CN109211218B - 一种用于光纤陀螺的光纤环及光纤环加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光纤陀螺的光纤环，包括由内向外依次设置的光纤敏感环、磁屏蔽膜、蓄热层、磁屏蔽罩、隔热层；磁屏蔽罩包括磁屏蔽座和盖合在磁屏蔽座上的磁屏蔽盖；磁屏蔽罩为密闭结构，光纤敏感环的尾纤依次穿过磁屏蔽膜、磁屏蔽罩之后与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接；蓄热层由蓄热材料构成。本发明还提供一种光纤环加工方法。本发明通过光纤敏感环绕制方法及结构上蓄热层、隔热层的采用，减小温度对光纤敏感环的影响，提高陀螺温度性能。磁屏蔽膜和磁屏蔽罩相结合构成双层磁屏蔽结构，有效降低外界磁场对光纤敏感环的影响，提高光纤环温度、磁场的环境适应性。

Description

一种用于光纤陀螺的光纤环及光纤环加工方法

技术领域

本发明涉及一种消除外界环境影响的光纤环，尤其涉及一种用于光纤陀螺的光纤环及光纤环加工方法，属于光学测量、光纤传感技术领域。特别是一种光纤陀螺用光纤环的设计制造。

背景技术

光纤陀螺是一种基于SAGNAC效应实现角速度测量的光学传感器，是继激光陀螺之后的第二代光学陀螺。在飞机导航、航天器制导、卫星定位、汽车导向、智能机器人、天文望远镜、飞机舰船导航、武器系统控制等诸多领域得到应用。

光纤环作为光纤陀螺核心器件，其温度、磁场等性能直接决定了光纤陀螺整机的性能。目前，针对光纤陀螺环境因素的影响，多采取光纤环四极对称绕法、无骨架光纤环、单层磁屏蔽等技术手段，一定程度上减小和降低了温度、磁场因素对光纤陀螺的性能影响，在中、低精度光纤陀螺产品中表现较好，但在高精度光纤陀螺应用中尚存在温度零偏漂移大、磁场零偏漂移大、温度应力漂移大等问题，阻碍了光纤陀螺向高精度和工程化阶段发展应用。

光纤环非常敏感，光纤环的绕制对光纤陀螺仪的性能影响很大。四极对称绕法由于对Shupe误差较好的抑制作用，被广泛应用于光纤环的绕制过程中。但是，现有光纤敏感环结构中，由于光纤敏感环绕制工装的影响或者光纤直径的不均匀的问题，通常会导致绕制完成后，最外面两层光纤不能完全绕满的情况，也就是说绕完后光纤环的光纤层数不能满足4的整数倍，从而失去了四极对称绕法的优越性，误差信号甚至比二极对称绕法还要大，完全失去了四极对称绕法的优势，因此对Shupe误差的抑制性能较差。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有光纤环存在的上述问题，提供一种用于光纤陀螺的光纤环。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于光纤陀螺的光纤环，包括由内向外依次设置的光纤敏感环、磁屏蔽膜、蓄热层、磁屏蔽罩、隔热层；所述磁屏蔽罩包括磁屏蔽座和盖合在所述磁屏蔽座上的磁屏蔽盖；所述磁屏蔽罩为密闭结构，所述光纤敏感环的尾纤依次穿过所述磁屏蔽膜、磁屏蔽罩之后与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接。

由于磁屏蔽罩和磁屏蔽膜构成双层磁屏蔽结构，消除和衰减了到达光纤敏感环上的磁场强度，降低了磁场法拉第效应对光纤陀螺零偏的影响。通过设置蓄热层、隔热层，可以吸收外界或来自于光纤陀螺系统的热量，并使得温度梯度衰减，使得到达光纤敏感环上的温度变化将大大降低，减小和消除Shupe效应对光纤陀螺精度的影响。

进一步地，所述光纤敏感环由四极对称绕法绕制得到，光纤敏感环包含的光纤层数为4的倍数，光纤敏感环的各层光纤的长度相等，且各层光纤不包含空隙；优选所述光纤敏感环由内层向外层高度逐渐减小。

