、潜等军、民用领域,成为惯性技术领域的主流陀螺。随着光纤陀螺日益广泛应用,其关键性能指标随着使用时间加长逐步退化问题逐渐显露出来。由此导致陀螺性能超差,影响陀螺可靠性并限制陀螺系统应用。在关键性能指标退化情况中,以陀螺标度因数退化问题最为突出。因为陀螺是提供加速率信息的核心惯性器件,精度及可靠性直接决定惯导系统的整体性能。应用对光纤陀螺标度因数的可靠性出了严苛的要求。

本文采用故障树分析(Fault Tree AnalysisFTA)的方法对光纤陀螺标度因素随时间退化的问题进行了可靠性分析,得到了导致此问题的最小割集,并将理论分析结果与现阶段工程实际相结合,得到光纤环圈尺寸稳定性变差是引起陀螺标度因数随时间退化的主要故障模式之一,针对其主要故障模式进行了敏感应力分析,确定了光纤环圈中各组分热学参数随时间发生改变,是使陀螺标度因数随时间急剧退化的主要因素。并根据分析结果提出的胶体性能优化的方向。

1.光纤陀螺标度因数的可靠性分析

1.1光纤陀螺标度因数K的定义

光纤陀螺标度因数的表达式为

            (1)

其中L代表所用光纤的总长度,D代表陀螺采用的敏感器—光纤环圈的直径,为波长,代表真空光速。

从(1)中可以表明陀螺标度因数稳定性误差与环圈直径变化以及波长变化相关。在实际应用过程中环圈在热环境下由于热应力作用,其尺寸会发生变化。(光纤陀螺的使用温度范围在-40℃至60℃之间)所以要想改善标度因数稳定性,必须从根本上降低环圈尺寸变化和波长变化。而高精度光纤陀螺所采用的宽带光源(ASE)已经是十分成熟的产品,其各项性能与波长稳定性等指标已经可以满足要求,因此为进一步提升光纤陀螺标度因数可靠性,必须对光纤环圈进行细化分析。

1.2 光纤陀螺标度因数的故障树分析

1.2.1光纤环圈标度因数的故障树的建立

通过对光纤陀螺标度因数故障模式的分析,结合光纤环圈物理化学性能、制造工艺和性能参数分析的基础与其工作环境和使用条件等因素,建立了基于光纤陀螺标度因数超差的故障树,如图1所示。

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1 光纤陀螺标度因数故障树分析

1.2.2故障树分析

通过上述对于光纤陀螺标度因数故障树分析,现采用下行法求顶事件的最小割集:

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通过可靠性相关知识,将上述最小割集转化为影响光纤陀螺标度因数超差的主要因素,如下表1所示:

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2、影响光纤陀螺标度因数可靠性的主要因素分析

上述是通过对光纤陀螺标度因数误差的故障树分析,并采用可靠性分析方法识别出了影响光纤陀螺标度因数可靠性的最小割集。现将通过可靠性分析方法得到的影响光纤陀螺标度因数的最小割集与现阶段光纤陀螺产业的实际发展情况进行结合,从而找出制约现阶段光纤陀螺标度因数可靠性的真正原因。

2.1光纤陀螺光源引起的波长变化对陀螺标度因数可靠性的影响

从标度因数公式及故障树分析可以看出波长变化对陀螺标度因数的可靠性会非常大的产生,以高精度掺饵光纤光源ASE的平均波长稳定性为例进行说明。ASE光源平均波长稳定性的主要影响因素如式(2)所示:

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式中第一项是由ASE光源的温度特性导致的固有平均波长变化,第二项和第三项是泵浦波长和泵浦功率变化导致的光源平均波长变化。但是随着ASE光源技术的快速发展以及各种针对泵浦波长及功率补偿技术的应用,现阶段高精度光纤陀螺ASE光源的精度与可靠性已经有了大幅提升,逐步成为成熟的货架产品,因此,此项对光纤陀螺标度因数的可靠性的误差,已经是非主要因素。

