CN101915576B - 一种用于光纤陀螺的光纤环圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光纤陀螺的光纤环圈，包括有传感骨架和绕制在传感骨架上的保偏光纤，其特征在于所述的保偏光纤为保偏光纤带，所述的保偏光纤带由2×n根保偏光纤并列粘接而成，n为1，2，3…，构成芯数2×n的保偏光纤带，绕制后的保偏光纤带两个端头中相邻光纤的首尾熔融相接，第一根光纤的首端和最后一根光纤的尾端分别作为光纤环圈的输入端和输出端。本发明可以极大的改善光纤环圈的绕制质量和绕制速度，提高光纤环圈的性能指标和绕制效率，改善绕环光纤的几何控制精度和温度性能，使光纤环圈的温度稳定性和光纤环圈的精度指标得到提高；本发明简化了光纤环圈的绕制工艺，绕制方式简单可靠，重复性好，也提高了绕制效率。

Description

一种用于光纤陀螺的光纤环圈
技术领域
本发明涉及一种用于光纤陀螺的光纤环圈，属于光纤陀螺技术领域。
背景技术
光纤陀螺诞生于1976年，是利用光纤传感技术测量空间惯性转动速率的一种新型传感器，目前已发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，它与通常使用的机械陀螺和近年来开发的激光陀螺相比，适用范围更大，且成本低，体积小，重量轻。光纤陀螺的应用前景十分广阔，它不仅用于飞机、船舶的导航，导弹制导，宇宙飞船的高精度姿势控制，而且在民用上还可以应用于高级轿车的导向，以及机器人和自动化控制系统等等。
光纤环圈是光纤陀螺的传感元件，对它的基本要求是消光比要大，互易性要好。如何绕制高质量的光纤环圈，对光纤陀螺的研制十分重要，其绕制方法有多种，比如螺旋绕法、四极绕法、反四极绕法、八极绕法等等。这么多种绕法的核心就是为了实现光纤环圈的互易性，抑制shupe效应。
美国专利US5848213，Low shupe bias fiber optic rotation sensor coil，揭示了一种使用并带光纤绕制环圈的方法：即使用并带光纤进行绕环，将并带的头子按照一定顺序熔接在一起，绕环后形成环圈。这样可以保证绕环的时候光纤都是平行的。这种方法在环圈绕制的过程中，增加了许多的光纤熔接接头，会导致传感线圈的性能不稳定。同时使用这种方法绕制光纤线圈，并没有很好的办法来保证两个旋转方向的互易性，对光纤线圈的温度稳定性没有很好的改善。
其他相关的国内外专利主要涉及如何在光纤环圈的固定胶中加入银粉、碳粉等材料以改善环圈的温度传导性能、或者使用不同的绕制方法以改善环圈的温度稳定性。根据多年的研究和试验证明，使用四极绕法的光纤环圈在温度稳定性方面的性能是最为优良的，因此当前的陀螺用光纤环圈均使用四极绕法，其他的绕制方法鲜有使用。但是由于圆柱形光纤的形态所限，光纤环圈在绕制过程中的张力控制、光纤错位、长度对称性控制均存在许多困难，使得最终绕制的光纤环圈质量难以达到较好的一致性和稳定性，影响了光纤陀螺产品的批量化生产。因此改善光纤环圈的性能是当前光纤陀螺研制的关键之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种能改善光纤环圈的应力和温度敏感性，提高其制作工艺和精度指标的用于光纤陀螺的光纤环圈。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有传感骨架和绕制在传感骨架上的保偏光纤，其特征在于所述的保偏光纤为保偏光纤带，所述的保偏光纤带由2×n根保偏光纤并列粘接而成，n为1，2，3…，构成芯数2×n的保偏光纤带，绕制后的保偏光纤带两个端头中相邻光纤的首尾熔融相接，第一根光纤的首端和最后一根光纤的尾端分别作为光纤环圈的输入端和输出端。
