CN102564412A - 光纤陀螺无骨架光学感应环的光纤固化方法 - Google Patents

Abstract

光纤陀螺无骨架光学感应环的光纤固化方法，根据光纤感应环的结构特点，设计一种光纤环脱离骨架的可拆卸装置，在该装置上面可以满足数千米的光纤按照四极对称方法绕制，光纤环绕制完成后，可以实现光纤环与骨架的脱离；另外，结合无骨架光纤感应环绕制工艺，分步骤进行光纤环敷胶及光纤环固化，实现无骨架光纤感应环。本发明可以在带骨架光纤环绕制机构上面实现光纤绕制，无需特殊设计，结构简单，可操作性强，并且具有温度稳定性好、可靠性高的特点。

Description

光纤陀螺无骨架光学感应环的光纤固化方法

技术领域

本发明属于惯性传感器设计技术领域，涉及用于高精度、高稳定的干涉型光纤陀螺的无骨架光纤感应环固化技术，为一种光纤陀螺无骨架光学感应环的光纤固化方法。

背景技术

光纤陀螺是建立在Sagnac效应基础上的光学干涉仪，具有全固态设计、结构简单、抗冲击、频带宽、平均无故障时间长、功耗低等优点，光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用使捷联技术的优势更加突出，在航空、航天、航海、兵器等导航控制系统、姿态控制系统以及相关领域中，有着广阔的应用前景。

目前，中等精度光纤陀螺技术趋于成熟，高精度、高稳定的干涉型光纤陀螺是研究开发的热点。光纤陀螺中Sagnac感应相位与载体角速率之间满足如下函数关系：

φ_S＝(2π/λ)ΔL＝[8πS/(λ₀c)]·Ω＝[4πRL/λ₀c]·Ω

                                                                (1)

S＝NπR²，L＝N·2πR

其中，φ_S为Sagnac效应相位差，R为环形干涉仪半径，Ω为相对惯性空间旋转角速度，S为N匝光纤所围绕的面积，L为N匝光纤所围绕的光纤长度，光速C和圆周率π均为常数，光源发光的波长λ以及光纤线圈半径R、匝数N等结构参数均为定值。光纤陀螺仪的输出相移φ_S与输入角速度Ω成正比，即φ_S＝KΩ，光纤陀螺仪就是利用Sagnac效应，通过对旋转光纤环中光束进行相位解调，进而敏感相位的变化来感知外部载体的角速度。

由(1)式可以看出，光纤的长度L直接影响到光纤陀螺的灵敏度，直接影响到光纤陀螺的分辨率，该特性对于设计高精度、高分辨率的光纤陀螺来说，至关重要。

实际应用中，为了增强干涉型光纤陀螺灵敏度，普遍采用长度为1000米至3000米的光纤感应环装置。目前，光纤感应装置都是将1000米至3000米的光纤绕制在光纤感应环骨架上，形成多层多匝的光纤感应环，如图1。光纤感应环骨架通常采用金属铝合金材料，该金属骨架对光纤陀螺有两方面的影响：

其一，光纤陀螺长期应用中，金属铝合金材料会引起骨架变形，对光纤感应环形成挤压，导致光纤断裂；

其二，金属骨架的热胀冷缩系数与光纤材料的热胀冷缩系数不一致，导致光纤感应环形成不规则的应力分布，严重影响光纤陀螺的偏振光特性，导致光纤陀螺漂移，进而影响光纤陀螺的精度。

由于光纤感应环骨架对光纤陀螺的性能存在潜在的影响，从热胀冷缩理论上来讲，不带架的光纤感应环是光纤陀螺的最好选择。无骨架光纤陀螺的感应环结构中，需要将1000米至3000米的光纤按照四极对称方法固化固定在一起，并且要防止形变，实践中急需一种有效的无骨架光纤固化办法和设计。

