CN103884354A - 一种可变槽宽骨架工装及利用该工装的光纤环成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种可变槽宽骨架工装及利用该工装的光纤环成型方法，首先设计可调节槽宽的可拆卸绕制骨工装，槽宽尺寸可根据光纤的直径不同进行调节使之满足任意整数匝绕制的要求，再采用特殊绕制技术和低张力绕制技术将光子晶体光纤缠绕在可拆卸骨架上，为了提高光子晶体光纤环的性能水平，采用新型的施胶固化技术将光子晶体光纤固化，最后将可拆卸骨架工装拆卸得到成型的光子晶体光纤环。本发明采用的施胶固化工艺为浸胶固化工艺，通过设计新的胶粘剂固化条件、新型固化胶粘剂、新型施胶固化工艺和应力释放措施，减小了光子晶体光纤环的残余固化应力及光子晶体光纤内部孔隙结构的变化，提高光子晶体光纤环的环境特性。

Description

一种可变槽宽骨架工装及利用该工装的光纤环成型方法

所属技术领域

本发明涉及一种可变槽宽骨架工装以及一种光子晶体光纤环的成型方法，特别涉及是一种高温度性能光子晶体光纤陀螺光纤环的绕制、施胶固化及时效处理方法。

背景技术

光纤陀螺具有结构简单、精度覆盖范围广、可靠性高和设计寿命长等固有特点，是惯性系统的主流仪表之一，已经广泛应用于导弹武器系统、卫星和飞船等空间飞行器。但由于光纤陀螺中光纤环对辐照和温度非常敏感，针对性的防护设计增大了光纤陀螺的重量、体积和功耗。光子晶体技术的发展使得光纤陀螺的性能有了更大的提升空间，采用光子晶体光纤代替普通保偏光纤作为光纤陀螺的光传输介质，可以有效减小磁场法拉第效应、kerr效应等误差，同时，利用其对温度和辐照敏感度低的特点，可以提高光纤陀螺的环境适应性，是光纤陀螺技术新的发展方向之一。

光子晶体光纤也称为多孔光纤和微结构光纤，由周期性排列的空气孔和纯石英构成，通过改变空气孔的尺寸和排布方式，可以改变光纤的多项参数，可实现无截止单模传输、很低的色散、较高的双折射以及大模场等特性。这些特点使得光子晶体光纤在光纤传感器和光学器件等方面都具有广阔的应用前景。

性能优良的光纤环对光纤陀螺而言非常关键，特别是对于光纤陀螺的温度性能尤为重要，温变情况下，光纤环引起的光纤陀螺误差可以用下式表示：

$\mathrm{\Δ\Ω}=n^{2}S\frac{L}{D}{\∫}_0^1(1-2u)\stackrel{.}{T}\left(u\right)\mathrm{du}---\left(1\right)$

n为光纤折射率，u=z/L，z代表光纤上的一点。S为光纤的shupe系数，可以表示为：

Φ为在一小段光纤dl发生温度变化dT时产生的相位延迟，与沿光纤的热场分布、热引起的偏振串扰、折射率温度系数和应力温度系数相关，上式所示误差在光纤环相对于中点完全对称时为零，因而增强对称性是光纤环设计追求的目标。

由于光子晶体光纤的折射率和shupe系数都小于普通保偏光纤，因而在同样的对称度下将获得更稳定的温度性能。但正是由于光子晶体光纤多孔的结构特点，给光纤环的成型带来了较大的难度，在光子晶体光纤的绕制和固化过程中，需保证光子晶体光纤的结构不被破坏，否则，精心设计的对称绕制工艺就难以发挥作用，式（1）的积分误差将超出陀螺的设计允许范围。

目前，国内外关于光子晶体光纤的研究报道较多，多是关于光子晶体光纤的结构设计及其制备技术，以及与现有常用光纤的性能参数的对比分析的报道。到目前为止国内外研究光子晶体光纤陀螺的单位不多，国际上研究光子晶体光纤陀螺的单位主要是美国斯坦福大学和Draper实验室；国内研究光子晶体光纤陀螺的单位主要有航天科技集团九院13所时代光电公司、北京航空航天大学等。到目前为止，针对光子晶体光纤陀螺的研究还处于起步研究阶段，对于光子晶体光纤环的成型工艺技术的报道尚未发现。

