CN111089577A - 一种光纤环绕制方法、光纤环及光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤环绕制方法，在光纤环径向方向上定义第一位置区间Q1、第二位置区间Q2；定义第一直线段为光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线中斜率绝对值最大的直线段；第三位置区间Q3为与第一直线段对应的光纤环径向方向上的位置区间；第二直线段的斜率绝对值小于第一直线段的斜率绝对值；定义第四位置区间Q4为与第二直线段对应的光纤环径向方向上的位置区间；以m1极对称绕法绕制位于第一位置区间Q1中的光纤；以m2极对称绕法绕制位于第二位置区间Q2中的光纤；m1、m2分别为光纤的不同绕制极数，m1＞m2；光纤环中光纤的绕制极数不大于m1。本发明还提供一种光纤环及光纤陀螺。

Description

一种光纤环绕制方法、光纤环及光纤陀螺

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤环绕制方法，特别是一种应用于光纤陀螺产品的光纤环绕制方法。

背景技术

光纤环是光纤陀螺的核心器件，其性能决定了光纤陀螺整机性能，特别是温度性能直接决定光纤陀螺整机的温度性能，光纤陀螺的温度性能是光纤陀螺的重要考核指标。

光纤陀螺的研制生产单位，在光纤环的设计上主要依据光纤陀螺精度指标要求和外形尺寸要求，确定光纤类型、光纤绕制层数、每层绕制匝数，进而明确光纤环内径、外径、高等参数；在光纤环的绕制方法上先后提出了双极绕法、四极对称绕法、8极对称绕法、16极对称绕法等绕制方法，目前采用主要为四极对称绕法，部分陀螺采用8极或16极绕法。现有绕制方法较为单一，仅采用四极对称绕法的光纤环无法消除光纤环中温度梯度的影响，尤其当光纤长度较大时，受温度的影响更大；仅采用八极或十六极绕法的光纤环尽管可以提高光纤环的温度适应性，降低温度梯度的影响，但工艺较为复杂，当绕制层数较多时绕制过程出现误差的概率会明显增加，反而可能造成光纤环性能的下降。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有光纤环绕制方法中绕制方法单一、受温度影响较大的问题，提供一种光纤环绕制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种光纤环绕制方法，在光纤环径向方向上定义第一位置区间Q1、第二位置区间Q2，所述第一位置区间Q1、第二位置区间Q2之间无重合的部分；

定义第一直线段为光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线中斜率绝对值最大的直线段；定义第三位置区间Q3为与第一直线段对应的光纤环径向方向上的位置区间，所述第三位置区间Q3与第一位置区间Q1具有重合的部分；

定义第二直线段为所述温度梯度分布曲线中与第一直线段不同的直线段，所述第二直线段的斜率绝对值小于第一直线段的斜率绝对值；定义第四位置区间Q4为与第二直线段对应的光纤环径向方向上的位置区间，所述第四位置区间Q4与第二位置区间Q2具有重合的部分；以m1极对称绕法绕制位于第一位置区间Q1中的光纤；以m2极对称绕法绕制位于第二位置区间Q2中的光纤；m1、m2分别为光纤的不同绕制极数，m1＞m2；所述光纤环中光纤的绕制极数不大于m1。

本发明中，通过上述设置，由于第三位置区间与第一位置区间重合，从而可以在光纤环径向方向上温度梯度变化剧烈的部分(直线段的斜率绝对值最大)至少可以部分采用m1极对称绕法，尽量降低该部分的光纤受到的温度梯度的影响，而在温度梯度变化变化较缓的部分(直线段的斜率绝对值非最大)至少可以部分采用小于m1的m2极对称绕法，不会对光纤环温度性能产生很大影响，而且可以尽量降低整个光纤环的绕制难度，避免在整个光纤环中采用较高绕制极数可能引起的较大绕制误差的问题，从而可以在光纤环温度性能与绕制难度造成的误差之间实现平衡。

上述技术方案中，在光纤环径向方向上除了第一位置区间Q1之外的所有位置区间中的光纤的绕制极数均小于m1。通过仅在第一位置区间Q1对光纤进行绕制，使得既可以在温度变化剧烈的位置区间尽可能采用较大的绕制极数，而在其他位置区间尽量采用较小的绕制极数，从而实现温度性能与绕制难度之间的平衡。

