CN104251698B - 一种可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈制备方法。本发明的方法采用四极对称法、八极对称法缠制光纤环。本发明的方法抑制了温度引起的shupe相位误差，提高了陀螺的温度性能。

Description

一种可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈制备方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及可减小光纤陀螺温度漂移的传感环圈制备方法。

背景技术

光纤传感环圈是光纤陀螺中利用萨格奈克机制工作，敏感旋转角增量的核心部件，由于光纤本身是一种非常灵敏的传感器，它对温度、磁场、应力等作用因素都极为敏感，因此光纤传感环圈不可避免受到这些因素的影响。一直以来，温度性能是光纤陀螺研究和工程化应用中的重要指标，环境温度会直接和间接诱导产生附加相位误差，与旋转引入的相位差叠加起来无法区分，从而造成光纤陀螺的零位误差，而对温度误差贡献最大的即为光纤传感环圈。

目前，普遍采用四极对称的方法缠绕光纤环圈，在《光纤陀螺敏感环圈的温度漂移特性机绕圈技术研究》中（中国惯性技术学报，1998年06期）详尽论述了四极对称绕法及其优点，极大抑制了环圈中因温度引起的非互易相位误差，但是无法完全消除空间温度梯度引发的shupe效应误差。为了进一步抑制温度效应，交叉式四极对称绕法被提出来（美国专利5465150），环圈整体被划分为若干个满足四极对称要求的缠绕子区，相邻子区之间中点左右两侧光纤的缠绕顺序相反，以此克服环圈内部的空间温度梯度影响，然而，由于缠绕水平的限制，这种绕法仍然不能有效抑制温度shupe效应误差。

传感环圈主要由骨架、保偏光纤和固化胶构成，环圈骨架支撑缠绕光纤层并由固化胶固定成为整体，提高环圈机械强度。根据不同的机械强度、热参数和重量要求，骨架通常可以采用铝合金或者钛合金材料，但是这些材料都具有一定的热膨胀系数，无法与光纤及固化胶完美匹配，并且由于光纤在一定的张力下缠绕于骨架表面，如果受到骨架热膨胀应力作用，光纤所受张力值增加，光学性能遭到损害，由此导致环圈性能下降，此外，光纤层间的缠绕差异、光纤环整体导热的快慢影响和四极对称本身带来的光纤长度控制误差，同样是损害光纤陀螺温度性能的主要因素，光纤陀螺在温变环境下，特别是恶劣的温变环境下，表现出明显的零位漂移。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：提供一种可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈的制备方法，弥补现有技术方法的不足，减小温度对陀螺性能的不利影响，降低温变环境下陀螺的零位漂移，提高陀螺精度和工程化应用水平。

本发明的技术方案如下所述：

一种可减小光纤陀螺温度漂移的传感环圈制备方法，包括以下步骤：

步骤1

对两层阶梯状的环圈骨架安装绕线工装，根据四极对称缠绕法，缠绕保偏光纤：

取一根长度适中的保偏光纤，由整根光纤的中点绕起，缠绕起始点位于环圈骨架两层阶梯的分界处；中点一侧的光纤向环圈骨架的左边沿顺时针旋转绕制，直至较低的第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第一层光纤绕制；中点另一侧的光纤向环圈骨架的左边逆时针旋转绕制，直至第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第二层光纤层绕制，之后其继续逆时针向右边缠绕，直至较高的第二阶梯的最右边沿处，完成第一阶梯内第三层光纤、即第二阶梯内第一层光纤缠绕；而后，将顺时针方向旋转的光纤由第一阶梯的最左边沿缠绕至第二阶梯的最右边沿，完成第一阶梯内的第四层光纤、即第二阶梯内的第二层光纤绕制；然后先后将顺时针方向缠绕的保偏光纤和逆时针方向缠绕的保偏光纤从环圈骨架的最右边沿处缠绕至最左边沿处，完成第二阶梯内的四极对称缠绕；之后按照常规的四极对称法缠绕剩余保偏光纤，在完成最后一个四极对称周期缠绕后，顺时针和逆时针方向的光纤端头均位于环圈骨架的最左边沿处，然后先后将逆时针方向缠绕的保偏光纤和顺时针方向缠绕的保偏光纤从环圈骨架的最左边沿处缠绕至整个光纤缠绕面的中点处，完成整个光纤环圈缠绕，形成光纤环；