发明内容

本发明要解决的问题是：无骨架光纤陀螺的感应环结构中，需要将1000米至3000米的光纤按照四极对称方法固化固定在一起，并且要防止形变，需要一种有效的无骨架光纤固化方法。

本发明的技术方案为：光纤陀螺无骨架光学感应环的光纤固化方法，包括以下步骤：

1)将绕制光纤环的圆柱形内侧骨架轴向三等分，分成三模块：M1、M2、M3，相邻模块之间存在1.5mm～2.5mm的间隙；

2)将绕制光纤环的骨架两侧挡板分别三等分分成三瓣，一侧为A瓣、B瓣、C瓣，另一侧为D瓣、E瓣、F瓣，相邻瓣之间存在0.5mm～1.0mm的间隙，其中A瓣与对面侧的D瓣、F瓣的正投影相交叠，B瓣与对面侧的D瓣、E瓣的正投影相交叠，C瓣与对面侧的E瓣、F瓣的正投影相交叠；

3)将挡板连接在内侧骨架两端，得到光纤环绕制骨架，其中每一侧的三瓣挡板与内侧骨架三模块的端面交叠覆盖彼此的间隙，即每一瓣挡板覆盖一个相邻模块之间的间隙，每一个模块的端面也对应覆盖挡板相邻瓣的间隙；

4)将光纤环绕制骨架放置在绕线机上面，按照四极对称法绕制光纤，绕制完成后在光纤环裸露表面涂覆一层紫外胶，用电机带动光纤环，进行紫外光照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化；

5)将完成绕制的光纤环的A瓣、F瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化；

6)将完成绕制的光纤环的B瓣、D瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化，将M1模块取下；

7)将完成绕制的光纤环的C瓣、E瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化，将M2、M3模块取下；

8)将两侧完成固化的光纤环放入紫外胶中浸泡24小时以上；

9)将步骤8)得到的光纤环放入紫外光固化箱，进行紫外光固化，固化箱中设置电动机控制，使被固化的光纤环绕着中心轴转动，整个固化过程连续进行1个小时以上，得到无骨架光学感应环。

本发明根据光纤感应环的结构特点，设计了一种光纤环绕制的可拆卸骨架，在该绕制骨架上面可以确保数千米的光纤按照四极对称方法绕制，光纤环绕制完成后，可以确保光纤环与骨架的脱离；针对无骨架光纤感应环绕制工艺复杂的特点，结合光纤的特性、固定胶的特性，选取与光纤自身涂覆层材料特性一致紫外胶作为的固定胶，并结合绕制过程，设计了光纤环敷胶及光纤环固化流程。

本发明结合光纤陀螺光纤感应环结构，提供一种针对光纤陀螺仪无骨架光纤感应环的实现方法，以解决带骨架光纤感应环所存在的应力分布不均以及应力干扰所导致的光纤陀螺漂移等问题，可以在带骨架光纤环绕制机构上面实现光纤绕制，无需特殊设计，结构简单，降低了成本，可操作性强。

附图说明

图1为光纤陀螺带骨架的光纤感应环结构图，光纤绕制在特定的光纤环骨架上面，光纤与骨架连为一体。

图2为光纤陀螺无骨架的光纤感应环结构图，光纤自成一体形成光纤环，无骨架支撑。

图3为本发明内侧骨架的三分示意图，内侧骨架三等分为M1、M2、M3。

图4为本发明光纤感应环骨架一侧挡板的三分示意图图，三等分为A、B、C。

图5为本发明光纤感应环骨架一侧挡板的三分示意图图，三等分为D、E、F。

图6为本发明光纤陀螺无骨架感应环实现的流程图。

具体实施方式

如图6，本发明的实施步骤如下：

(1)步骤1：

按照图3的方式，将绕制光纤环的圆柱形内侧骨架轴向三等分，分成三模块：M1、M2、M3，相邻模块之间存在1.5mm～2.5mm的间隙；

(2)步骤2：

将绕制光纤环的骨架两侧挡板分别按照图4、图5等分成三瓣，一侧为A瓣、B瓣、C瓣，另一侧为D瓣、E瓣、F瓣，相邻瓣之间存在0.5mm～1.0mm的间隙，其中A瓣与对面侧的D瓣、F瓣的正投影相交叠，B瓣与对面侧的D瓣、E瓣的正投影相交叠，C瓣与对面侧的E瓣、F瓣的正投影相交叠；