2.2光纤环圈中光纤涂覆层及填充胶体的参数随时间变化对标度因数可靠性的影响

此项中主要包含:光纤环圈选用的光纤的涂覆层材料的模量及热膨胀系数随时间产生变化;光纤环圈采用的填充胶体的模量及热膨胀系数随时间产生变化对光纤陀螺标度因数可靠性产生的影响。

由式(1)可以看出,光纤陀螺的标度因数稳定性误差与环圈直径变化以及波长变化线性相关。光纤环圈长期存储或者老化过程中环圈折射率以及色散等因素会导致导波波长发生变化。所以要想改善陀螺标度因数稳定性,必须从根本上降低环圈尺寸变化和波长变化。由于材料的热胀冷缩特性导致环圈尺寸变形导致的变化远远大于光源波长的波动。根据热力学方程,有

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2.3 光纤环圈制作工艺缺陷对光纤陀螺标度因数的影响

由上节的故障树分析可以看出,光纤环圈制作工艺缺陷对光纤陀螺标度因数的可靠性也存在影响。光纤环圈制作工艺缺陷主要包含两方面的内容:(1)光纤环圈绕制工艺缺陷,(2)光纤环圈施胶与固化工艺缺陷。光纤环圈绕制工艺缺陷对标度因数的影响主要表现为:在绕制过程中光纤环圈的应力非均匀会在光纤环圈中存在非互异性残余应力,这种残余应力会导致光纤环圈引起非理想性形变,从而影响光纤陀螺标度因数长期稳定性。绕制工艺缺陷对陀螺标度因数影响的另一个主要原因是光纤环圈光纤排布缺陷。由于光纤排布缺陷,仍可使得光纤环圈内部应力非对称,因此引起其非理想形变,导致光纤陀螺标度因数可靠性变差。

光纤环圈施胶与固化缺陷也会对光纤陀螺的标度因数可靠性产生影响。施胶非均匀可能会在光纤环圈中引起气泡等杂质,从而引起其内部的应力非均匀变化,经过一段使用时间后产生非理想形变,最终影响陀螺标度因数。而非理想固化对光纤环圈的影响更为恶劣,会导致光纤环圈各项性能的严重劣化,因此必须进行必要的监控,杜绝此现象的发生。随着全自动光纤环圈绕制设备的不断成熟,此项光纤环圈制作误差已经较以前大大减少。

3.相关实验验证

根据上节介绍可知,在影响光纤陀螺标度因数可靠性的诸多误差中,光源波长的影响以及光纤环圈制作工艺缺陷对陀螺标度因数的影响已经较光纤陀螺研制之初有了明显的改善,但光纤环圈等效膨胀系数的变化对光纤陀螺标度因数可靠性的影响研究的并不多,实际情况中由于光纤环圈绕制所采用的光纤均是从厂家采购的,其涂覆层所选用的胶体膨胀系数的相关数据均由厂家提供,因此现阶段,主要对采用不同光纤环圈填充胶体的光纤环圈进行相关的标度因数可靠性研究。

1为采用4种不同的光纤环圈填充胶体绕制的光纤环圈经过一段时间的常温存储后的陀螺标度因数变化,对比此四种胶体经过相同时间激励的膨胀系数变化,观察其相关性。为保证其他因素对陀螺标度因数的影响降至最低,对此4只陀螺采用相同的光源与其他器件及线路板,进行分别测试。

1胶体膨胀系数变化与相应的光纤陀螺标度因数可靠性的关系

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从表1中可以看出,在经过一段的存储时间后,光纤环圈填充胶体的常温膨胀系数变化与其相应的光纤陀螺的变化因素变化存在一定的相关性。为高精度光纤陀螺标度因数可靠性研究提供了有利的理论支持与实验支撑。

 

 

参考文献:

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