CN101551249A - 一种可分离式骨架及利用该骨架实现的光纤线圈制备方法 - Google Patents

Abstract

一种可分离式骨架及利用该骨架实现的光纤线圈制备方法，方法首先综合考虑光纤线圈的窗口比、光纤陀螺的精度、骨架易于与光纤线圈脱离三个因素设计合适结构的骨架，然后对骨架进行表面处理，在骨架的表面涂覆一层热溶胶，便于光纤线圈固化后与骨架脱离。然后在光纤线圈骨架上按照四极对称的绕法绕制所需长度的光纤，绕制完成后，再采用一种模量低、热胀系数小的胶进行真空压力浸渍，浸渍完成后采用离心机甩胶，然后进行光纤线圈固化，最后在加热的情况下将骨架从光纤线圈上取下，并在线圈的最内层和最外层涂覆隔热胶，完成无骨架光纤环的制备。本发明克服现有技术的不足，提高了光纤线圈的温度特性和振动特性。

Description

一种可分离式骨架及利用该骨架实现的光纤线圈制备方法

技术领域

本发明涉及一种绕制光纤线圈用的骨架及光纤线圈的制备方法。

背景技术

近年来，国内光纤陀螺发展迅速，中低精度光纤陀螺基本实现工程化，在多个领域得到成功应用，高精度光纤陀螺的研制也开展得如火如荼，但总体来说距离国外的水平还有很大差距。根据光纤陀螺的基本工作原理：

其中，L为光纤线圈的长度，D为光纤线圈的平均直径，λ为光波波长，C为光波在真空中的传播速度。光纤陀螺的精度与光纤线圈圈的长度和平均直径的乘积LD成正比，因而高精度光纤陀螺中除采用加大光纤线圈骨架的直径外，还会采用相对较长的光纤来绕制光纤线圈，光纤线圈中相向传输的两束光之间的非互易相位差是光纤陀螺的主要误差源之一，光纤越长这种非互易误差产生的几率就越大，由于光纤线圈受力不均匀导致的偏振交叉耦合、由于热场不均匀导致的非互易相位误差等问题必须通过工艺改进来克服。在高精度光纤陀螺中，如何减小骨架对光纤线圈的影响，光纤线圈如何达到快速的热平衡，如何减小外界环境对光纤线圈的影响都非常重要，高精度光纤陀螺在国内还没有取得突破性进展的主要原因之一就是光纤线圈的技术还没有完全解决。

为解决高精度光纤陀螺用光纤线圈的技术问题，各研制单位大多采用四极对称绕法绕制光纤环，然后对光纤线圈进行固化，对光纤线圈进行固化是为了提高线圈的振动特性，提高光纤陀螺多次通电的重复性，四极对称绕法的目的是使光纤环相对于中点对称的两段光纤经历相同的温度场，从而减小由于温度引起的非互易相位误差。光纤环内部的温度场与光纤的空间位置和时间相关，温度场影响光纤的折射率和线膨胀系数等物理参数。以温度导致的折射率变化为例：

考虑图1中长度为L的光纤环上，距离光纤一端为z的一小段光纤δz上存在一个温度扰动(图中M代表长度中点)，该扰动引入的非互易相位误差可以表示为：

$\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_T\left(z\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}\left(z\right)\frac{n(L-2z)}{C}\mathrm{\δz}---\left(2\right)$

$\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}\left(z\right)=\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}\·\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\left(z\right)---\left(3\right)$

式中，λ为光波波长，dn/dT为光纤折射率对温度的变化率，dT/dt为δz处温度的时间变化率，n为光纤折射率，C为真空中的光速。从(2)式中可以看出，受温度扰动的微元距离光纤中点越远，引入的非互易相位越大。在线圈的全长范围内积分，得到温度扰动引入的总相位误差为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_T=\frac{2\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λC}}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}{\∫}_0^L\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\left(z\right)(l-2z)\mathrm{dz}---\left(4\right)$

如果相对线圈中点对称的两段光纤经历了相同的温度变化，则(4)式的积分结果为零，温度扰动引入的相位差为零。应力导致的折射率变化同温度引起的折射率变化的原理是一样的，如果相对线圈中点对称的两段光纤经历了相同的应力变化，应力扰动引入的相位差也为零。

采用上述技术方案的主要问题在于：在实际情况下，由于绕制的不理想性(如绕制的不完全对称、光纤线圈中有每层光纤的交叉现象)、浸胶工艺的不完善(胶的厚度不均匀、光纤的热平衡时间长、温度梯度非线性等)导致相对线圈中点对称的两段光纤不可能经历完全相同的温度场，由于浸胶使光纤线圈中光纤受力的不均匀，骨架热胀冷缩对光纤施加的应力等，光纤线圈也不会经历完全相同的应力场，在温度和力学振动的环境下，光纤线圈还不能达到高精度光纤陀螺的精度要求，因此还必须在现有的基础上进一步改进设计、改善工艺，提高光纤线圈的性能，进而提高光纤陀螺的精度。

