CN108088466A - 一种光纤环精密化绕制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤陀螺光纤环制造技术领域，具体涉及一种光纤环精密化绕制方法。本发明的方法包括以下步骤：确定光纤的长度和光纤环的结构；绕线工装加工；选择适用的保偏光纤；单模光纤绕制；保偏光纤绕制。本发明需要解决现有的光纤环绕制方法在绕制大长度光纤环时，不能保证光纤环的几何对称性，使得光纤环在变温条件下的零位漂移量过大，影响惯性陀螺精度的技术问题，通过定制特殊尺寸的单模光纤和绕线工装，保证绕制保偏光纤时能够控制光纤之间的空隙，固定每层内的光纤匝数，基于四极对称缠绕方法，最终保证了光纤环的几何对称性，降低了光纤环在变温条件下的零位漂移量，提高了惯性陀螺的精度。

Description

一种光纤环精密化绕制方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺光纤环制造技术领域，具体涉及一种光纤环精密化绕制方法。

背景技术

温度性能一直是光纤陀螺工程化的关键指标。在光纤陀螺的各构成部件中，光纤环对光纤陀螺温度性能的影响因子可达90％，对于光纤环而言，其内部的应力状态和几何对称性则直接决定了光纤环的温度特性。如何抑制由温度诱导的光路非互易性，是光纤陀螺技术中的最为关键的研究内容。一般情况下，光纤环是由保偏光纤绕制而成，因此，在绕制光纤环过程中必须保证缠绕的精密性。

光纤环是由一根保偏光纤按照四极对称的方法逐层缠绕在环圈骨架上，并采用特殊的固化胶进行灌封固化，从而形成一个类似于复合材料的固体结构。在光纤环内部，要求保偏光纤以其中点严格对称，几何空间位置接近，所受环境因素影响相同，然而，在实际应用中，由于缠绕方法的限制以及外界环境和材料的影响，无法保证中点两侧的光纤完全对称。根据光纤陀螺的温度shupe效应理论：

可得到由于应力不对称导致的误差效应公式，可表示为：

其中，Ω为陀螺的零位漂移，n是光纤的折射率，λ是光波长，c是真空下的光速，β₀为光的传播常数，ΔT(z)、ΔS(z)分别表示在光纤环的z点处的温度、应力变化量，L为光纤长度；D是环圈直径。由公式可见，温度和应力shupe效应的大小与光纤所受温度和应力的大小及对称性紧密相关，光纤对称性主要与缠绕的对称性相关，包括几何长度对称、缠绕张力对称和热应力对称；几何长度对称性和缠绕张力对称性主要由绕线机的机械精度和张力稳定性决定；热应力对称性主要来源于固化胶和环圈骨架。

在上述光纤对称性因素中，几何对称性是张力对称性和热应力对称性的基础，只有首先保证几何对称性，关注张力对称性和热应力对称性才有意义。由光纤环制作工艺可知，张力对称性主要由绕线机的张力控制制状态决定，与缠绕的精密度关系不大；热应力对称性则与光纤缠绕工艺完全无关；只有几何对称性才是衡量光纤环缠绕精密性的主要指标。因此，可以说完成光纤环精密化绕制是实现高水平光纤环制作的技术前提。

在现有光纤环制作技术中，往往采用垫纸的方式完成光纤环，尤其是大长度光纤环的绕制，一般每绕制完成一层光纤后，在光纤上铺上一层光学镜头纸，保证下一层光纤缠绕时，底面为一个相对平整的缠绕基准面，这种方法一方面增加了光纤环的厚度，不利于高精度小型化光纤环制作，另一方面，光纤环内部存在多余介质，在灌胶后，影响光纤环的整体性能。如果光纤环缠绕时不垫纸，则需要对下层光纤的排布进行精密控制，否则不能保证光纤环的几何对称性，使得光纤环在变温条件下的零位漂移量过大，影响惯性陀螺的精度。而目前在现有工艺条件和设备精度的限制下，还没有有效的方法能够实现，即使能够实现最初几层光纤的缠绕，也无法完成几十层整个光纤环的缠绕。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有的光纤环绕制方法在绕制大长度光纤环时，不能保证光纤环的几何对称性，使得光纤环在变温条件下的零位漂移量过大，影响惯性陀螺的精度。