上述技术方案中，在光纤环径向方向上，所述第二位置区间Q2位于光纤的最内侧，所述第一位置区间Q1与第二位置区间Q2相邻；

优选地，定义第五位置区间Q5为光纤环径向方向上位于光纤的最外侧的位置区间，所述第五位置区间Q5与第一位置区间Q1相邻，以m3极对称绕法绕制位于第五位置区间Q5中的光纤，m2≤m3＜m1。

申请人在研究时发现，光纤最内侧的位置区间的温度梯度变化较小，因此可采用较少的绕制极数m1。通过在与第一位置区间相邻的第二位置区间采用m2极对称绕法，不仅有效利用了更大极对称绕法的受温度梯度影响小的优势，而且由于仅在光纤环的部分层采用较大极对称绕法，降低了绕制过程中出现误差的概率。由于所述光纤环中光纤的绕制极数不小于m1且不大于m1，因此也保证了整个光纤环的温度性能，而且使得绕制难度不会过大。

申请人在研究时发现，温度梯度曲线一般仅由三个直线段相互连接而成，由于在第五位置区间以m3极对称绕法绕制位于第五位置区间Q5中的光纤，m2≤m3＜m1，使得仅在第一位置区间采用较大的绕制极数，而在第二位置区间、第五位置区间均采用较低的绕制极数，使得绕制难度较低，且保证了整个光纤环的温度性能。

上述技术方案中，定义第二位置区间Q2、第五位置区间Q5分别为在光纤环径向方向上位于最内侧、最外侧的位置区间，所述第五位置区间Q5与第一位置区间Q1相邻，以m3极对称绕法绕制位于第五位置区间Q5中的光纤，m3＜m1；定义所述第一位置区间Q1的两个端点分别为第一端点P1、第二端点P2，定义所述第三位置区间Q3的两个端点分别为第三端点P3、第四端点P4，所述第一端点P1在光纤环径向方向上位于第二端点P2内侧，所述第三端点P3在光纤环径向方向上位于第四端点P4内侧，定义所述第一端点P1与第三端点P3的距离为d13，定义所述第二端点P2与第四端点P4的距离为d24，定义光纤涂覆层直径为d，0≤d13＜m2×d，0≤d24＜m3×d。

本发明中，申请人在研究时发现，由于每层光纤的厚度(即在光纤环径向方向上的尺寸)是一定的，因此第三位置区间与第一位置区间可能无法完全重合，通过设置0≤d13＜m2×d，0≤d24＜m3×d，使得尽量在受温度影响最大的光纤环的部分采用更大极的绕法。

上述技术方案中，定义所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3重合的部分为第一重合部分，所述第一重合部分的长度与第一位置区间Q1的长度的比例不小于80％，所述第一重合部分的长度与第三位置区间Q3的长度的比例不小于80％；定义所述第二位置区间Q2与第四位置区间Q4重合的部分为第二重合部分，所述第二重合部分的长度与第二位置区间Q2的长度的比例不小于80％，所述第二重合部分的长度与第四位置区间Q4的长度的比例不小于80％。

申请人在研究时发现，由于每层光纤的厚度(即在光纤环径向方向上的尺寸)是一定的，因此第二位置区间与第四位置区间可能无法完全重合，通过上述设置，即设置第一重合部分的长度与第一位置区间、第三位置区间的长度关系，以及设置第二重合部分的长度与第二位置区间、第四位置区间的位置关系，可以尽可能在温度梯度较大的部分采用较高的绕制极数，避免光纤环受到温度的较大影响。

上述技术方案中，所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3完全重合，或所述第一位置区间Q1为第三位置区间Q3的子区间，或所述第一位置区间Q1为第三位置区间Q3的子区间，或所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3部分重合。

上述技术方案中，通过在光纤环的仿真模型中施加温度载荷，得到光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线，所述光纤环的仿真模型根据光纤环尺寸、光纤环中光纤的类型构建。

