CN109443384A - 一种改善光纤陀螺标度因数长期稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于闭环光纤陀螺设计技术，具体涉及一种改善光纤陀螺标度因数长期稳定性的方法；本发明采用一种防水涂覆材料，对绕制完毕固化后的光纤环表面用无水乙醇进行洁净处理，然后在光纤环上涂覆一层防水有机薄膜，将表面涂覆防水有机薄膜的光纤环装入光纤陀螺内，将光纤环与水汽隔离，减小了光纤环直径的吸水变化，提高湿热环境条件下光纤陀螺标度因数的长期稳定性。光纤陀螺不需要做防水密封的结构设计，具有结构简单，体积小易于工程实现的优点。
Description
技术领域
本发明属于闭环光纤陀螺设计技术，具体涉及一种改善光纤陀螺标度因数 长期稳定性的方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度传感器。其构成包括：光源1、耦合器2、多功能集成光学 调制器3、光纤环组件4、探测器5、电路板6和盖板7。光源1发出的光波经过耦合器2和多功能集成 光学调制器3后，分为两束相向传播的光束进入光纤环。当光纤环的敏感轴方向有角速度输入时，在两 束光之间产生Sagnac相位差，并发生干涉，通过探测器5将干涉的光信号转化成电信号并经过处理就可 以获得相应的输入角速度。
根据Sagnac效应，光纤陀螺的输出相位差Δφ与输入角速度Ω的关系为公 式(1)
公式(2)中光纤陀螺的标度因数为K
式中L为光纤长度，D为光纤环直径，c为光速，λ为光波长。标度因数K 是光纤陀螺的一项关键性能指标。从(2)式中可以看出，标度因数K与光纤环 的直径D成正比。而标度因数稳定性的一个重要影响因素是光纤环的直径变化。 光纤环由多层光纤和粘结胶按照四级对称方式绕制固化而成，粘结胶为聚丙烯 酸脂，具有一定的吸水性。水分子在树脂中亲水基团的作用下产生吸附，并通 过树脂中毛细孔扩散，使水分子浸润到光纤环内，从而光纤环在物理尺寸上会 发生变化，表现为体积膨胀增大了光纤环体积，致使光纤环LD变大，导致陀螺 标度因数变大；水分子通过树脂中毛细孔扩散的过程是可逆的。如果其经过高温存储过程后，分子间活动加剧，亲水基团吸附的水分子会脱离。由于高温使 得水分子得到运动并从树脂毛细孔中扩散出去，从而光纤环在物理尺寸上会发 生变化，表现为体积收缩减小了光纤环体积，致使光纤环LD变小，导致陀螺标 度因数变小。由于粘结胶的吸水性，光纤环在温度和湿气变化的环境中长期放 置直径会发生变化，导致光纤陀螺标度因数变化，影响标度因数长期稳定性。 目前改进的方法为：(1)一种方法是对光纤陀螺进行密封，但是需要重新进行 结构设计，造成结构复杂，体积难以减小。(2)研究改善粘结胶的吸水性，但 是会影响粘结胶的杨氏模量和温度性能等性能，需要综合考虑。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于光纤环表面涂覆技术，能够简便有效屏蔽 外部湿气变化，提高光纤陀螺标度因数长期稳定性的方法。
本发明的技术方案是：一种改善纤陀螺标度因数长期稳定性的方法，采用 一种防水涂覆材料，对绕制完毕固化后的光纤环表面用无水乙醇进行洁净处理， 然后在光纤环上涂覆一层防水有机薄膜，将表面涂覆防水有机薄膜的光纤环装 入光纤陀螺内。
所述防水涂覆材料为对二甲苯聚合物或聚氨酯聚合物或丙烯酸酯聚合物。
所述对二甲苯聚合物其90％RH37度水蒸气渗透为0.21,仅是环氧树脂的 1/30，聚氨酯1/100。
所述的在光纤环上涂覆防水有机薄膜涂覆采用的是固相沉积、气相沉积或液 体浸润的方式。
所述气相沉积是在气相沉积设备进行，气相沉积设备分为5个部分，分别为 150℃/0.1torr的蒸发腔、690℃/0.5torr裂解腔、25℃/0.05torr沉积腔、-90℃ 的冷阱和真空泵，它们是一个连续的过程，前三个腔室相互连通相辅相成，不 同的温度和不同的真空度决定了它们不同的设备结构工艺，在内置PLC控制的 自动状态下，系统达到预设的真空压力并且反应过程达到操作温度，当适当的 温度和压力被建立以后，蒸发器开始对对二甲苯先进行升华，按照设备的操作 要求完成整个对二甲苯聚合物薄膜的沉积。
本发明的优点在于：