本发明的技术方案如下所述：

一种光纤环精密化绕制方法，包括以下步骤：

步骤1、确定光纤的长度和光纤环的结构

根据光纤陀螺的使用精度，确定光纤的长度和光纤环的结构，所述结构参数包括光纤环的平均直径D和高度h，计算公式如下式：

式中：RWC为随机游走系数，表征光纤陀螺精度；c为真空中的光速；e为电子电量；λ为光源的波长，由外部给出；R为光电探测器响应度，由外部给出；L为光纤长度；D为光纤环平均直径；P₀为到达探测器的光功率，取决于光源输出光功率和光路损耗；为偏置相位。

由式可见，要减小光纤陀螺的随机游走系数，技术途径为增加光纤长度L以及增大光纤环直径D，而光纤环的高度h则与选择的光纤参数直接相关。

步骤2、绕线工装加工

根据光纤环的结构尺寸加工绕线工装，所述绕线工装具有圆筒状的缠绕芯轴，和设置于缠绕芯轴两端的夹板，所述夹板为圆形板，缠绕芯轴的轴线过两圆形夹板的圆心，两圆形板的直径大于缠绕芯轴的直径。光纤在缠绕芯轴上缠绕，工装加工的精度需要优于10μm，以此保证工装配合安装后的误差满足绕线要求，光纤环的高度即为两侧夹板之间的距离，精度控制到10μm量级。

步骤3、选择适用的保偏光纤

根据精度、结构强度和可靠性的要求，确定适合的保偏光纤外径。

根据光纤的长度要求，进行光纤环的层数和层内匝数确定。由于光纤环必须采用四极对称缠绕方法进行绕制，因此，光纤环层数必须保证是4的倍数。确定匝数时，应考虑保偏光纤匝间空隙，使得相邻两匝保偏光纤之间留有适当的空隙，有利于提升后续的光纤环灌封和固化效果，保偏光纤匝间空隙为光纤外径的5％-7％，根据光纤的长度、层数和保偏光纤匝间空隙最终确定光纤环的匝数。

步骤4、单模光纤绕制

选择的单模光纤外径比保偏光纤外径大5％-7％，根据保偏光纤的外径定制特殊外径的单模光纤。在正式缠绕保偏光纤前，在光纤环的最内层缠绕一层单模光纤，一方面延缓外部的环境因素干扰，另一方面为保偏光纤缠绕提供理想的缠绕基底。

底层单模光纤在绕制时，最开始的一匝紧贴一侧的夹板绕制，相邻的两匝单模光纤之间紧密排布，没有间隙，通过这种缠绕方式，使得相邻的三匝单模光纤所形成的凹槽的中心之间的距离固定；底层单模光纤在绕制结束处的该匝光纤圈与另一个夹板之间相距半个单模光纤直径的距离，便于上层的保偏光纤绕制到该侧边缘时，能够紧贴夹板该侧的夹板。

步骤5、保偏光纤绕制

在底层的单模光纤之上进行保偏光纤绕制，每一层的保偏光纤在绕制时，最开始的一匝紧贴一侧的夹板绕制，每匝保偏光纤落在底层相邻两匝单模光纤所形成的凹槽内，绕完一匝后，在特定角度区域内，进行越匝，过渡到下一匝光纤绕制，同样落在两匝单模光纤之间的凹槽中间，如此重复操作，完成整层光纤绕制。每一层保偏光纤绕制结束处的该匝光纤圈均与另一侧的夹板相距半个保偏光纤直径的距离，从而保证该层以及后续保偏光纤层能够以固定匝数绕制。

依照上述方法绕制每一层的保偏光纤，直到绕制完所有的保偏光纤层，使得所有的保偏光纤层在空间中构成四极对称结构。

优选的，步骤5中所述越匝的特定角度区域为本匝起始绕制点和相邻下一匝起始绕制点的连线同本匝所在环形面的夹角内的区域，该夹角为5°。

本发明的有益效果为：

本发明的精密绕制方法，通过定制特殊尺寸的单模光纤和绕线工装，保证绕制保偏光纤时能够控制光纤之间的空隙，上层光纤准确落在下层两匝光纤之间的凹槽中间，从而固定每层内的光纤匝数，基于四极对称缠绕方法，固定层数的光纤环的光纤长度基本一致，光纤环的灌封效果也可以得到保证，最终保证了光纤环的几何对称性，降低了光纤环在变温条件下的零位漂移量，提高了惯性陀螺的精度。