上述技术方案中，在所述光纤环的仿真模型中，沿光纤环径向方向从光纤环内侧向光纤环外侧施加温度载荷。

上述技术方案中，所述光纤环尺寸根据光纤陀螺精度指标确定，所述光纤环中光纤的类型根据光纤环尺寸确定；所述光纤环尺寸包括光纤环外径、光纤环内径、光纤环高度、光纤总长度、每层光纤匝数。

上述技术方案中，m1为m2的整数倍，m1、m2均为偶数。

上述技术方案中，m1为8或16，m2为2或4。

本发明还提供一种光纤环，其特征在于，所述光纤环由上述任一项所述的光纤环绕制方法进行绕制。

本发明还提供一种光纤陀螺，其特征在于，所述光纤陀螺包括上述所述的光纤环。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明采用有限元分析作为光纤环设计的有效手段，依据光纤陀螺产品的工作温度要求，进行光纤环温度分布仿真分析，实现光纤环和使用环境的紧密结合，为光纤化的设计和绕制提供指导方向，更利于设计出温度性能好的光纤环。

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是本发明实施例的有限元分析中得到的光纤环仿真模型三维示意图；

图2是本发明实施例的有限元分析中施加的随时间变化的温度载荷曲线示意图；

图3是本发明实施例的施加如图2所示的温度载荷后获得的光纤环温度梯度分布的三维视图；

图4是图3的径向截面图，其中A侧表示在光纤环径向方向上靠近光纤环的内侧，B侧表示在光纤环径向方向上靠近光纤环的外侧；

图5是根据图4得到的光纤环径向温度梯度分布曲线；

图6(a)为与图5对应的第一位置区间Q1、第二位置区间Q2、第五位置区间Q5分别与第三位置区间Q3、第四位置区间Q4、第六位置区间Q6的对应位置示意图、其中，第一端点P1与第三端点P3重合，第二端点P2与第四端点P4重合；

图6(b)为与图5对应的第一位置区间Q1、第二位置区间Q2、第五位置区间Q5分别与第三位置区间Q3、第四位置区间Q4、第六位置区间Q6的对应位置示意图、其中，第一端点P1在第三端点P3内侧，第二端点P2在第四端点P4外侧；

图6(c)为与图5对应的第一位置区间Q1、第二位置区间Q2、第五位置区间Q5分别与第三位置区间Q3、第四位置区间Q4、第六位置区间Q6的对应位置示意图、其中，第一端点P1在第三端点P3外侧，第二端点P2在第四端点P4内侧。

图7(a)为采用八极对称绕法的常温静态测试结果。

图7(b)为采用四极对称绕法的常温静态测试结果。

图7(c)为采用本发明实施例的四极和八极对称绕法的常温静态测试结果。

上述附图中，1、第一直线段，2、第二直线段，3、第三直线段。

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。

四极对称绕法能有效降低光纤环圈中温度梯度对光纤中所传输光的影响，但不能完全消除光纤环圈中温度梯度的影响，而且随着光纤长度的增加，这种的残余效应会越来越明显，它限制了光纤陀螺精度的进一步提高，因此需要有更好的绕制方法来提高光纤环圈的温度特性。

八极绕法在提高光纤环温度适应性方面具有理论上的优势，但是其绕制工艺较四极对称绕法更为复杂，若工艺不够成熟、绕制过程控制不好反而可能造成光纤环的性能下降，所以应充分考虑自身的研制要求以及绕制技术和绕制设备条件来选择合适的绕制方法。

本发明中，确定待绕制光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线的步骤包括：步骤(A)：分解陀螺精度指标和尺寸指标要求，设定光纤环的各项参数；步骤(B)：建立待绕制光纤环的仿真模型，确定光纤环径向温度梯度分布曲线。

步骤(A)：分解陀螺精度指标和尺寸指标要求，设定光纤环的各项参数。

确定待绕制光纤环的尺寸和待绕制光纤环中光纤的类型。依据光纤陀螺的精度指标和尺寸要求，初步确定光纤类型、绕制层数、绕制匝数。光纤类型的确定要综合光纤环的内径、外径、高、光纤长度等指标来确定，属于本领域的惯用技术，本领域技术人员可以理解。