四极对称绕法绕制得到的光纤环的温度误差为奇数层和偶数层的单位梯度误差交叉相减。由于本发明中对各层光纤长度精确度量，绕制得到的光纤敏感环各层光纤长度相等，且各层光纤不包含空隙，使光纤环绕制能够完全实现四极对称绕制。因此，光纤敏感环中，每四层光纤组成一个四极子，光纤敏感环的一个四极子为完整的四层光纤环。一个四极子包含第一层光纤、第二层光纤、第三层光纤、第四层光纤。且同一个四极子中，第四层光纤的温度误差与第一层光纤的温度误差之和与第二层光纤的温度误差与第三层光纤的温度误差之和相等，因此，可以实现最小的温度误差，可以对Shupe误差实现好的抑制作用。光纤敏感环的相邻两层中，内层的高度大于外层的高度。由于光纤敏感环由内向外的直径越来越大，因此，由内向外的光纤绕满一圈所需长度越来越大，因此，通过设置光纤敏感环由内向外高度逐渐减小，便于确保由内向外的光纤敏感环的各层光纤长度相同且各层光纤不包含空隙。所述光纤敏感环的断面的形状为梯形。即光纤敏感环由内向外形成斜面或坡面。

进一步地，所述磁屏蔽罩上设置有第一穿过结构，所述光纤敏感环的尾纤穿过所述第一穿过结构与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接，所述第一穿过结构上除所述尾纤之外的位置均被密封。

进一步地，磁屏蔽膜固定设置于所述磁屏蔽座上，所述磁屏蔽膜和光纤敏感环之间、所述磁屏蔽座和磁屏蔽膜之间均通过紫外固化胶进行固化。

进一步地，所述隔热层包括设置于外侧的铝箔和设置于内侧的沥青与玻纤的混合物。通过设置铝箔，可以将大部分热量反射掉，减小温度对光纤敏感环的影响。

进一步地，所述蓄热层由蓄热材料构成,所述蓄热材料为相变材料。

进一步地，所述相变材料为石蜡或六水氯化钙。

进一步地，所述磁屏蔽膜的材料为纳米晶软磁合金或软铁或坡莫合金。

本发明还提供一种如上述用于光纤陀螺的光纤环的光纤环加工方法，包括如下步骤：

（a）在光纤敏感环绕制工装上绕制光纤，形成光纤敏感环1；

（b）将磁屏蔽膜2贴覆于光纤敏感环1上，且将磁屏蔽膜2粘接于磁屏蔽座5上；

（c）将磁屏蔽盖6盖合在磁屏蔽座5上，使二者形成密闭的磁屏蔽罩；

（d）将蓄热材料注入磁屏蔽罩内，形成蓄热层3；

（e）将隔热层粘接在磁屏蔽罩上；

（f）将光纤敏感环的尾纤与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接。

上述技术方案中，所述步骤（a）中，在所述光纤敏感环绕制工装上绕制光纤敏感环1，光纤的绕制方法为四极对称绕法；所述步骤（a）之前还包括如下步骤：

（p）设计光纤敏感环绕制工装的尺寸，所述光纤敏感环绕制工装的尺寸满足如下条件：绕制得到的光纤敏感环的各层光纤的长度相等，且各层光纤均不包含空隙。

光纤敏感环中，每四层光纤组成一个四极子，由于每个四极子的第四层光纤的长度与第一层光纤的长度之和与第二层光纤的长度与第三层光纤的长度之和相等的条件、四层光纤完整绕制的条件这两个条件不易同时满足，因此在本发明中首先根据第一条件及第二条件设计设计光纤敏感环绕制工装的尺寸，第一条件为第一层光纤、第二层光纤、第三层光纤、第四层光纤的长度相等，第二条件为绕制的各层光纤均不包含空隙，由此设计得到光纤敏感环绕制工装，在此光纤敏感环绕制工装上进行光纤的绕制即可实现四极对称绕制的要求，令温度的影响最小。本发明中，通过对各层光纤长度精确度量，实现了光纤敏感环绕制工装的精确尺寸设计，因此使光纤环绕制能够完全实现四极对称绕制。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明的用于光纤陀螺的光纤环通过光纤敏感环绕制方法及结构上蓄热层、隔热层的采用，减小温度对光纤敏感环的影响，提高陀螺温度性能。磁屏蔽膜和磁屏蔽罩相结合构成双层磁屏蔽结构，有效降低外界磁场对光纤敏感环的影响，提高光纤环温度、磁场的环境适应性；同时，本发明通过对光纤敏感环绕制工装进行设计，实现了四极对称绕制的要求，避免四极对称绕法中无法绕满的问题，实现了对Shupe误差较好的抑制作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例的光纤环的立体结构示意图；