目前，国外关于光纤线圈绕制方法的专利和文章，均只是描述了一种四极对称的绕制方法，没有公开无骨光纤线圈的制备方法。

关于骨架方面的报道，国内专利公开号CN 101275835A，发明名称“用于光纤陀螺无上沿光纤环的脱骨架绕环夹具”，该申请中通过夹具的形式将骨架两侧的法兰取下，使光纤线圈的上部无上沿约束，呈自由状态。但是该申请采用夹具的方式实现起来比较复杂，并且骨架中的轮毂与线圈没有分离，不能消除轮毂对光纤线圈径向产生的应力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可分离式骨架及利用该骨架实现的光纤线圈制备方法，提高了光纤线圈的温度特性和振动特性。

本发明的可分离式骨架的技术解决方案一是：一种可分离式骨架包括：轮毂和两个法兰，两个法兰分别安装在轮毂两侧，轮毂上加工有凸台，该凸台与法兰上相应孔配合，当将法兰与轮毂分离后，通过拖动该凸台将轮毂与光纤线圈分离。

本发明的可分离式骨架的技术解决方案二是：一种可分离式骨架包括：轮毂、两个法兰和至少两块楔形块；轮毂由两个对称的半圆构成，两个半圆接合处加工有楔形槽；轮毂或楔形块上加工有凸台，该凸台与法兰上相应孔或槽相配合，两个法兰分别安装在轮毂两侧，组成所述骨架。

本发明方法的技术解决方案是：无骨架光纤线圈制备方法，包括下列步骤：

(1)在权利要求1或权利要求2所述的骨架的表面涂覆一层热溶胶；

(2)绕制线圈，将绕制的光纤线圈置于真空压力装置中，并进行真空压力浸渍；

(3)将浸渍完成后的光纤线圈置于离心机上进行甩胶；

(4)固化光纤线圈；

(5)对固化后的光纤线圈进行加热，取下骨架，并在光纤线圈的最内层和最外层涂覆一种隔热胶，完成无骨架光纤环的制备。

所述步骤(4)固化后还采用小量级的振动对光纤线圈进行应力释放。

所述的振动量级控制在2～6g，时间控制在30～60分钟。

所述步骤(1)中的热溶胶的厚度为0.5～1mm。

所述步骤(2)中的绕制线圈过程为：根据光纤线圈的层数及骨架的外径，确定绕制第一层所采用的张力，绕制的过程中逐层线性减小绕纤的张力，直至绕完整个线圈。

所述的绕制第一层所采用的张力

其中，

为光纤的外径；

Y为光纤允许的最大张力，Y通常小于30g；

D为骨架的内径。

所述的逐层线性减小绕纤的张力的递减系数为X满足nx+2＜F；

其中，n为线圈绕制层数；

F为第一层的绕纤张力。

所述步骤(2)中的压力浸渍时的压力控制在0.5～2Mpa之间。

所述步骤(2)中的浸渍所采用固化胶的硬度低于25度、热胀系数低于5×10^-4。

所述的固化胶中可以加入导热物质，使光纤线圈在温度环境内快速达到热平衡。

所述步骤(3)中的离心机的转速控制在500～2000转/分钟，时间控制在2～5分钟。

所述步骤(4)中的固化一般采用加热，或常温放置或紫外光照射的方法。

所述的步骤(5)中加热的温度不易超过60℃。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明可分离式骨架，结构简单易于分离。

(2)本发明的光纤线圈制备方法，采用本发明的可分离式骨架，绕制线圈前在骨架表面涂覆一层热溶胶，降低了光纤线圈从骨架上取下的难度，减小了光纤线圈受到意外损伤和取骨架过程中引入其它应力的概率。本发明采用真空压力浸渍和离心机甩胶的方法，光纤线圈的浸胶可以非常均匀，有利于实现光纤线圈的温度场对称，并可显著改善光纤线圈的振动特性。最后得到的无骨架光纤线圈，消除了光纤线圈骨架的热胀冷缩及其它变形导致的光纤线圈的受力，光纤线圈的温度特性可明显提高。