步骤2

将绕制完成的光纤环进行灌封，填充固化胶粘剂于光纤环空隙中；然后进行光纤环的温度环境固化工艺操作，光纤环固化为一个整体，而后将环圈进行工装拆卸，完成环圈制作。

另一种可减小光纤陀螺温度漂移的传感环圈制备方法，包括以下步骤：

步骤1

对四层阶梯状的环圈骨架安装绕线工装，根据八极对称缠绕法，缠绕保偏光纤：

取一根长度适中的保偏光纤，由整根光纤的中点绕起，缠绕起始点位于环圈骨架最低两层阶梯的分界处；中点一侧的光纤向环圈骨架的左边沿顺时针旋转绕制，直至较低的第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第一层光纤绕制；中点另一侧的光纤向环圈骨架的左边逆时针旋转绕制，直至第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第二层光纤层绕制；继续缠绕保偏光纤，使其在第二层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“逆时针-顺时针-顺时针-逆时针”的反四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其在第三层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“顺时针-逆时针-逆时针-顺时针”的四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其在第四层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“逆时针-顺时针-顺时针-逆时针”的反四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其形成若干个自内而外缠绕方向依次为“顺时针-逆时针-逆时针-顺时针”的四极对称周期；之后，缠绕最后两层保偏光纤至整个光纤缠绕面的中点处，完成整个光纤环圈缠绕，形成光纤环：其中，最后两层保偏光纤自内而外分别为顺时针缠绕的保偏光纤和逆时针缠绕的保偏光纤；

步骤2

将绕制完成的光纤环进行灌封，填充固化胶粘剂于光纤环空隙中；然后进行光纤环的温度环境固化工艺操作，光纤环固化为一个整体，而后将环圈进行工装拆卸，完成环圈制作。

作为优选方案，步骤2中，进行光纤环的温度环境固化工艺操作时，将光纤环加热至50～60℃。

本发明的有益效果为：

本发明的可减小光纤陀螺温度漂移的传感环圈制备方法，针对不同环圈骨架结构进行多阶梯骨架的光纤线圈对称缠绕，有效抑制了温度引起的shupe相位误差，显著提高了陀螺的温度性能。

附图说明

图1为双阶梯的光纤环圈剖面结构示意图；

图2为四阶梯的光纤环圈剖面结构示意图；

图3为环圈骨架俯视图。

图中，1-半层缠绕光纤，2-环圈骨架圆环状凸起，3-环圈骨架圆柱体，4-缠绕起始点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的可减小光纤陀螺温度漂移的传感环圈制备方法进行详细说明。

制备本发明的可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈的环圈骨架，环圈骨架包括一个圆柱体，和圆柱体外侧壁设有的N个厚度相同、半径依次增大的圆环状凸起，环圈骨架外侧壁呈（N+1）层阶梯状，每层阶梯宽度相同。N的数量可以为1或3，即环圈骨架外侧壁呈两层或四层阶梯状：当N=1时，半径最小的环状凸起与圆柱体外侧壁形成的阶梯高度为两层保偏光纤的厚度；当N=3时，半径最小的环状凸起与圆柱体外侧壁形成的阶梯高度为两层保偏光纤的厚度，其他环状凸起与相邻环状凸起形成的阶梯高度为四层保偏光纤的厚度。

