● 摘要
光纤陀螺作为一种新型角速率传感器，具有体积小、重量轻、耐冲击、精度高、动态范围大、抗电磁干扰、可靠性高等优点，被广泛应用于导航、制导与控制领域中。目前国内光纤陀螺的研制现状还远远落后于世界先进水平，主要存在的问题是光纤陀螺的精度受温度变化的影响，温漂非常显著，极大地限制了光纤陀螺惯性级精度的应用。根本原因是光纤陀螺中最重要的敏感部件—光纤环在全温条件下的性能还没有达到应用要求，陀螺零偏随温度变化较大，且零偏和温度梯度之间变化规律一致性差，很难采用温度补偿达到高精度应用要求。
光纤陀螺是典型的光机电一体化系统，三个模块的温度特性都会影响光纤陀螺温度性能。论文通过研究由温度变化引起的 Shupe 非互易性误差的理论，分析影响陀螺温度特性的多种因素，得出设计和改善光纤环模块的温度场是改善陀螺温度性能重要研究方向，提出通过结构温度控制减小光纤陀螺的温度误差。具体针对光纤陀螺光纤环模块的结构热设计，实现陀螺结构自身温控的目的，减小温度对光纤陀螺的影响，改善其输出特性。
通过建立现有光纤环承环骨架结构模型，进行热仿真模拟，提取光纤环截面各个节点的温度，计算Shupe误差的具体数值，指出Shupe误差最小的承环骨架结构。利用ANSYS建立不同陀螺环模块封装结构模型进行热仿真研究，设计出环模块封装合适的传热结构，并通过实验验证。
基于隔热/相变温控机理，通过使用隔热材料和相变材料进一步减小光纤环受外界环境的影响。求解普通传热方程组，实现对隔热材料与相变材料间体积比的优化，根据均匀相变理论，确定封装结构中的相变温度分布，使相变材料发生均匀相变，提高相变材料的潜热利用率，改善光纤陀螺的输出特性。
本文通过热仿真和实验结合的方法，验证了结构温度控制对抑制 Shupe 误差的有效应和优越性，提高了陀螺输出精度，为隔热材料和相变材料进一步应用在陀螺中打下了基础。