(3)本发明线圈绕制方法并通过逐层减小张力的方式，控制整个线圈的应力，使光纤线圈的分布应力较小，改善工作温度条件下线圈中的应力匹配。

(4)本发明采用在光纤线圈的最内层和最外层涂覆绝热胶的方法，使光纤线圈受温度场的影响减小，解决高精度光纤陀螺的稳定时间长的问题。

(5)本发明采用在固化胶中添加银粉或其它导热物质的方法，可以使光纤线圈在温度场中快速达到热平衡，减小由于温度梯度存在导致的非互易误差。

总之，本发明采用无骨架光纤线圈来构成高精度光纤陀螺，并在浸胶工艺上采用了一种使胶体均匀附着光纤的工艺，提高了高精度光纤陀螺的温度稳定性和振动特性，精度明显提高；在骨架的设计和脱离上采用一定的分离技术，提高了光纤线圈的制备效率，减小了对光纤线圈的损伤和其它不利影响；本发明还通过加快光纤线圈的热平衡和隔绝线圈受外温度场影响的方法，改善了高精度光纤陀螺的稳定时间。

附图说明

图1为光纤环中温度或应力扰动示意图；

图2为本发明一骨架结构示意图；其中，2a为主视图，2b为半剖俯视图；

图3为本发明另一骨架构示意图；其中，3a为主视图，3b为半剖俯视图；

图4为本发明第三种骨架立体图；

图5为图4爆炸示意图；

图6为图4的分视图；其中，6a为主视图，6b为半剖俯视图。

具体实施方式

实施例1

如图2、3所示，为本发明可分离式骨架的一种结构示意图；包括一个轮毂1和两个法兰2，两个法兰2通过螺钉4分别安装在轮毂1两侧，轮毂1上加工有凸台可以采用图2的方式，即加工在轮毂1中心处，也可以采用图3的方式，即加工在轮毂1的边缘，该凸台与法兰上相应孔配合，当将法兰2与轮毂1分离后，轮毂1上留有未被光纤覆盖的部分，便于轮毂1从线圈上取下。法兰2和轮毂1的连接方式可以采用机械固联或是胶联的方式。

实施例2

如图4、5、6所示，为本发明可分离式骨架的另外一种结构示意图。包括一个轮毂1、两个法兰2和至少两块楔形块3(本例中取8块)；轮毂1由两个对称的半圆构成，两个半圆接合处加工有楔形槽5；楔形块3上加工有凸台，该凸台与法兰2上相应槽相配合，两个法兰2分别安装在轮毂1两侧，组成所述骨架。骨架法兰和轮毂的连接方式可以采用机械固联(采用螺钉4)或是胶联的方式。绕环前先将分离式骨架组装成图4的组件，光纤绕制完毕固化后，首先拆掉法兰2，并沿轴向取出楔形块3。楔形块3外圆与轮毂1外圆柱面采用组合加工的方法，保证有较高的圆柱度。且楔形块3设计成燕尾形状，可以防止楔形块3沿径向窜动，法兰上的开槽对楔形快3轴向限位。为更容易取下轮毂1，将轮毂1设计成两部分，两部分之间留有内卸间隙，间隙之间通过楔形块3支撑。当光纤线圈固化后，可以取出内卸间隙之间的楔形块3，则轮毂1自然向内收缩，可以更容易实现光纤线圈与骨架的分离。

实施例1、2中的可分离式骨架的设计可以参照下面的过程进行：

首先要依据Sagnac干涉仪的基本原理：公式

其中，L为光纤线圈的长度，D为光纤线圈的平均直径，λ为光波波长，C为光波在真空中的传播速度。即光纤陀螺的精度与光纤线圈的长度和平均直径的成绩成正比，根据光纤陀螺具体的精度要求，确定光纤长度L和光纤线圈的平均直径D的乘积LD的值；然后根据要求的线圈窗口比η的值进行仿真，确定参数L、D、B、D₁，B为骨架的宽度，D₁为骨架的直径，其中η＝B/(D-D₁)，。

实施例3

下面结合上述两种结构，详细介绍本发明光纤线圈制备方法，具体如下：

在实施例1或实施例2所述的骨架表面涂覆一层1mm左右的热溶胶；待胶固化后，按照四极对称的方法将光纤绕制到骨架上，线圈两端各留出2m长度的光纤并打成约Φ30mm的圆圈，将这2m长的光纤保护好，根部固定在骨架上，以免光纤线圈外的2m光纤浸胶。将线圈置入真空压力装置中，抽真空后将混合有银粉或其它导热物质的固化胶注入真空压力装置中，该固化胶的硬度低于25度、热胀系数小于5×10^-4。给压力装置注入空气或其它气体以增加压力，压力控制在0.5～2MPa之间，0.5h后取出光纤线圈，将线圈固定在特定的工装上，安装在离心机上，设置离心机的转速为500～2000r/min，启动离心机，2～5分钟后取下线圈，按照所采用胶的固化要求进行固化，固化后将线圈置于温箱，设置温箱温度为40～60℃，温箱到达设定温度2分钟后，将线圈从骨架上取下，清理光纤线圈的表面，然后在线圈的最内层和最外层涂覆绝热胶，待绝热胶固化后，整个无骨架线圈制备完毕。