本发明的可减小光纤陀螺温度漂移的传感环圈制备方法，包括以下步骤：

实施例1

步骤1

对两层阶梯状的环圈骨架安装绕线工装，根据四极对称缠绕法，缠绕保偏光纤：

取一根长度适中的保偏光纤，由整根光纤的中点绕起，缠绕起始点4位于图1所示环圈骨架两层阶梯的分界处；中点一侧的光纤向环圈骨架的左边沿顺时针旋转绕制，直至较低的第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第一层光纤绕制；中点另一侧的光纤向环圈骨架的左边逆时针旋转绕制，直至第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第二层光纤层绕制，之后其继续逆时针向右边缠绕，直至较高的第二阶梯的最右边沿处，完成第一阶梯内第三层光纤、即第二阶梯内第一层光纤缠绕；而后，将顺时针方向旋转的光纤由第一阶梯的最左边沿缠绕至第二阶梯的最右边沿，完成第一阶梯内的第四层光纤、即第二阶梯内的第二层光纤绕制；然后先后将顺时针方向缠绕的保偏光纤和逆时针方向缠绕的保偏光纤从环圈骨架的最右边沿处缠绕至最左边沿处，完成第二阶梯内的四极对称缠绕；之后按照常规的四极对称法缠绕剩余保偏光纤，在完成最后一个四极对称周期缠绕后，顺时针和逆时针方向的光纤端头均位于环圈骨架的最左边沿处，然后先后将逆时针方向缠绕的保偏光纤和顺时针方向缠绕的保偏光纤从环圈骨架的最左边沿处缠绕至整个光纤缠绕面的中点处，完成整个光纤环圈缠绕，形成光纤环。

步骤2

将绕制完成的光纤环进行灌封，填充固化胶粘剂于光纤环空隙中；然后将光纤环加热至50～60℃，进行光纤环的温度环境固化工艺操作，光纤环固化为一个整体，而后将环圈进行工装拆卸，完成环圈制作。

在两个阶梯环圈骨架的光纤环圈结构中，第一阶梯内形成了四极对称周期缠绕结构，即四层保偏光纤的缠绕方向自内而外依次为“顺-逆-逆-顺”，第二阶梯内形成了反四极对称周期缠绕结构，即四层保偏光纤的缠绕方向自内而外依次为“逆-顺-顺-逆”。第一阶梯内与骨架接触的是顺时针缠绕的光纤，而第二阶梯内相对应的是逆时针缠绕的光纤，当外界温度突变时，由环圈骨架传导至光纤层的热量将首先影响与环圈骨架接触的第一层光纤，由于第一阶梯和第二阶梯内的第一层光纤分别是相反的顺时针和逆时针缠绕方向的光纤，相比于无阶梯骨架的正常四极对称缠绕光纤环圈而言，这种温度效应在很大程度上会被抵消，从而减小了这种温度引起的陀螺漂移量。同样，在两个阶梯骨架光纤环圈的最外层，第一阶梯内和第二阶梯内的光纤的方向也是相反的，对于外界辐射的热量而言，这种结构排布同样可以减小温度变化带来的陀螺零位漂移。

实施例2

步骤1

对四层阶梯状的环圈骨架安装绕线工装，根据八极对称缠绕法，缠绕保偏光纤：

取一根长度适中的保偏光纤，由整根光纤的中点绕起，缠绕起始点4位于图1所示环圈骨架最低两层阶梯的分界处；中点一侧的光纤向环圈骨架的左边沿顺时针旋转绕制，直至较低的第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第一层光纤绕制；中点另一侧的光纤向环圈骨架的左边逆时针旋转绕制，直至第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第二层光纤层绕制；继续缠绕保偏光纤，使其在第二层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“逆-顺-顺-逆”的反四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其在第三层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“顺-逆-逆-顺”的四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其在第四层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“逆-顺-顺-逆”的反四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其形成若干个自内而外缠绕方向依次为“顺-逆-逆-顺”的四极对称周期；之后，缠绕最后两层保偏光纤至整个光纤缠绕面的中点处，完成整个光纤环圈缠绕，形成光纤环：其中，最后两层保偏光纤自内而外分别为顺时针缠绕的保偏光纤和逆时针缠绕的保偏光纤。