图2是本发明的实施例的光纤环的纵剖面示意图；

图3是本发明的光纤敏感环的最内侧的一个四极子的结构示意图；

图4是本发明的光纤敏感环的最内侧的一个四极子的俯视示意图；

图5是本发明的实施例的磁屏蔽座的结构示意图；

图6是本发明的实施例的磁屏蔽盖的结构示意图；

图7是本发明的实施例的光纤环加工方法的步骤示意图。

图中，1、光纤敏感环，11、第一层光纤，12、第二层光纤，13、第三层光纤，14、第四层光纤，2、磁屏蔽膜，3、蓄热层，4、隔热层，5、磁屏蔽座，6、磁屏蔽盖。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1—图7所示，本发明的光纤环包括光纤敏感环1、磁屏蔽膜2、蓄热层3、磁屏蔽盖6、磁屏蔽座5及隔热层4各个组成部分。

如图2所示，光纤敏感环1、磁屏蔽膜2、蓄热层3、磁屏蔽罩、隔热层4由内向外依次设置；磁屏蔽罩包括磁屏蔽座5和盖合在磁屏蔽座5上的磁屏蔽盖6；磁屏蔽罩为密闭结构，光纤敏感环1的尾纤依次穿过磁屏蔽膜2、磁屏蔽罩之后与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接；蓄热层3由蓄热材料构成；磁屏蔽罩上设置有用于加注蓄热材料的加注结构。本发明的新型光纤环特征在于采用改进型光纤敏感环绕制方法和多层复合结构来实现对影响光纤环性能的外界温度场、磁场的屏蔽。本发明的实施例中，所述磁屏蔽膜2的厚度为1-5mm； 所述蓄热层3的厚度为5-8mm； 所述隔热层4的厚度为2-5mm。

光纤敏感环1由四极对称绕法绕制得到。光纤敏感环1包含的光纤层数为4的倍数。光纤敏感环1包含4×k层光纤，k=1,2,……。绕制得到的光纤敏感环1各层光纤长度相等，且各层光纤不包含空隙。各层光纤不包含空隙的含义是各层光纤均绕满圆的一周（一圈），不留有空隙。

光纤敏感环1由内层向外层高度逐渐减小。光纤敏感环1的相邻两层中，内层的高度大于外层的高度。由于光纤敏感环1由内向外的直径越来越大，因此，由内向外的光纤绕制一圈所需长度越来越大，因此，通过设置光纤敏感环1由内向外高度逐渐减小，便于确保由内向外的光纤敏感环1的各层光纤长度相同且各层光纤不包含空隙。所述光纤敏感环1的断面的形状为梯形。即光纤敏感环由内向外形成斜面或坡面。

磁屏蔽罩上设置有第一穿过结构，光纤敏感环1的尾纤穿过第一穿过结构与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接，第一穿过结构上除尾纤之外的位置均被密封。

磁屏蔽膜2固定设置于磁屏蔽座5上，磁屏蔽膜2和光纤敏感环1之间、磁屏蔽座5和磁屏蔽膜2之间均通过紫外固化胶进行固化。蓄热层3由蓄热材料构成，蓄热材料优选采用相变材料。相变材料优选采用石蜡或六水氯化钙等具有蓄热功能的材料。磁屏蔽膜2的材料优选为纳米晶软磁合金或软铁或坡莫合金。磁屏蔽座5上设置有将光纤环安装在光纤陀螺内的安装法兰、螺钉安装孔。

光纤敏感环1按照四极对称绕法进行绕制，绕制过程中对每层光纤的长度进行控制，保证各层光纤的长度相同，光纤敏感环1轴向剖面呈梯形。

将磁屏蔽膜2包裹于光纤敏感环1外层，构成一个整体。利用紫外固化胶固化于磁屏蔽座5上。磁屏蔽膜2为纳米晶软磁合金或软铁或坡莫合金等材料制作。

如图5、图6所示，磁屏蔽座5和磁屏蔽盖6两部分构成一个密闭的磁屏蔽罩，磁屏蔽座5和磁屏蔽盖6利用高磁导率材料加工而成，如1J85、IJ50、IJ79等。磁屏蔽座5上开有加注结构，用于进行相变材料的加注。磁屏蔽盖6上开有过纤孔，中央位置有安装法兰，圆周均匀分布螺钉安装孔，用于实现光纤环在光纤陀螺内部的安装固定。磁屏蔽座5和磁屏蔽盖6通过激光封焊的方式构成一个整体。

在磁屏蔽罩的外部利用隔热层4进行包裹，隔热层4通过内侧的自粘胶粘接于磁屏蔽罩上，隔热层4外层为具有高反射率的铝箔，中间为具有隔热功能的沥青与玻纤混合物。隔热层4为自贴式隔热沥青层。