按上述方案，所述的保偏光纤带由2根或4根保偏光纤并列粘接而成，构成2芯或4芯保偏光纤带。
按上述方案，所述的保偏光纤带由保偏光纤通过粘接剂并经紫外固化而成；粘接剂为树脂，树脂的热膨胀系数在光纤环圈的使用温度范围内与温度变化呈线性关系。
按上述方案，所述的保偏光纤为熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤、椭圆纤芯型保偏光纤或光子晶体型保偏光纤。
按上述方案，所述的保偏光纤带绕制在传感骨架上的方式为四极绕法、螺旋绕法、反四极绕法或八极绕法。
按上述方案，所述的绕制在传感骨架上的各层保偏光纤带，每层保偏光纤带紧密并列，上下层保偏光纤带对应各圈上下对齐。
按上述方案，所述的保偏光纤带为2芯保偏光纤带，用四极绕法绕制在传感骨架上，即将保偏光纤带长度上均分为二，取中点将保偏光纤带划分成左、右两段，先将左段从光纤带中点开始在传感骨架上从左到右绕制第一层环圈，然后将右段从光纤带中点始在传感骨架上从左到右绕制第二层环圈，再从右到左绕制第三层环圈，继而将左段光纤带在传感骨架上从右到左绕制第四层环圈，再从左到右绕制第五层环圈，每绕制两层左、右段相互交替，直至绕制完所设计的匝数，其中最后一层由左段光纤带从右到左绕制而成，使得左、右段光纤带在传感骨架上的绕制匝数相等；将左、右段光纤带两端端头的光纤分开，然后将左段端头的一根光纤与右段端头的另一根光纤熔融连接，并将连接完成的光纤使用固化胶固定在光纤环圈表面，余下的两根光纤端头作为光纤环圈的输入段和输出端。上述描述中，左、右可对应互换。
按上述方案，绕制在传感骨架上的光纤带由固化胶粘接定位。
本发明的的有益效果在于：1、减少需要绕制光纤的长度：当使用2×n芯数的保偏光纤带时，所需绕制的光纤带长度只有环圈要求的光纤长度的1/(2×n)。由于光纤环圈一般使用四极绕法，对所绕制光纤的应力控制、位置控制要求极为严格，因此缩短光纤长度可以极大的改善光纤环圈的绕制质量和绕制速度，提高光纤环圈的性能指标和绕制效率；并且本发明具有较好的长度对称性，使得最终绕制的光纤环圈质量达到较好的一致性和稳定性，2、改善绕制光纤的控制精度：由于光纤圆柱形结构的特点，在光纤环圈的绕制过程中，上层光纤只能位于下层光纤的间隙，就是上层光纤位于下层光纤形成的V型凹槽中并存在一个过渡交叉点，如图2所示。在这个交叉点位置，光纤有搭接，应力的控制比较困难。而使用本发明的保偏光纤带，上下层光纤可以平行层叠，每层表面光滑平整，有效的避免了单根光纤绕制存在的交叉点问题。因此本发明提出的保偏光纤带，可以改善绕环光纤的几何控制精度，进一步提高光纤环圈的性能指标；3、改善光纤环圈的温度性能：使用本发明的保偏光纤带，由于绕制过程控制稳定，光纤带之间上下平行稳定搭接，因此在光纤环圈的制作中，可以极大地减少固化胶的使用，由于固化胶在光纤环圈的使用温度范围内不可避免的存在热膨胀问题，会对光纤环圈的温度稳定性产生较大的影响，因此减少固化胶的使用可以有效改善光纤环圈的温度稳定性，提高光纤环圈的精度指标；4、简化了光纤环圈的绕制工艺，绕制方式简单可靠，重复性好，也提高了绕制效率。
附图说明
图1为理想四极绕法光纤排列示意图，图中1为单根光纤，2、3分别为单根光纤的两个端头，也为光纤环圈的输入输出端。
图2为现有实际单根光纤四极绕法光纤排列示意图，图中4为同层相邻光纤形成的V型凹槽，5为分布于绕制光纤之间的固化胶。
图3为本发明双芯保偏光纤带结构示意图。
图4为本发明四芯保偏光纤带结构示意图。