(3)步骤3：

通过螺钉将挡板连接在内侧骨架两端，得到光纤环绕制骨架，其中每一侧的三瓣挡板与内侧骨架三模块的端面交叠覆盖彼此的间隙，即每一瓣挡板覆盖一个相邻模块之间的间隙，每一个模块的端面也对应覆盖挡板相邻瓣的间隙；

(4)步骤4：

将光纤环绕制骨架放置在绕线机上面，按照四极对称法绕制光纤，绕制完成后在光纤环裸露表面涂覆一层紫外胶，用电机带动光纤环，进行紫外光照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化；

(5)步骤5：

将完成绕制的光纤环的A瓣、F瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化；

(6)步骤6：

将完成绕制的光纤环的B瓣、D瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化，将M1模块取下；

(7)步骤7：

将完成绕制的光纤环的C瓣、E瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化，将M2、M3模块取下；

(8)步骤8：

将两侧完成固化的光纤环放入紫外胶中浸泡，所需时间在24小时以上；

(9)步骤9：

将步骤8)浸泡后的光纤环放入紫外光固化箱，进行紫外光固化，同时为了使固化强度均匀，在固化箱中设置电动机控制，使被固化的光纤感应环绕着中心轴转动，整个固化过程需要连续进行，根据紫外灯光强而变化，要连续大于1个小时，最终依照图2形成无骨架光纤结构。

光纤在一定张力控制下绕在一个小直径的环骨架上，制成光纤陀螺用光纤感应环，在绕制好的光纤感应环内部便产生了一定的应力分布。外界应力对光纤参数(例如折射率)产生影响。当两束相向传输光波在光纤中传输时，在光纤感应环上某一局部位置处，在不同的时间里，经受应力效应的影响，这时两束光波间将产生非互易相位，该相位作为误差对因旋转产生的Sagnac相位产生影响，从而影响检测精度。基于Sagnac效应的光纤陀螺，当施加以转速Ω时，便产生了相位差ΔΦ_Ω，如下式所示：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_{\mathrm{\Ω}}=\frac{4\mathrm{KNA}}{C}\mathrm{\Ω}---\left(2\right)$

式中：N为光纤感应环匝数；C为真空中光速；K为光波数；A为光纤感应环面积；Ω为旋转角速度。

设光纤感应环应力场分布函数为S(l，t)，当两束相向传输光波在时间延迟τ内，分别通过光纤上任一小段dl，产生一个相位增量dΦ_S，可用式表示为：

$d{\mathrm{\Φ}}_S=K_1(\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dS}}+C_S\·n_c)\mathrm{\τ}\frac{\∂S(l,t)}{\∂t}\mathrm{dl}---\left(3\right)$

式中，n_c为纤芯折射率；dn_c/dS为光纤折射率应力变化，单位为N/m²；C_S为光纤压缩系数；K₁为比例系数；τ＝n_c(2l-L)/C为延迟时间；L为光纤长度。

对整根光纤长度积分，可得到光纤因应力导致的总非互易相移为：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_S=K_1(\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dS}}+C_S\·n_c)\frac{n_c}{C}{\∫}_0^L\frac{\∂S(l,t)}{\∂t}\·(2l-L)\mathrm{dl}---\left(4\right)$

根据环的结构特点，假设应力只在光纤感应环的轴向变化，并且近似呈线性。设光纤感应环在0到t的时间内应力变化为ΔS，那么环上某一点的应力变化可表示为：

S(l，t)-S(l，0)＝(l/L)ΔS                 (5)