附图说明

图1为绕制完成的光纤环结构示意图；

其中，1-单模光纤，2-保偏光纤，3-保偏光纤匝间空隙，4-绕线工装。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种光纤环精密化绕制方法进行详细说明。

本实施例中，在绕线工装4上绕制完成的光纤环如图1所示，对于某种精度光纤陀螺选用1000m的光纤进行光纤环绕制，光纤环的直径设计为60-100mm，由于采用四极对称方法绕制，光纤的层数必须是4的整数倍，而光纤环的高度和厚度比例为3:1-1:1，因此能够确定包括光纤环的高度和厚度，对于采用165μm光纤的光纤环高度为10-15mm，厚度为4-6mm，对于采用135μm光纤的光纤环高度为8-12mm，厚度为3-5mm。

根据光纤环的结构尺寸加工绕线工装4，包括缠绕芯轴和两侧夹板，材料通常选用铝合金、钛合金或者钢，圆筒状的缠绕芯轴直径为60-100mm之间，针对采用165μm光纤的光纤环，缠绕芯轴的高度为10-15mm；两侧夹板为平板结构，平面度要求与缠绕芯轴紧密连接固定即可。缠绕芯轴与夹板加工的精度应优于10μm，保证二者配合安装后的误差满足绕线要求。

根据精度、结构强度和可靠性的要求，确定适合的保偏光纤外径，此为本领域公知常识。根据选用外径为165μm光纤和光纤环尺寸，确定每一层保偏光纤的匝数，波动幅度控制在1-5匝，匝数主要是随着匝间距而波动，保偏光纤匝间空隙3的设计原则是，保偏光纤匝间空隙3为光纤外径的5％-7％，对于165μm光纤，保偏光纤匝间空隙3为8-12μm，这种相邻两匝光纤之间留有的空隙，将有利于提升后续的光纤环灌封和固化效果。

在正式缠绕保偏光纤2前，在光纤环的最内层缠绕一层单模光纤1，一方面延缓外部的环境因素干扰，另一方面为保偏光纤2缠绕提供理想的缠绕基底，根据保偏光纤2的外径定制特殊外径的单模光纤1，单模光纤1的外径比保偏光纤2外径大5％-7％，针对165μm保偏光纤2，使用外径为177μm的单模光纤1，而针对135μm保偏光纤2，使用外径为142μm的单模光纤1。底层单模光纤在绕制时，最开始的一匝紧贴一侧的夹板绕制，相邻的两匝单模光纤之间紧密排布，没有间隙，通过这种缠绕方式，使得相邻的三匝单模光纤所形成的凹槽的中心之间的距离固定，即一根单模光纤1外径的大小，为177μm；底层单模光纤1在绕制结束处的该匝光纤圈与另一个夹板之间相距半个单模光纤1直径的距离，便于上层的保偏光2纤绕制到该侧边缘时，能够紧贴夹板该侧的夹板。

在底层的单模光纤之上进行保偏光纤绕制，每一层的保偏光纤在绕制时，最开始的一匝紧贴一侧的夹板绕制，每匝保偏光纤落在底层相邻两匝单模光纤所形成的凹槽内，绕完一匝后，在特定角度区域内，进行越匝，过渡到下一匝光纤绕制，同样落在两匝单模光纤之间的凹槽中间，如此重复操作，完成整层光纤绕制。每一层保偏光纤绕制结束处的该匝光纤圈均与另一侧的夹板相距半个保偏光纤直径的距离，从而保证该层以及后续保偏光纤层能够以固定匝数绕制。其中，所述越匝绕制为本领域公知方法。所述特定角度区域为本匝起始绕制点和相邻下一匝起始绕制点的连线同本匝所在环形面的夹角内的区域，该夹角为5°。由于下层单模光纤所形成的凹槽之间的距离是177μm，那么上层相邻保偏光纤之间的空隙即为：177-165＝12μm。

依照上述方法绕制每一层的保偏光纤1，直到绕制完所有的保偏光纤层，使得所有的保偏光纤层在空间中构成四极对称结构，完成整个光纤环绕制。

本发明的方法绕制的光纤环固定了层内光纤之间的空隙以及光纤匝数，可保证层内光纤的长度基本固定，而关于光纤中点对称的光纤对应点之间的空间位置也确定下来，以此能够保证整个光纤环在空间上具有很高的几何对称性，可以最大程度抑制优于外界环境因素干扰导致的非互易性相位误差，从而提高光纤环的环境适应性，提升综合使用精度。并且，这种方法绕制的光纤环的光纤长度具有很高的一致性，可采用固定参数进行光纤陀螺电路调制，减少调试步骤和时间，提升电路调试效率。此外，由于在绕制过程中光纤之间预留了足够的空隙，可保证光纤环的灌封固化工艺顺利进行，光纤环固化效果好，有利于进一步提升光纤环整体性能，以及光纤环性能的一致性和成品率。