所述光纤环尺寸根据光纤陀螺精度指标确定，所述光纤环中光纤的类型根据光纤环尺寸确定；所述光纤环尺寸包括光纤环外径、光纤环内径、光纤环高度、光纤总长度、每层光纤匝数。

在本实施例中，假定光纤陀螺的设计精度为0.1°/h，确定绕制光纤采用135/80微米保偏光纤，光纤环外径≤65mm。由光纤陀螺的设计精度0.1°/h根据陀螺设计理论可以确定L_total×D_equal约为30m²，其中L_total为光纤长度，D_equal为光纤环等效直径。设计中考虑光纤环绕制层数N_total＝32层，则由外径65mm、光纤涂覆层直径d＝0.135mm，确定光纤环内径约为65-2×0.135×32≈56mm，则光纤环等效直径D_equal约为(65+56)/2＝60.5mm，光纤长度L为30/0.0605≈495m。

根据L_total＝π×D_equal×n_z×N_total求解的每层光纤匝数n_z≈81，式中，光纤环高度H＝n_z×d＝81×0.135≈11mm。光纤环参数如下所示：

步骤(B)：建立待绕制光纤环的仿真模型，确定光纤环径向温度梯度分布曲线。

根据待绕制光纤环的尺寸、待绕制光纤环中光纤的类型建立待绕制光纤环的仿真模型。在ANSYS软件中输入光纤材料的各个参数，例如密度、比热、热导率、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、涂覆层直径等参数，即可得到待绕制光纤环的仿真模型。本实施例中的光纤环仿真模型如图1所示。

依据光纤陀螺产品的工作温度环境或温度测试要求，基于有限元分析软件对光纤环的设计进行仿真分析，确定光纤环的径向温度梯度分布曲线，特别是由内径向外径方向或由外径向内径方向的温度梯度变化。

通过在光纤环的仿真模型中施加温度载荷，得到光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线，所述光纤环的仿真模型根据光纤环尺寸、光纤环中光纤的类型构建。在待绕制光纤环的仿真模型中施加温度载荷，得到如图3所示的待绕制光纤环径向方向上的三维温度梯度图。本实施例中，在光纤环内侧施加随时间变化的温度载荷T＝t/KA+TA，温度载荷曲线如图3所示，表示为光纤陀螺常温工作状态下，光纤环内侧所施加的温度载荷曲线。其中，T为温度载荷，t为时间。KA为温度随时间变化的斜率，KA优选为320℃/s。TA为初始温度，TA优选的范围为[-50℃，70℃]，更优选为20℃。温度载荷施加的方向是：沿光纤环径向方向，从光纤环内侧向外侧施加，相当于环内侧有一个圆柱由内向外加热载荷。光纤环上的温度梯度分布曲线是与所施加的温度载荷相关的。不同的温度载荷会对应不同的温度梯度曲线。

选取图3中的三维温度梯度图的径向截面图，得到如图4所示为光纤环温度梯度分布的径向截面图。图4所示的不同灰度值代表不同的温度梯度。

从图4的径向截面图得到如图5所示的光纤环径向方向上由光纤环内侧向外侧的光纤环温度梯度分布曲线。

待绕制光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线的横坐标、纵坐标分别为待绕制光纤环径向方向上的位置、与待绕制光纤环径向方向上的位置对应的温度梯度。温度梯度单位是℃/m。待绕制光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线由多个斜率不同的直线段连接而成。得到温度梯度曲线后，可以确定相邻的不同斜率的直线段的交点对应于光纤环上的径向方向上的位置，从而得到在光纤环径向方向上不同的位置区间。本领域技术人员公知的如何通过参数仿真得到光纤环温度梯度分布曲线，也了解如何通过光纤环温度梯度分布曲线上的直线得到对应的光纤环径向方向上的位置区间。

本实施例中，温度梯度分布曲线由第一直线段1、第二直线段2、第三直线段3组成。第一直线段1为光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线中斜率绝对值最大的直线段。第一直线段1的斜率为39139℃/m。根据各个直线段之间的交点，即可确定该交点对应于光纤环径向方向上的位置。