如图7所示，本发明还提供一种如上述用于光纤陀螺的光纤环的光纤环加工方法，包括如下步骤

（p）设计光纤敏感环绕制工装的尺寸并进行加工，光纤敏感环绕制工装的尺寸满足如下条件：绕制得到的光纤敏感环1的各层光纤的长度相等，且各层光纤均不包含空隙。

（a）在光纤敏感环绕制工装上绕制光纤敏感环1，形成光纤敏感环1，光纤的绕制方法为四极对称绕法；

（b）将磁屏蔽膜2贴覆于光纤敏感环1上，且将磁屏蔽膜2粘接于磁屏蔽座5上；

（c）将磁屏蔽盖6盖合在磁屏蔽座5上，使二者形成密闭的磁屏蔽罩；

（d）通过磁屏蔽罩上的加注结构将蓄热材料注入（加注于）磁屏蔽罩内，形成蓄热层3；

（e）将隔热层4粘接在磁屏蔽罩上；

（f）将光纤敏感环1的尾纤与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接。

光纤敏感环由多个四极子组成，每个四极子均由四层光纤组成。图3、图4分别为光纤敏感环1最内侧（最靠近光纤敏感环绕制工装）的一个四极子的四层光纤的结构示意图和俯视示意图。每四层光纤为一个四极子。如图4所示，绕制得到的光纤敏感环1中，将最内侧的一个四极子的由内到外的各层光纤分别称为第一层光纤11、第二层光纤12、第三层光纤13、第四层光纤14。在步骤（p）中，在整体绕制之前，先确定第一层光纤11绕制在光纤敏感环绕制工装上的匝数，第二层光纤绕制在第一层光纤外侧，因此第一层光纤11绕制时是沿内径为da的圆绕制；第二层光纤12绕制时是沿内径为da+2d₁的圆绕制；第三层光纤13绕制时是沿内径为da+2d₁+2d₂的圆绕制；第四层光纤14绕制时是沿内径为da+2d₁+2d₂+2d₃的圆绕制；其中，da为光纤敏感环绕制工装的直径，d₁、d₂、d₃、d₄分别为光纤敏感环1最内侧的四极子的第一层光纤11、第二层光纤12、第三层光纤13、第四层光纤14的直径。外层光纤绕制时，则依次类推进行计算。由于各层光纤的直径为已知，因此，以各层光纤均不包含空隙为目标，可通过需要绕制的光纤敏感环1的总层数来计算需要使用的光纤敏感环绕制工装的大小。本发明中，光纤敏感环1制作完成后，将光纤敏感环绕制工装从光纤敏感环上拆除。

光纤敏感环1依次穿过磁屏蔽膜2、磁屏蔽罩之后与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接。

本发明中，第一层光纤11、第二层光纤12、第三层光纤13、第四层光纤14由内向外分布。

四极对称绕法是用供线轮在光纤敏感环绕制工装上绕第一层光纤11，绕好后接着用另一个供线轮绕第二层光纤12，然后再用这个供线轮回绕形成第三层光纤13，接着第一个供线轮回绕第四层光纤14，以四层为一个周期。下一个周期的绕制同第一个周期一致，四极对称绕法的总的误差是用奇数层和偶数层的单位梯度误差交叉相减，抵消了部分由温度不同导致的误差。

四极对称绕法的优点是相对中心点对称部分的温度变化率相等，抑制温度漂移的效果更明显。

当光纤陀螺工作环境的温度发生变化时，在光纤环线圈中将产生热致非互易相移，即Shupe误差。四极对称绕法由于对Shupe误差较好的抑制作用，被广泛应用于光纤环的绕制过程中。

光纤敏感环1按照四极对称绕法进行绕制，绕制过程中对每层光纤的长度进行等长度控制，完成光纤环的绕制。光纤敏感环1在制作完成理后，将磁屏蔽膜2贴覆于光纤敏感环1上，涂紫外固化胶，紫外固化。环体利用紫外固化胶粘接于磁屏蔽座5上，加装磁屏蔽盖6，光纤敏感环1尾纤通过磁屏蔽座5上的过纤孔引出，利用激光封焊工艺将磁屏蔽盖6和磁屏蔽座5焊接为一体，形成密闭的磁屏蔽罩。通过磁屏蔽座5上的加注结构将相变材料加注于磁屏蔽罩内，形成蓄热层3。在完成上述操作的磁屏蔽座5和磁屏蔽盖6外层，利用自粘隔热沥青进行密闭封装，形成隔热层4，光纤敏感环1尾纤引出到隔热层4外部，由此即完成了光纤环的制作。

对于制作完成的光纤环，其光纤尾纤分别与光纤陀螺系统中Y波导尾纤熔接，将光纤环接入光纤陀螺光路系统。利用螺钉通过磁屏蔽座5上法兰盘螺钉孔，将光纤环固定安装于光纤陀螺上。