当应力导致的非互易相移与Sagnac相移相等时，便确定了光纤陀螺的检测极限，即ΔΦ_S＝ΔΦ_Ω，可得：

$\mathrm{\Ω}=(\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dS}}+C_S\·n_c)\frac{n_c{K}_1}{4\mathrm{KNA}}{\∫}_0^L\frac{\∂S(l,t)}{\∂t}\·(2l-L)\mathrm{dl}---\left(6\right)$

对转速进行时间积分，便得到光纤陀螺的旋转角度。

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Ω}}={\∫}_0^t\mathrm{\Ωdt}=(\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dS}}+C_S\·n_c)\frac{n_c{K}_1}{4\mathrm{KNA}}{\∫}_0^L(2l-L)\mathrm{dl}{\∫}_0^t\frac{\∂S(l,t)}{\∂t}\mathrm{dt}$

$=(\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dS}}+C_S\·n_c)\frac{n_c{K}_1}{4\mathrm{KNA}}{\∫}_0^L(2l-L)\mathrm{dl}\·\frac{l}{L}\mathrm{\ΔS}---\left(7\right)$

$=\frac{K_1{n}_c\mathrm{\Δ}{\mathrm{SL}}^2}{K24\mathrm{NA}}(\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{dS}}+C_S\·n_c)$

为了克服应力对光纤陀螺精度的影响，要保持整个光纤感应环的光纤应力分布均匀性。从两方面解决这一问题，一方面采用特殊抗应力的光纤材料，另一方面采用无骨架光纤感应环。由于光纤技术已经成熟，并且不可改变，只能在此基础上采用第二种方案，即采用无骨架光纤感应环方案。因此本发明方法具有显著的进步。

Claims (2)

1.光纤陀螺无骨架光学感应环的光纤固化方法，其特征是包括以下步骤：

1)将绕制光纤环的圆柱形内侧骨架轴向三等分，分成三模块：M1、M2、M3，相邻模块之间存在1.5mm～2.5mm的间隙；

2)将绕制光纤环的骨架两侧挡板分别三等分分成三瓣，一侧为A瓣、B瓣、C瓣，另一侧为D瓣、E瓣、F瓣，相邻瓣之间存在0.5mm～1.0mm的间隙，其中A瓣与对面侧的D瓣、F瓣的正投影相交叠，B瓣与对面侧的D瓣、E瓣的正投影相交叠，C瓣与对面侧的E瓣、F瓣的正投影相交叠；

3)将挡板连接在内侧骨架两端，得到光纤环绕制骨架，其中每一侧的三瓣挡板与内侧骨架三模块的端面交叠覆盖彼此的间隙，即每一瓣挡板覆盖一个相邻模块之间的间隙，每一个模块的端面也对应覆盖挡板相邻瓣的间隙；

4)将光纤环绕制骨架放置在绕线机上面，按照四极对称法绕制光纤，绕制完成后在光纤环裸露表面涂覆一层紫外胶，用电机带动光纤环，进行紫外光照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化；

5)将完成绕制的光纤环的A瓣、F瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化；

6)将完成绕制的光纤环的B瓣、D瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化，将M1模块取下；

7)将完成绕制的光纤环的C瓣、E瓣挡板取出，对应的光纤裸露出来；采用紫外胶均匀涂敷，之后，采用紫外光进行照射，照射时间在三十分钟以上，直至紫外胶固化，将M2、M3模块取下；

8)将两侧完成固化的光纤环放入紫外胶中浸泡24小时以上；

9)将步骤8)得到的光纤环放入紫外光固化箱，进行紫外光固化，固化箱中设置电动机控制，使被固化的光纤环绕着中心轴转动，整个固化过程连续进行1个小时以上，得到无骨架光学感应环。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺无骨架光学感应环的光纤固化方法，其特征是选取与光纤自身涂覆层材料特性一致的紫外胶作为固定胶。

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