图5为本发明光纤带分段示意图(以中点对称分绕于两个分纤盘)。
图6为本发明一个实施例中从光纤带中点开始的四极绕法绕制示意图。
图7为本发明2芯光纤带四极绕制线圈局部排列示意图。
图8为本发明2芯保偏光纤带光纤环圈整体剖视结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图进一步说明本发明的实施例。
实施例1：
将2根相同类型的保偏光纤1用树脂并列粘接经紫外固化制成双芯保偏光纤带6，制备好双芯(2芯)保偏光纤带后，将光纤盘上的光纤带分一半到另一个相同的光纤盘上，从而得到这一根并带光纤带的中点9，这个中点就是在绕制环圈时所需要的对称中点，线圈的绕制从这个中点开始。采用四极绕法，从对称中点开始，依次将两个分纤盘上的光纤带绕制到传感骨架10上，图4和图5给出了四极绕法的关键步骤。双芯保偏光纤带6被均分成左、右两段分绕于左、右分纤盘7、8上，光纤带的中点即图中的9。然后线盘状的传感骨架和两个分纤盘被安装在光纤环圈绕制设备上，从中点9开始双芯光纤带被绕制在传感骨架10上，如图5所示。当绕制右分纤盘8上的带纤时，左分纤盘7与传感骨架10同步公转，即左分纤盘7和传感骨架10保持相对静止，传感骨架旋转绕纤，右分纤盘8放纤；同样，当绕制左分纤盘7上的光纤时，右分纤盘8和传感骨架10保持相对静止。通过交互绕制分纤盘上的光纤带，将光纤带6最终绕制在骨架10上。所述的绕制在传感骨架上的各层保偏光纤带每层保偏光纤带紧密并列排列，上下层保偏光纤带对应各圈上下对齐，紧密层叠。绕制的方式为除第一层和最后一层外一个分纤盘上的光纤带在骨架上绕制两层，然后另一个分纤盘上的光纤带随之在其上绕制两层，每绕制两层左、右段光纤带相互交替，直至绕制完所设计的匝数，其中第一层和最后一层均由左段(或右段)光纤绕制而成，使得左、右段光纤带在传感骨架上的绕制匝数相等。绕制的过程中严格遵照四极对称绕法的要求。绕制完后将双芯保偏光纤带的一个端头切齐，然后将两端其中一根光纤交叉熔接在一起，形成左右两段对称螺旋结构的光纤环圈11。图7是双芯保偏光纤带绕制的光纤环圈的示意图，带纤被绕制在骨架10上，其中最外层的两层光纤带，靠近骨架右侧的为保偏光纤带的两个端头。为了得到一根完整的保偏光纤环圈，将上下端头的标志有“×”号的光纤熔融连接，余下的两根标志有“+”号的保偏光纤端头用于光纤环圈的输入端和输出端。这样一个光纤长度两倍于光纤带的陀螺用光纤环圈即被绕制完成。熔接完成后，用并带时所使用的树脂将熔接的头子密封粘接在线圈骨架的侧边固定，熔接点基本上可以作为整个传感线圈的对称中点，但为了避免熔接点可能出现的微小对称反射干扰，要求熔接点避开真正的对称中心。
本实施例采用工作在1550nm波长，模场直径6μm，125μm包层直径的保偏光纤先进行双芯并带，光纤的涂覆层直径为250μm，并带后矩形并带的长边边长(如图3中的d值)为510μm。将双芯并带后的光纤使用四极绕法绕制在如图7所示的传感骨架上，传感骨架的尺寸需要保证内宽度为(d值)510μm的整数倍，且槽的深度为并带光纤厚度(b值)250μm的4倍整数倍，这些参数的要求都是为了满足保证四极对称的需要。本实施例选用的参数为骨架内宽度(a值)为20.4mm，骨架深度(c值)为20mm。将骨架内槽全部绕满之后得到的光纤环圈的参数为：室温偏振串音-26dB。将该光纤环圈测量串音的温度稳定性，测量条件如下：温度从-40℃均匀上升到+60℃，温度变化的速度为2℃/min，测量表明全温串音变化为3.5dB。该光纤环圈的常温串音大小和全文串音变化可以满足中等精度光纤陀螺的应用需求。比较于使用单根光纤绕制的光纤环圈，一般其常温串音在-22dB到-26dB左右，而其全温串音变化一般大于7dB以上。因此比较于使用双芯保偏光纤带绕制的光纤环圈，单根光纤绕制的光纤环圈的温度稳定性较差。
