CN102589541A - 一种消除外界环境因素影响的光纤环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除外界环境因素影响的光纤环，属于光学测量、光纤传感技术领域。该光纤环包括由光纤绕制成的主体，其特征在于，还包括在该主体的表面包裹隔热层，用于消除外界因素影响。还包括光纤环骨架采用非金属材料制作成的骨架，用于与光纤热胀系数相匹配，使得光纤环在外界温度发生变化的时候，降低光纤陀螺由于光纤环因温度变化引起的等效不对称度而产生的精度偏差。本光纤环还包括在光纤环外增加磁屏蔽材料层，以减小或消除外界磁场对于光纤环角度传感器的影响。

Description

一种消除外界环境因素影响的光纤环

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域；特别涉及通过给光纤环增加隔热层，消除由于外界温度变化对于光纤环对称性影响，从而实现提高光纤环质量。

背景技术

光纤环是光纤角度传感器(又称光纤陀螺)的核心部件，它的质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前，传统的光纤环多是将光纤环绕制在金属骨架上，然后将光纤环装配到角度传感器当中。角度传感器通常包括一些有源器件，包括光源、调制器、光探测器等；这些器件在工作过程当中往往会散发热量，这些热量往往是局部的，不连续的不均匀的，这些热量会在光纤环上产生局部温度梯度，从而给光纤环产生非互易度，造成角度传感器的精度降低。另外，整个角度传感器在使用过程中，其整体使用环境温度的变化，如在水下、外太空的低温和高速飞行产生的高温等，都可能会对光纤环的对称性造成影响。

光纤陀螺(Fiber Optic Gyro，FOG)的原理是基于Sagnac效应，也即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。一束光进入光纤环的闭合光路中，被分成两束在同一光路中沿闭合光路相向传播，当光路不发生旋转的时候，两束光会同时回到光的初始注入点，这种情况下，光路的特性称之为是具有互易性(光从两个方向入射的效果是相同的)。在光路发生转动的时候，与旋转同向传播的光会比反向传播的光所经历的路程要长(这个时候的光路被称之为具有非互易性)。从而产生了与转动角速度成正比的光程差。这个光程差可以通过干涉法测量来确定，这种光路中的相位变化可通过光电探测器将干涉光信号转变成电压信号输出来检测。由于输出信号与转动引起的相位差呈余弦函数关系，为了获得高灵敏度，需要调制来施加偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点。

光纤环是光纤陀螺的传感核心部件，它对光纤陀螺来说，既是提高精度的重要途径，同时也是主要影响精度的因素。光纤环在绕制过程中需采用特殊的缠绕方式、精密的绕制技术，来保证光纤环具有高质量的静态特性(低的偏振串音、低的插入损耗等)和高质量的瞬态特性(抗振动、抗冲击、不受环境温度和磁场的影响)。

光纤环在具体的应用中即会受到来自光纤陀螺应用环境中的机械张力、振动、冲击和温度梯度等因素引起的环境干扰，同时，光纤陀螺中的有源电路和光学器件也会产生热量，这些环境干扰对相向传播的两束光信号影响不同时，会产生附加相位漂移误差。这种瞬态效应会妨碍Sagnac相位差的精确检测。

光纤环绕制不对称易产生热致非互易性相移；光纤环绕制技术不完善除了会导致光纤环插入损耗增大和保偏光纤环出现消偏性以外，光纤环绕制过程中的应力(缠绕的压应力、弯曲应力和扭曲应力等)会造成光纤环性能下降和应力产生的非互易性相移，等等。这些均作为光纤环路中的光路缺陷，对传输于光纤环中光波相位产生影响，从而降低光纤陀螺的整体精度。