通过在光纤陀螺光纤环表面涂覆防水有机薄膜，将光纤环与水汽隔离，减小 了光纤环直径的吸水变化，提高湿热环境条件下光纤陀螺标度因数的长期稳定 性。光纤陀螺不需要做防水密封的结构设计，具有结构简单，体积小易于工程 实现的优点。
具体实施方式
本发明的技术方案是：一种对光纤陀螺光纤环表面进行整体防水密封涂覆。 根据所选用的材料，涂覆方式可以是固相喷涂或气相喷涂或液相浸润。
实施例1：
1)选取一种有机防水涂覆材料，具体的是对二甲苯聚合物，其90％RH37度水 蒸气渗透(g*mil/100in2*d)为0.21,仅是环氧树脂的1/30，聚氨酯1/100。 对二甲苯聚合物薄膜具有厚度均匀、致密无针孔、透明无应力等特点，有优 异的电绝缘性和防护性。
2)确定防水涂覆方法，对二甲苯聚合物薄膜的涂覆采取的是固相沉积原理， 可以克服由于液态涂层固有的表面张力和固化应力容易造成涂层出现桥接、 开裂、不均匀、针孔等现象，而且避免挥发性涂层对操作个人也存在一定的 身体损害。聚对二甲苯的二聚体在真空状态中受热后从固态转变为气态，又 在工件表面由气态转变为固态沉积下来，整个过程均在密闭空间中完成，避 开了中间独立的液态过程，从而避免了对操作人员和环境的损害。
3)采用无水乙醇清洁整个光纤环表面，擦除表面的灰尘颗粒和印迹。
4)将光纤环放入对二甲苯聚合物气相沉积设备中，气相沉积设备分为5个部 分，分别为150℃/0.1torr的蒸发腔、690℃/0.5torr裂解腔、25℃/0.05torr 沉积腔、-90℃的冷阱和真空泵，典型所用的设备即为SCS公司的新产品 PDS2010，它们是一个连续的过程，前三个腔室相互连通相辅相成，不同的 温度和不同的真空度决定了它们不同的设备结构工艺。在内置PLC控制的自 动状态下，系统达到预设的真空压力并且反应过程达到操作温度，当适当的 温度和压力被建立以后，蒸发器开始对对二甲苯先进行升华，按照设备的操作要求完成整个对二甲苯聚合物薄膜的沉积。
5)根据成膜速率监控仪的指示，将对二甲苯聚合物薄膜厚度控制到20-30微 米。
6)取出光纤环，按照正常装配工艺组装光纤陀螺。
实施例2：
1)选取一种有机防水涂覆材料，具体的是聚氨酯。
2)确定防水涂覆方法，聚氨酯的涂覆采取的是气相沉积原理。
3)光纤环清洁同实施例1。
4)用喷枪对光纤环进行聚氨酯气相喷涂。
5)待光纤环表面成膜后，按照正常装配工艺组装光纤陀螺。
实施例3：
1)选取一种有机防水涂覆材料，具体的是丙烯酸酯聚合物。
2)确定防水涂覆方法，丙烯酸酯的涂覆采取的是液相浸润方式。
3)表面洁净同实施例1。
4)将光纤环放入丙烯酸酯液体中充分浸润。
5)将光纤环取出表面成膜后，按照正常装配工艺组装光纤陀螺。
Claims (5)
1.一种改善纤陀螺标度因数长期稳定性的方法，其特征在于，对绕制完毕固化后的光纤环表面用无水乙醇进行洁净处理，然后在光纤环上涂覆一层防水有机薄膜，将表面涂覆防水有机薄膜的光纤环装入光纤陀螺内。
2.如权利要求1所述的一种改善纤陀螺标度因数长期稳定性的方法，其特征在于，所述防水涂覆材料为对二甲苯聚合物或聚氨酯聚合物或丙烯酸酯聚合物。
3.如权利要求2所述的一种改善纤陀螺标度因数长期稳定性的方法，其特征在于，所述对二甲苯聚合物其90％RH37度水蒸气渗透为0.21,仅是环氧树脂的1/30，聚氨酯1/100。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种改善纤陀螺标度因数长期稳定性的方法，其特征在于，所述的在光纤环上涂覆防水有机薄膜涂覆采用的是固相沉积、气相沉积或液体浸润的方式。
5.如权利要求4所述的一种改善纤陀螺标度因数长期稳定性的方法，其特征在于，所述气相沉积是在气相沉积设备进行，气相沉积设备分为5个部分，分别为150℃/0.1torr的蒸发腔、690℃/0.5torr裂解腔、25℃/0.05torr沉积腔、-90℃的冷阱和真空泵，它们是一个连续的过程，前三个腔室相互连通相辅相成，不同的温度和不同的真空度决定了它们不同的设备结构工艺，在内置PLC控制的自动状态下，系统达到预设的真空压力并且反应过程达到操作温度，当适当的温度和压力被建立以后，蒸发器开始对对二甲苯先进行升华，按照设备的操作要求完成整个对二甲苯聚合物薄膜的沉积。
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