Claims (2)

1.一种光纤环精密化绕制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定光纤的长度和光纤环的结构

根据光纤陀螺的使用精度，确定光纤的长度和光纤环的结构，所述结构参数包括光纤环的平均直径D和高度h，计算公式如下式：

式中：RWC为随机游走系数，表征光纤陀螺精度；c为真空中的光速；e为电子电量；λ为光源的波长，由外部给出；R为光电探测器响应度，由外部给出；L为光纤长度；D为光纤环平均直径；P₀为到达探测器的光功率，取决于光源输出光功率和光路损耗；为偏置相位；

由式可见，要减小光纤陀螺的随机游走系数，技术途径为增加光纤长度L以及增大光纤环直径D，而光纤环的高度h则与选择的光纤参数直接相关；

步骤2、绕线工装加工

根据光纤环的结构尺寸加工绕线工装，所述绕线工装具有圆筒状的缠绕芯轴，和设置于缠绕芯轴两端的夹板，所述夹板为圆形板，缠绕芯轴的轴线过两圆形夹板的圆心，两圆形板的直径大于缠绕芯轴的直径；光纤在缠绕芯轴上缠绕，工装加工的精度需要优于10μm，以此保证工装配合安装后的误差满足绕线要求，光纤环的高度即为两侧夹板之间的距离，精度控制到10μm量级；

步骤3、选择适用的保偏光纤

根据精度、结构强度和可靠性的要求，确定适合的保偏光纤外径；

根据光纤的长度要求，进行光纤环的层数和层内匝数确定；由于光纤环必须采用四极对称缠绕方法进行绕制，因此，光纤环层数必须保证是4的倍数；确定匝数时，应考虑保偏光纤匝间空隙，使得相邻两匝保偏光纤之间留有适当的空隙，有利于提升后续的光纤环灌封和固化效果，保偏光纤匝间空隙为光纤外径的5％-7％，根据光纤的长度、层数和保偏光纤匝间空隙最终确定光纤环的匝数；

步骤4、单模光纤绕制

选择的单模光纤外径比保偏光纤外径大5％-7％，根据保偏光纤的外径定制特殊外径的单模光纤；在正式缠绕保偏光纤前，在光纤环的最内层缠绕一层单模光纤，一方面延缓外部的环境因素干扰，另一方面为保偏光纤缠绕提供理想的缠绕基底；

底层单模光纤在绕制时，最开始的一匝紧贴一侧的夹板绕制，相邻的两匝单模光纤之间紧密排布，没有间隙，通过这种缠绕方式，使得相邻的三匝单模光纤所形成的凹槽的中心之间的距离固定；底层单模光纤在绕制结束处的该匝光纤圈与另一个夹板之间相距半个单模光纤直径的距离，便于上层的保偏光纤绕制到该侧边缘时，能够紧贴夹板该侧的夹板；

步骤5、保偏光纤绕制

在底层的单模光纤之上进行保偏光纤绕制，每一层的保偏光纤在绕制时，最开始的一匝紧贴一侧的夹板绕制，每匝保偏光纤落在底层相邻两匝单模光纤所形成的凹槽内，绕完一匝后，在特定角度区域内，进行越匝，过渡到下一匝光纤绕制，同样落在两匝单模光纤之间的凹槽中间，如此重复操作，完成整层光纤绕制；每一层保偏光纤绕制结束处的该匝光纤圈均与另一侧的夹板相距半个保偏光纤直径的距离，从而保证该层以及后续保偏光纤层能够以固定匝数绕制；

依照上述方法绕制每一层的保偏光纤，直到绕制完所有的保偏光纤层，使得所有的保偏光纤层在空间中构成四极对称结构。

2.如权利要求1所述的光纤环精密化绕制方法，其特征在于：步骤5中所述越匝的特定角度区域为本匝起始绕制点和相邻下一匝起始绕制点的连线同本匝所在环形面的夹角内的区域，该夹角为5°。