现阶段国内对于光纤环的成型工艺多采用有骨架光纤环，主要采用四极对称绕制工艺技术，采用这一成型工艺的光纤陀螺，由于光纤之间存在微小的缝隙，很难同时满足温度和力学性能的双重要求。因此，为了提高光子晶体光纤环的环境适应性，采用施胶固化的工艺对光子晶体光纤粘结固定成为一个整体，但是由于光子晶体光纤的内部结构尺寸的特殊性，采用原有的绕制和固化工艺势必会导致光子晶体光纤的内部结构发生变化，从而影响成型光纤环的温度性能。因此，针对特殊结构的光子晶体光纤，需要提出一种新型的光纤绕制技术和固化工艺，实现高性能光子晶体光纤环的成型。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可变槽宽骨架工装及利用该工装的光纤环成型方法，实现了光子晶体光纤的精确对称绕制而不破坏光子晶体光纤内部空气孔的结构形状，固化工艺具备较温和的固化条件、较低的残余固化应力，尽可能降低固化过程对光子晶体光纤产生较小的负面影响，充分发挥光子晶体光纤稳定的温度性能优势，同时提高其抗振动性能。

本发明的技术方案是：一种可变槽宽骨架工装，包括盖片A、盖片B、轮毂、位移控制螺旋、横梁；盖片A和盖片B为圆环形结构；轮毂由两个半圆环空心圆柱壳体拼接构成，两个半圆环空心圆柱壳体间留有间隙；盖片A与轮毂一侧的轴向端面固定连接；盖片B套接在轮毂的外径上，盖片B的直径方向上安装有横梁，横梁为长方形片状结构，两端宽度与轮毂两个半圆环空心圆柱壳体间的间隙匹配；横梁的中心安装有位移控制螺旋，旋转位移控制螺旋使盖片B沿轮毂的轴向移动。

利用所述工装的一种光子晶体光纤环的成型方法，包括下列步骤：

1）根据待成型光子晶体光纤的直径，将所述的一种可变槽宽骨架工装中盖片A和盖片B间的宽度调整为预设值；

2）将待成型光子晶体光纤四极对称绕制在所述的一种可变槽宽骨架工装上，形成光子晶体光纤环；绕制时上一层待成型光子晶体光纤落入下一层待成型光子晶体光纤排列形成的凹槽内，绕制全过程确保待成型光子晶体光纤内部结构空气孔不变形，且不采用隔离层；

3）采用真空压力浸渍方式使胶粘剂渗入步骤2）获得的光子晶体光纤环线圈内部并对胶粘剂进行低应力固化，固化后将光子晶体光纤环粘结固定成为一个整体；所述真空压力浸渍方式为采用低真空、低压力下长时间多次反复浸渍；

4）将所述的一种可变槽宽骨架工装拆下，获得成型好的光子晶体光纤环；

5）采用时效处理方式将步骤4）获得的光子晶体光纤环内部的残余固化应力释放；所述的时效处理方式包括高低温慢变循环方式和高低温存储的方式。

所述步骤3）中的胶粘剂包括高模量紫外胶和高模量环氧树脂胶，分别采用紫外光和加热两种固化方式。

所述步骤3）中低应力固化包括紫外光长时间固化和低应力热固化；其中低应力热固化又包括低慢变速率阶梯式固化和常温长时间固化。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）通过对绕制骨架工装的设计达到骨架槽宽可调节的目的，确保每层绕制匝数为整数层。既可避免光子晶体光纤免受挤压而出现结构变形，又能充分的保证光子晶体光纤的整齐绕制。

（2）通过采用低张力绕制技术，实现光子晶体光纤结构的最小变形；通过每层匝数精确控制，同时结合特殊的绕制工艺，减小光纤换层爬升过程的应力集中，降低微弯造成的下层光纤排列的难度和光子晶体光纤的结构变形。

（3）在绕制的全过程不采用隔离层对每个四极层进行排列缺陷消除，而使通过特殊的四极绕制工艺，减小光纤换层爬升过程的应力集中，降低微弯造成的下层光纤排列的难度。

（4）通过采用低真空、低压力下长时间多次反复浸渍的浸胶固化工艺，实现对光子晶体光纤粘结固定的同时，减小真空和压力作用对光子晶体光纤环的结构变形影响。

（5）通过采用温和的阶梯式和常温固化方式可以充分缓解胶粘剂固化过程产生的固化应力对光子晶体光纤的结构影响。同时采用时效处理的措施可以充分释放成型光纤环的残余应力，减小应力作用对光纤环的负面影响。