1、温度条件

光纤陀螺在温度条件下工作时，陀螺内部和陀螺外部的温度场，分别以热传导和热辐射的方式向光纤环上传递热量。

（1）对于热传导方式传递的热量，通过磁屏蔽座5上的法兰盘螺钉将一部分热量传递到磁屏蔽座5，热量向光纤敏感环1方向传递，经过蓄热层3热量吸收和温度梯度衰减后，少许热量传递到光纤敏感环1上。

（2）对于热辐射方式传递的热量，首先辐射到隔热层4，由于隔热层4上高反射铝箔的存在，将大部分热量反射掉，剩余热量依次经过隔热层4、磁屏蔽座5、磁屏蔽盖6、蓄热层3、磁屏蔽膜2传递到光纤敏感环1，传递过程中热量在隔热层4、蓄热层3被吸收和温度梯度衰减，达到光纤敏感环1上的温度变化将大大降低，减小和消除Shupe效应对光纤陀螺精度的影响。

2、磁场条件

光纤陀螺在有磁场条件下工作时（磁场含地球磁场和外界磁场），外界磁场将依次经过磁屏蔽座5和磁屏蔽盖6构成的磁屏蔽罩及磁屏蔽膜2到达光纤敏感环1，由于磁屏蔽罩4和磁屏蔽膜2构成双层磁屏蔽结构，消除和衰减了到达光纤敏感环1上的磁场强度，降低了磁场法拉第效应对光纤陀螺零偏的影响。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：包括由内向外依次设置的光纤敏感环（1）、磁屏蔽膜(2)、蓄热层(3)、磁屏蔽罩、隔热层(4)；所述磁屏蔽罩包括磁屏蔽座(5)和盖合在所述磁屏蔽座(5)上的磁屏蔽盖(6)；所述磁屏蔽罩为密闭结构，所述光纤敏感环(1)的尾纤依次穿过所述磁屏蔽膜(2)、磁屏蔽罩之后与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接；

所述光纤敏感环(1)由四极对称绕法绕制得到，光纤敏感环(1)包含的光纤层数为4的倍数，光纤敏感环(1)的各层光纤的长度相等，且各层光纤不包含空隙；所述光纤敏感环(1)由内层向外层高度逐渐减小，使得光纤敏感环(1)的各层光纤长度相同且各层光纤不包含空隙；所述光纤敏感环(1)的断面的形状为梯形。

2.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述磁屏蔽罩上设置有第一穿过结构，所述光纤敏感环(1)的尾纤穿过所述第一穿过结构与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接，所述第一穿过结构上除所述尾纤之外的位置均被密封。

3.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：磁屏蔽膜(2)固定设置于所述磁屏蔽座(5)上，所述磁屏蔽膜(2)和光纤敏感环(1)之间、所述磁屏蔽座(5)和磁屏蔽膜(2)之间均通过紫外固化胶进行固化。

4.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述隔热层(4)包括设置于外侧的铝箔和设置于内侧的沥青与玻纤的混合物。

5.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述蓄热层(3)由蓄热材料构成，所述蓄热材料为相变材料。

6.根据权利要求5所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述相变材料为石蜡或六水氯化钙。

7.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述磁屏蔽膜(2)的材料为纳米晶软磁合金或软铁或坡莫合金。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的用于光纤陀螺的光纤环的光纤环加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

（a）在光纤敏感环绕制工装上绕制光纤，形成光纤敏感环(1)；

（b）将磁屏蔽膜(2)贴覆于光纤敏感环(1)上，且将磁屏蔽膜(2)粘接于磁屏蔽座(5)上；

（c）将磁屏蔽盖(6)盖合在磁屏蔽座(5)上，使二者形成密闭的磁屏蔽罩；

（d）将蓄热材料注入磁屏蔽罩内，形成蓄热层(3)；

（e）将隔热层(4)粘接在磁屏蔽罩上；

（f）将光纤敏感环(1)的尾纤与光纤陀螺系统的Y波导尾纤连接；

所述步骤（a）中，在所述光纤敏感环绕制工装上绕制光纤敏感环1，光纤的绕制方法为四极对称绕法；所述步骤（a）之前还包括如下步骤：

（p）设计光纤敏感环绕制工装的尺寸，所述光纤敏感环绕制工装的尺寸满足如下条件：绕制得到的光纤敏感环(1)的各层光纤的长度相等，且各层光纤均不包含空隙，所述光纤敏感环(1)由内层向外层高度逐渐减小，所述光纤敏感环(1)的断面的形状为梯形。