在光纤环绕制中，目前普遍所采用多极对称绕法，这种绕制方法虽然在一定程度上能改善光纤环瞬态特性。但因为这种绕制方法，操作复杂，不可避免地会在绕制中出现一些光纤爬升、塌陷、交叉等缺陷，会影响光纤环的性能。另外，以目前绕制工艺来说，绕制出来的光纤环，两个干涉臂的长度无法保证其绝对的对称性；即便是两干涉臂光纤长度绝对一致，由于上述绕制缺陷，也会造成两个干涉臂的等效不对称。这种等效不对称度的存在，当外界的温度发生变化的时候，由于热传导的过程在光纤环当中产生温度梯度，会使得这种不对称度在光纤陀螺运行过程中产生非互易度，就会影响光纤陀螺角度传感的测量精度；而且，这个温度梯度越大，则非互易度就越大，光纤陀螺的精度偏差也就越大。在现实应用当中，外界温度变化越剧烈，即快速升温或者快速降温，或者温度在短时间内发生周期性或非周期性的升温降温，都更会引起上述温度梯度的加大。

造成外界因素影响光纤环特性还有一个因素，就是目前光纤陀螺用光纤环普遍采用有骨架的结构，而光纤环骨架通常是金属材料制成。因为金属材料热胀系数和光纤的热胀系数有很大的差别，当外界温度发生变化时，由于两者的膨胀变形不同，从而使得光纤的张紧度发生变化，也就使得光纤内部的应力产生变化，进一步造成了光纤环的对称度变化，影响了光纤陀螺的正常运行。

当前对于光纤陀螺受温度影响产生误差的认识还具有局限性，通常把这种误差归咎于光纤环外围电路系统和其它器件的影响，而没有将注意力放在温度对于光纤环性能影响上，所以在从根本解决外界温度变化对于光纤陀螺特性影响方面还做得不到位。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种消除外界环境因素影响的光纤环，实现制作出可以受外界温度变化对光纤陀螺精度影响小的光纤环。甚至对于周期性短的温度剧变，由于隔热层的存在，在光纤环上呈现出没有温度梯度。

本发明提出一种可消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，该消除外界因素影响的光纤环包括在一个绕制好的光纤环的上、下、环内径、环外径都贴上隔热材料；

在以上基础上，进一步可以包括使用硬质材料外壳将贴上隔热材料的光纤环封装起来。

在以上结构中，要注意留出光纤环的尾纤的出口，保证尾纤在不受弯折的情况下顺利引出。

在以上方法中，所封装的光纤环，既可以是带有骨架一起封装，也可以是绕制完成后去掉骨架再封装。

所使用的隔热材料，既可以是保温棉一类的材料，也可以是隔热涂料。

最后封装用的硬质材料主要有两个功能，一个是将隔热材料在光纤环周围固定起来；另外一个功能是有利于封装后的光纤环在装配光纤陀螺中的时候容易和相关部件进行装配；所以，必要的时候，需在硬质材料外壳上预留安装孔或者带孔凸出“耳朵”。

最后封装用的硬质材料壳体，既可以是金属材料，如铝合金，也可以是导热率较低的硬质材料，如：工程塑料、玻璃钢等；

通常如保温玻璃棉等一类的隔热材料，由于其柔软性和弹性，不能将光纤环在封装硬质材料课题中紧密固定，多少会有一些松动；为了防止这种松动的存在影响光纤环的工作特性，可在穿过隔热材料在光纤环骨架和外壳之间加装固定栓，为了防止固定栓的存在降低隔热效果，固定栓的材料可以选用隔热特性较好的材料，如玻璃钢等；

本结构当中，还包括在隔热材料当中增加磁屏蔽材料，从而可以降低外界磁场变化对光纤环的对称性产生的影响。

本发明的主要特点及有益的效果：

本发明提出的方法是通过将光纤环进行对外隔热，从而减小内部存在温度梯度或其他瞬态环境变化使得光纤陀螺角度传感输出误差显现出来的不对称性。从原理上说，由于光纤环采用了对称绕法，当它内部存在温度梯度分布或其他瞬态环境变化的情况下，由于对称绕法的Shupe效应相互抵消，其输出不会产生误差。亦即在光纤环没有发生旋转的时候，不会产生旋转的信息输出。但是由于光纤环绕制过程中，两臂的长度会有差别，即便是没有差别或者差别很小，由于绕制过程中工艺问题产生的应力不均匀(如光纤的叠加、扭转、拉伸等)，使得其等效对称度发生偏离，这时候在光纤环存在温度梯度的情况下，Shupe效应得不到抵消，其输出就会产生偏差。而且这种等效不对称度越大，输出的偏差也会越大。