附图说明

图1a为可变槽宽骨架工装结构侧视图；

图1b为可变槽宽骨架工装结构俯视图；

图2为光纤辅助排纤示意图；

图3为普通和特殊四极绕制方法截面示意图。

具体实施方式

本发明结合光子晶体光纤内部结构的特殊性，采用特殊的光纤环绕制技术、固化技术及时效处理措施，实现光子晶体光纤环的成型。具体实施方法如下：

（1）整数匝绕制控制技术

如图1a、图1b所示，本发明的一种可变槽宽骨架工装主要包括盖片A1、盖片B2、轮毂3、位移控制螺旋4、横梁5；盖片A1和盖片B2为圆环形结构；轮毂3由两个半圆环空心圆柱壳体拼接构成，两个半圆环空心圆柱壳体间留有间隙；盖片A1与轮毂3一侧的轴向端面固定连接；盖片B2套接在轮毂3的外径上，盖片B2的直径方向上安装有横梁5，横梁5为长方形片状结构，两端宽度与轮毂3两个半圆环空心圆柱壳体间的间隙匹配；横梁5的中心安装有位移控制螺旋4，旋转位移控制螺旋4使盖片B2沿轮毂3的轴向移动。

根据不同直径的光纤来调整盖片A1和钙片B2之间的距离，确保每一层绕制出的光纤为整数匝数，而不要多出小于光纤直径的缝隙，使得每层光纤之间不容易出现位移和滑动，也不会影响下一层光纤的绕制，实现各层光纤环的整齐顺利绕制，从而达到减小人工干预的目的。

（2）低张力四极对称绕制技术

在四极对称绕制技术的基础上，要实现低张力精密绕制技术，在槽宽可调节控制的基础上通过光纤辅助排纤装置提高排纤的精度，实现对光纤绕制整齐度的有效控制。

首先，根据光纤的直径计算并调节可滑动盖片的位置，使槽宽满足整数层绕制的要求，最大程度减小了光纤出现位移滑动的可能性。再次，在绕制的全过程采用光纤辅助排纤工装，通过对其精确定位达到对光纤跨匝排列的有效控制来实现多层光纤准确跨匝换层，实现低张力光子晶体光纤环的绕制，具体绕制过程为：绕制时首先将一根光纤从中点处分为两相等的部分，每一半分别绕到两个光纤分纤盘上。从光纤中点贴近骨架工装法兰开始纵向绕，第一个分纤盘以顺时针方向在骨架上绕成第一层。接着第二个分纤盘以反时针方向在骨架上绕成第二层，然后第二个分纤盘回绕形成第三层，接着第一个分纤盘回绕形成第四层，完成一个四极光纤的绕制，重复四极绕制过程，直到完成整个光纤环的绕制。

如图2所示，光纤辅助排纤装置进行排纤时，辅助排纤装置与光纤缠绕设备的精密滚珠丝杠固连，滚珠丝杠由精密伺服电机驱动以设定的速度转动，带动辅助排纤装置伴随着光纤的缠绕而移动。辅助排纤装置的下端与下层光纤保持一定得距离，但距离小于光纤直径的大小，以便使其下端侧面与上层光纤保持接触，起到限定光纤排纤误差的作用。即使在光纤跨匝时，相邻两匝光纤也会紧密排列，而不出现排纤间隙，保证了光纤自动跨匝的顺利实现，而不再依赖人工干预。

（3）无隔离层绕制技术

光纤环绕制时采用隔离层可以消除绕制不平整度，减小对下一层光纤绕制的影响。但隔离层的使用不仅会增大光纤环浸胶固化难度，还会使光纤环内部光纤和光纤之间与光纤和纸之间的粘结力产生差异，影响光纤环内部应力对称性，不利于光纤环性能的提高。为了实现无隔离层精密绕制技术研究，设计了一种特殊四极绕制法，如图3所示，这一绕制方法可以实现在换层位置不会出现突起，有效保证了光纤环绕制的平整度。