步骤2与实施例1中的步骤2相同。

本实施例方法制备的传感线圈较实施例1温度效应抵消的效果更加显著。

Claims (3)

1.一种可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：

对两层阶梯状的环圈骨架安装绕线工装，根据四极对称缠绕法，缠绕保偏光纤：

取一根长度适中的保偏光纤，由整根光纤的中点绕起，缠绕起始点位于环圈骨架两层阶梯的分界处；中点一侧的光纤向环圈骨架的左边沿顺时针旋转绕制，直至较低的第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第一层光纤绕制；中点另一侧的光纤向环圈骨架的左边逆时针旋转绕制，直至第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第二层光纤层绕制，之后其继续逆时针向右边缠绕，直至较高的第二阶梯的最右边沿处，完成第一阶梯内第三层光纤、即第二阶梯内第一层光纤缠绕；而后，将顺时针方向旋转的光纤由第一阶梯的最左边沿缠绕至第二阶梯的最右边沿，完成第一阶梯内的第四层光纤、即第二阶梯内的第二层光纤绕制；然后先后将顺时针方向缠绕的保偏光纤和逆时针方向缠绕的保偏光纤从环圈骨架的最右边沿处缠绕至最左边沿处，完成第二阶梯内的四极对称缠绕；之后按照常规的四极对称法缠绕剩余保偏光纤，在完成最后一个四极对称周期缠绕后，顺时针和逆时针方向的光纤端头均位于环圈骨架的最左边沿处，然后先后将逆时针方向缠绕的保偏光纤和顺时针方向缠绕的保偏光纤从环圈骨架的最左边沿处缠绕至整个光纤缠绕面的中点处，完成整个光纤环圈缠绕，形成光纤环；

步骤2：

将绕制完成的光纤环进行灌封，填充固化胶粘剂于光纤环空隙中；然后进行光纤环的温度环境固化工艺操作，光纤环固化为一个整体，而后将环圈进行工装拆卸，完成环圈制作。

2.一种可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：

对四层阶梯状的环圈骨架安装绕线工装，根据八极对称缠绕法，缠绕保偏光纤：

取一根长度适中的保偏光纤，由整根光纤的中点绕起，缠绕起始点位于环圈骨架最低两层阶梯的分界处；中点一侧的光纤向环圈骨架的左边沿顺时针旋转绕制，直至较低的第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第一层光纤绕制；中点另一侧的光纤向环圈骨架的左边逆时针旋转绕制，直至第一阶梯最左边沿处，完成第一阶梯内的第二层光纤层绕制；继续缠绕保偏光纤，使其在第二层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“逆时针-顺时针-顺时针-逆时针”的反四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其在第三层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“顺时针-逆时针-逆时针-顺时针”的四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其在第四层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“逆时针-顺时针-顺时针-逆时针”的反四极对称周期；继续缠绕保偏光纤，使其在第五层阶梯上形成一个自内而外缠绕方向依次为“顺时针-逆时针-逆时针-顺时针”的四极对称周期；若干个之后，缠绕最后两层保偏光纤至整个光纤缠绕面的中点处，完成整个光纤环圈缠绕，形成光纤环：其中，最后两层保偏光纤自内而外分别为顺时针缠绕的保偏光纤和逆时针缠绕的保偏光纤；

步骤2：

将绕制完成的光纤环进行灌封，填充固化胶粘剂于光纤环空隙中；然后进行光纤环的温度环境固化工艺操作，光纤环固化为一个整体，而后将环圈进行工装拆卸，完成环圈制作。

3.根据权利要求1或2所述的可减小光纤陀螺温度漂移传感环圈制备方法，其特征在于：步骤2中，进行光纤环的温度环境固化工艺操作时，将光纤环加热至50～60℃。