本发明就是通过将上述增加隔热材料，使得光纤环的温度梯度减小，因而等效不对称度也就降低，从而提高光纤环整体的质量。

本发明还提出使用非金属骨架的光纤环。

本发明除了主要针对光纤陀螺用的光纤环，还可用于对其他传感领域的光纤环质量的提升。

附图说明

图1一个消除外界因素影响的光纤环方案结构示意图；

图2一个消除外界因素影响的光纤环方案的剖面图；

图3一个加装了磁屏蔽材料的光纤环封装方案剖面图；

图4一个加装了固定柱的光纤环封装方案；

图5一个无骨架光纤环的封装方案；

图6封装前后光纤环性能测试曲线图；

图7是采用非金属骨架的光纤环和采用金属骨架的光纤环性能测试曲线；

具体实施方式

本发明提出的方法结合附图及实施例说明如下：

图1是一个实施例封装光纤环(作为光纤陀螺用光纤环)拆分示意图，其中101和102是一对铝合金封装外壳；111是光纤环骨架，在实际应用中，骨架上绕制光纤；103、104、107、109、110为隔热材料层，分别在光纤环内径孔、外圆周、轴向两端将整个光纤环包裹，本实施例采用具有纳米微孔的纤维材料保温棉作为保温隔热材料层，这种纳米微孔材料，由于纳米微孔的存在可以更好地起到隔热作用；目前市场上已经有一些各种形式的商品销售，包括隔热板(如上海纳威信保温节能材料有限公司生产的纳米孔超级绝热板)、隔热毡(如天津南极星隔热材料有限公司生产的纳米孔隔热纤维毡)、纳米孔硅质隔热材料等。在实际应用中还可使用玻璃保温棉作为保温隔热材料层；隔热材料的厚度要根据光纤陀螺的适用环境，一般厚度在3到5毫米即可，通常只需一层。在保温棉和光纤环之间，还采用隔磁薄膜材料层(本实施例采用坡莫合金材料层)进行防磁处理(105、106、107、108)，隔磁材料的厚度也要根据光纤陀螺的适用环境，一般厚度在0.1到0.5毫米即可，形状分别是两个筒形保温材料(110、109)包裹在光纤环内径孔和外圆柱面上、两个筒形防磁薄膜材料层(107、108)包裹在两个筒形保温棉(110、109)的内外表面，两个圆环保温棉(103、104)和两个圆环隔磁薄膜材料层(105、106)在依次轴向盖住光纤环；或隔磁薄膜材料层(105、106)放在金属外壳(101、102)和隔热材料层(103、104)之间；所有部件按照图1所示意的顺序组装起来，成为如100一样的一个整体。保温棉104上的两个缺口是用来导出光纤环尾纤的。上述隔热材料层还可采用隔热涂料层或隔热胶层。

因为隔磁材料(坡莫合金)本身的硬度和一般制作外壳的金属材料差不多，所以也可以使用防磁材料制作整体外壳101和102，这样就可以省去105、106、107、108防磁材料。

本发明还进一步可在外壳内部抽真空，形成真空状态，用于提高隔热效果。

如果在一些场合不需要考虑光纤环防磁的应用，也可以不装隔磁材料层。图2是组装后的没有加隔磁材料层的封装光纤环的剖面图，201的位置是绕制的光纤。

图3是在图2的基础上，增加了防磁材料。图3的防磁材料107安装的位置和图1有所不同，是安装在外壳和隔热材料之间。本实施例采用坡莫合金薄片(厚度0.1毫米)作为隔磁材料，装在了外壳和隔热材料之间；隔磁材料也可以加装在隔热材料和光纤环之间，或者直接用隔磁材料作为外壳。