上面所述的绕制线圈可以采用传统的方法，也可以采用下述方法：

首先设定第一层光纤的绕纤张力，假设光纤的外径为

线圈绕制层数为n，光纤允许的最大张力为Y，则第一层的绕纤张力F控制在小于

因为光纤所受到的应力为绕纤张力和弯曲应力之和，在骨架尺寸确定的情况下，绕纤张力就是直接决定光纤应力的因素，假设每层光纤张力的递减系数为X，则X满足：nx+2＜F。该原则是为控制最上层光纤的绕制张力不小于2g，如果张力小于2g，光纤将无法绕齐，光纤之间的交叉耦合同样会给光纤线圈带来额外的应力，如果X值小于1g，则可以将递减单位由一层变为一个四极子，一次类推。通常情况下，Y值小于30g。

将光纤线圈应用于光纤陀螺工装上进行测试，表1为不同工艺的线圈应用于光纤陀螺后的温度测试数据，表2为光纤陀螺的振动测试数据，从表中可以明显看出采用本发明的光纤线圈性能明显由于普通光纤线圈。

表1不同工艺的线圈应用于光纤陀螺后的温度测试数据

不同工艺的线圈在陀螺的应用	普通工艺	本发明工艺
			零位均值(°/h)	-1.76	-0.83
标准偏差(°/h)	0.44	0.21

表2光纤陀螺的振动测试数据

不同工艺的线圈在陀螺的应用	普通工艺	本发明工艺
			振前零位均值(°/h)	-1.66	-0.85
振中零位均值(°/h)	-0.98	-0.64
			振后零位均值(°/h)	-1.60	-0.81
振前标准偏差(°/h)	0.42	0.24
			振中标准偏差(°/h)	2.25	1.23
振后标准偏差(°/h)	0.46	0.25

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (15)

1、一种可分离式骨架，其特征在于包括：轮毂和两个法兰，两个法兰分别安装在轮毂两侧，轮毂上加工有凸台，该凸台与法兰上相应孔配合，当将法兰与轮毂分离后，通过拖动该凸台将轮毂与光纤线圈分离。

2、一种可分离式骨架，其特征在于包括：轮毂、两个法兰和至少两块楔形块；轮毂由两个对称的半圆构成，两个半圆接合处加工有楔形槽；轮毂或楔形块上加工有凸台，该凸台与法兰上相应孔或槽相配合，两个法兰分别安装在轮毂两侧，组成所述骨架。

3、根据权利要求1或2实现的光纤线圈制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)在权利要求1或权利要求2所述的骨架表面涂覆一层热溶胶；

(2)绕制线圈，将绕制的光纤线圈置于真空压力装置中，并进行真空压力浸渍；

(3)将浸渍完成后的光纤线圈置于离心机上进行甩胶；

(4)固化光纤线圈；

(5)对固化后的光纤线圈进行加热，取下骨架，并在光纤线圈的最内层和最外层涂覆一种隔热胶，完成无骨架光纤环的制备。

4、根据权利要求3所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述步骤(4)固化后还采用小量级的振动对光纤线圈进行应力释放。

5、根据权利要求4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述的振动量级控制在2～6g，时间控制在30～60分钟。

6、根据权利要求3或4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的热溶胶的厚度为0.5～1mm。

7、根据权利要求3或4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的绕制线圈过程为：根据光纤线圈的层数及骨架的外径，确定绕制第一层所采用的张力，绕制的过程中逐层线性减小绕纤的张力，直至绕完整个线圈。

8、根据权利要求7所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述的绕制第一层所采用的张力

其中，

为光纤的外径；

Y为光纤允许的最大张力，Y通常小于30g；

D为骨架的内径。

9、根据权利要求7所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述的逐层线性减小绕纤的张力的递减系数为x满足nx+2＜F；

其中，n为线圈绕制层数；

F为第一层的绕纤张力。

10、根据权利要求3或4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的压力浸渍时的压力控制在0.5～2Mpa之间。

11、根据权利要求3或4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的浸渍所采用固化胶的硬度低于25度、热胀系数低于5×10^-4。

12、根据权利要求11所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述的固化胶中可以加入导热物质，使光纤线圈在温度环境内快速达到热平衡。

13、根据权利要求3或4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的离心机的转速控制在500～2000转/分钟，时间控制在2～5分钟。

14、根据权利要求3或4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的固化一般采用加热，或常温放置或紫外光照射的方法。

15、根据权利要求3或4所述的光纤线圈制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)中加热的温度不易超过60℃。

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