实施例2-8：
在实施例2-8中，采用同样的并带结构设计，并同样采用四极对称绕法进行光纤环圈的绕制，并带的参数、环圈骨架的参数以及绕制后光纤环圈的偏振串音参数见表1。其中全文测量条件与实施例1相同。
表1：并带的参数、环圈骨架的参数以及绕制后光纤环圈的偏振串音参数
Figure BSA00000184865100051
由表1可知，使用本发明的保偏光纤带绕制光纤环圈，其常温串音大小保持相当稳定，同时其全温串音变化在3dB左右，分布集中。表明使用本发明的保偏光纤带所绕制的光纤环圈具有性能稳定，批次性好的特点，对于光纤陀螺的批量化研制生产具有重要的意义，同时使用本发明提出的保偏光纤带绕制的光纤环圈其全温串音变化远小于单根保偏光纤绕制的环圈的全温串音变化，完全可以满足中等精度光纤陀螺的指标要求。

Claims (7)

1.一种用于光纤陀螺的光纤环圈，包括有传感骨架和绕制在传感骨架上的保偏光纤，其特征在于所述的保偏光纤为保偏光纤带，所述的保偏光纤带由2×n根保偏光纤并列粘接而成，n为1，2，3…，构成芯数2×n的保偏光纤带，绕制后的保偏光纤带两个端头中相邻光纤的首尾熔融相接，第一根光纤的首端和最后一根光纤的尾端分别作为光纤环圈的输入端和输出端。
2.按权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环圈，其特征在于所述的保偏光纤带由2根或4根保偏光纤并列粘接而成，构成2芯或4芯保偏光纤带。
3.按权利要求1或2所述的用于光纤陀螺的光纤环圈，其特征在于所述的保偏光纤带由保偏光纤通过粘接剂并经紫外固化而成；粘接剂为树脂，树脂的热膨胀系数在光纤环圈的使用温度范围内与温度变化呈线性关系。
4.按权利要求1或2所述的用于光纤陀螺的光纤环圈，其特征在于所述的保偏光纤为熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤、椭圆纤芯型保偏光纤或光子晶体型保偏光纤。
5.按权利要求1或2所述的用于光纤陀螺的光纤环圈，其特征在于所述的保偏光纤带绕制在传感骨架上的方式为四极绕法、螺旋绕法、反四极绕法或八极绕法。
6.按权利要求5所述的用于光纤陀螺的光纤环圈，其特征在于所述的绕制在传感骨架上的各层保偏光纤带，每层保偏光纤带紧密并列，上下层保偏光纤带对应各圈上下对齐。
7.按权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环圈，其特征在于所述的保偏光纤带为2芯保偏光纤带，用四极绕法绕制在传感骨架上，即将保偏光纤带长度上均分为二，取中点将保偏光纤带划分成左、右两段，先将左段从光纤带中点开始在传感骨架上从左到右绕制第一层环圈，然后将右段从光纤带中点始在传感骨架上从左到右绕制第二层环圈，再从右到左绕制第三层环圈，继而将左段光纤带在传感骨架上从右到左绕制第四层环圈，再从左到右绕制第五层环圈，每绕制两层左、右段相互交替，直至绕制完所设计的匝数，其中最后一层由左段光纤带从右到左绕制而成，使得左、右段光纤带在传感骨架上的绕制匝数相等；将左、右段光纤带两端端头的光纤分开，然后将左段端头的一根光纤与右段端头的另一根光纤熔融连接，并将连接完成的光纤使用固化胶固定在光纤环圈表面，余下的两根光纤端头作为光纤环圈的输入段和输出端。
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