由于隔热材料通常都是较为柔软容易被压缩的材料，在光纤环整体使用的时候，会因为外界震动、翻转等情况，使得光纤环骨架在外壳当中有相对的位移，从而光纤环的光纤会受到不同方向的压力变化，或者因为震动产生相对移动，影响光纤环的对称性。因此，本发明设计了使用刚性材料将光纤环骨架和封装外壳进行固定的工艺。图4是一个使用了刚性材料固定的封装光纤环的剖面示意图；其中401为一个刚性材料制成的固定柱。固定柱一头和金属外壳101相连接，另一头和光纤环骨架111相连接。一般刚性固定柱的直径以不超过光纤环总体直径1/10，不小于1/20，每一侧3支为好。刚性固定柱需要选择导热性差的材料，以避免从固定柱的位置将外界热量传导到光纤环上，影响整个封装效果；本实施例刚性固定柱选用隔热性较好的玻璃钢棒。

目前光纤环普遍采用的是金属骨架，由于金属骨架的热胀系数和光纤的差距较大，所以在温度变化的时候，骨架的膨胀和收缩会对光纤的应力造成影响，从而影响到光纤环的质量，因此，在本发明的一个实施例中，还使用了热胀系数小的非金属骨架。

非金属骨架可用于上述实施例中，也可单独使用，即在不采用隔热材料包裹封装的情况下使用，与金属骨架的光纤环相比，同样也能够一定程度上消除外界温度变化对光纤环质量影响；本实施例采用了碳纤维基材的树脂板制成的骨架(采用与常规金属骨架相同的尺寸)，具体工艺采用精密切割后胶合制成。除了胶合的方案，也可以采用整体模压的方法，一次成型碳纤维基材光纤环骨架。

在实际应用中，有时还会使用到无骨架的光纤环，图5是一个设有外壳101保温层109和隔磁层107的无骨架光纤环封装方案。

对上述无骨架光纤环封装方案在封装前后的光纤环进行了温度变化状态下的性能测试，如图6所示，图A是封装后的光纤环的角速度误差测试曲线，在温度激励的情况下，随时间变化过程中性能变化起伏不大。图B是封装前的光纤环的角速度误差测试曲线，在温度激励情况下，随着时间的变化，有较大的起伏，角度误差很大。图7是使用金属材料骨架和非金属材料骨架的两种无封装光纤环的性能对比图，从图中可以看出，随着温度的变化，金属骨架的光纤环性能(A)波动与非金属骨架光纤环性能(B)相比要大很多。

Claims (16)

1.一种消除外界因素影响的光纤环，该光纤环包括由光纤绕制成的主体，其特征在于，还包括在该主体的表面包裹隔热层，用于消除外界因素影响。

2.如权利要求1所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，该光纤环还进一步包括在隔热层外面加装外壳，用于方便光纤环的安装。

3.如权利要求1所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，所述隔热材料层是纳米孔隔热材料层或玻璃纤维棉层或隔热涂料层或隔热胶层。

4.如权利要求1所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，所述光纤环为光纤陀螺用光纤环。

5.如权利要求1所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，该光纤环还进一步包括在隔热材料层和光纤环主体之间或者在隔热层之外加装隔磁材料层，用于消除外界磁场影响。

6.如权利要求5所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，所述隔磁材料层为坡莫合金材料层。

7.如权利要求2所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，所述外壳为金属外壳或塑料外壳或防磁材料外壳。

8.如权利要求2所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，还进一步包括外壳内部形成真空状态，用于提高隔热效果。

9.如权利要求1所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，所述主体带有骨架。

10.如权利要求9所述光纤环，其特征在于，所述骨架是采用非金属材料制成的骨架，用于与光纤热胀系数相匹配。

11.如权利要求10所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，所述骨架是使用碳纤维材料为基材制成的骨架。

12.如权利要求9所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，还包括连接所述外壳和骨架的固定柱。

13.如权利要求12所述光纤环，其特征在于，所述固定柱是采用玻璃钢材料或塑料材料制成的固定柱。

14.一种消除外界因素影响的光纤环，该光纤环主要由主体骨架及绕制在该主体骨架上的光纤构成，其特征在于，该主体骨架采用非金属材料制作成的主体骨架，用于与光纤热胀系数相匹配。

15.如权利要求14所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，主体骨架为碳纤维材料为基材制成的主体骨架。

16.如权利要求15所述消除外界因素影响的光纤环，其特征在于，所述主体骨架是采用碳纤维基材板精密切割后胶合制成，或采用一次性模压成型制成的主体骨架。 

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