（4）低压力浸胶固化技术

为了减小压力对光子晶体光纤空气孔结构的影响，采用较低压力长时间加压的方式对光子晶体光纤环浸胶固化。同时为了防止胶粘剂进入光子晶体光纤的空气孔隙中，对尾纤的端面采用普通光纤熔接密封。将尾纤密封好的光纤环放入真空压力浸渍设备中，先抽真空将光纤线圈内部的空气抽出，再施加1atm的压力对光纤环加压使胶粘剂进入光纤线圈内部，如此反复在1个大气压下加压8h后，将光纤环取出擦拭干净后固化处理。

为了降低固化过程产生的固化应力，采用低温变阶梯式固化条件和常温长时间固化条件：①将浸胶后的光纤环在常温环境下放置7-10天使其充分固化；②将浸胶后的光纤环先在常温下放置16h使其表干固化，再采用阶梯式的固化方式，即选取由低到高的三个不同的温度点，在各个温度点保温1h，升温和降温过程以0.5℃/min的温变速率变化，如此由低温到高温再由高温回到低温完成一个固化温度循环，可以根据需要进行一个或多个固化循环。

（5）时效处理工艺技术

为了充分释放固化和成型过程产生的应力，将固化后的光子晶体光纤环在一定的环境条件下进行时效处理。通过温度的变化使得光纤环内部出现热胀冷缩引起尺寸出现变形和微小的蠕动，将残余应力的能量释放掉。如采用如下两种途径实现应力释放：①首先将固化后光纤环进行高低温存储：低温-40℃保温4h后升温到70℃继续保温4h，如此反复进行多个存储循环；②再将高低温存储后的光纤环进行高低温循环处理：-45～70℃，变温速率2.5℃/min，极限保温10min。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种可变槽宽骨架工装，其特征在于：包括盖片A（1）、盖片B（2）、轮毂（3）、位移控制螺旋（4）、横梁（5）；盖片A（1）和盖片B（2）为圆环形结构；轮毂（3）由两个半圆环空心圆柱壳体拼接构成，两个半圆环空心圆柱壳体间留有间隙；盖片A（1）与轮毂（3）一侧的轴向端面固定连接；盖片B（2）套接在轮毂（3）的外径上，盖片B（2）的直径方向上安装有横梁（5），横梁（5）为长方形片状结构，两端宽度与轮毂（3）两个半圆环空心圆柱壳体间的间隙匹配；横梁（5）的中心安装有位移控制螺旋（4），旋转位移控制螺旋（4）使盖片B（2）沿轮毂（3）的轴向移动。

2.利用权利要求1所述工装的一种光子晶体光纤环的成型方法，其特征在于包括下列步骤：

1）根据待成型光子晶体光纤的直径，将权利要求1所述的一种可变槽宽骨架工装中盖片A（1）和盖片B（2）间的宽度调整为预设值；

2）将待成型光子晶体光纤四极对称绕制在权利要求1所述的一种可变槽宽骨架工装上，形成光子晶体光纤环；绕制时上一层待成型光子晶体光纤落入下一层待成型光子晶体光纤排列形成的凹槽内，绕制全过程确保待成型光子晶体光纤内部结构空气孔不变形，且不采用隔离层；

3）采用真空压力浸渍方式使胶粘剂渗入步骤2）获得的光子晶体光纤环线圈内部并对胶粘剂进行低应力固化，固化后将光子晶体光纤环粘结固定成为一个整体；所述真空压力浸渍方式为采用低真空、低压力下长时间多次反复浸渍；

4）将权利要求1所述的一种可变槽宽骨架工装拆下，获得成型好的光子晶体光纤环；

5）采用时效处理方式将步骤4）获得的光子晶体光纤环内部的残余固化应力释放；所述的时效处理方式包括高低温慢变循环方式和高低温存储的方式。

3.根据权利要求2所述的利用权利要求1所述工装的一种光子晶体光纤环的成型方法，其特征在于：所述步骤3）中的胶粘剂包括高模量紫外胶和高模量环氧树脂胶，分别采用紫外光和加热两种固化方式。

4.根据权利要求2所述的利用权利要求1所述工装的一种光子晶体光纤环的成型方法，其特征在于：所述步骤3）中低应力固化包括紫外光长时间固化和低应力热固化；其中低应力热固化又包括低慢变速率阶梯式固化和常温长时间固化。

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