如图5所示，第三位置区间Q3、第四位置区间Q4、第六位置区间Q6分别为与第一直线段1、第二直线段2、第三直线段3对应的光纤环径向方向上的位置区间。

第三位置区间Q3即为第一直线段1在光纤环径向方向上的投影所在的位置区间。

第四位置区间Q4即为第二直线段2在光纤环径向方向上的投影所在的位置区间。

第六位置区间Q6即为第三直线段3在光纤环径向方向上的投影所在的位置区间。

本发明中，光纤环的绕制过程不是采用单一绕制方法来实现，而是根据上述光纤环有限元分析的结果，采用两种或更多种不同的光纤环绕制方法，共同来实现光纤环的绕制。温度梯度变化剧烈的径向位置区间，尽量采用更大的绕制极数m1(例如八极绕法)，在温度梯度变化平缓的径向位置区间，尽量采用较小的绕制极数m2(例如四极绕法)。

本发明提供一种光纤环绕制方法，在光纤环径向方向上定义第一位置区间Q1、第二位置区间Q2，所述第一位置区间Q1、第二位置区间Q2之间无重合的部分；

定义第一直线段1为光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线中斜率绝对值最大的直线段；定义第三位置区间Q3为与第一直线段1对应的光纤环径向方向上的位置区间，所述第三位置区间Q3与第一位置区间Q1具有重合的部分；

定义第二直线段2为所述温度梯度分布曲线中与第一直线段1不同的直线段，所述第二直线段2的斜率绝对值小于第一直线段1的斜率绝对值；定义第四位置区间Q4为与第二直线段2对应的光纤环径向方向上的位置区间，所述第四位置区间Q4与第二位置区间Q2具有重合的部分；

以m1极对称绕法绕制位于第一位置区间Q1中的光纤；以m2极对称绕法绕制位于第二位置区间Q2中的光纤；m1、m2分别为光纤的不同绕制极数，m1＞m2；所述光纤环中光纤的绕制极数不大于m1。

由于每层光纤的厚度是已知的，因此第一位置区间Q1的长度必然为m1×d的整数倍，第二位置区间Q2的长度也必然为m2×d的整数倍。本发明中，可根据第三位置区间Q3的位置和长度、第二位置区间的长度Q4对第一位置区间Q1的位置和长度进行调整，从而尽量在温度梯度变化最大的区间内采用最大的绕制极数m1。例如，若第四位置区间在光纤环最内侧，则可以根据第四位置区间的长度确定第二位置区间Q2的长度，即通过m2极对称绕法绕制最多多少层，再根据第三位置区间Q3的长度确定与第二位置区间Q2相邻的第一位置区间Q1通过m1极对称绕法绕制多少层。本实施例中，第二位置区间Q2、第五位置区间Q5均与第一位置区间Q1相邻。第一位置区间Q1的两个端点分别与第二位置区间Q2的一个端点、第五位置区间Q5的一个端点对应重合。

在一种优选实施方式中，m1为m2的整数倍，m1、m2均为偶数。更优选地，m1为8或16，m2为2或4。m3为2或4。一个m1极绕法占据m1个绕制层数，一个m2绕法占据m2个绕制层数。

本实施例中，以第一直线段1和第二直线段2的交点对应的径向位置点为分界点将光纤环的绕制分为两部分，优选地，其中第二位置区间Q2采用四极对称绕法，绕制8层，第一位置区间Q2、第五位置区间Q5采用八极对称绕法，绕制24层，完成光纤环绕制。

在本实施例中，在光纤环径向方向上，所述第二位置区间Q2位于最内侧，所述第一位置区间Q1与第二位置区间Q2相邻。

在一种优选实施方式中，定义第五位置区间Q5为光纤环径向方向上位于最外侧的位置区间，所述第五位置区间Q5与第一位置区间Q1相邻，以m3极对称绕法绕制位于第五位置区间Q5中的光纤，m2≤m3＜m1。

本发明中，申请人在研究时发现，由于每层光纤的厚度(即在光纤环径向方向上的尺寸)是一定的，因此第三位置区间Q3与第一位置区间Q1可能无法完全重合。

定义所述第一位置区间Q1的两个端点分别为第一端点P1、第二端点P2，定义所述第三位置区间Q3的两个端点分别为第三端点P3、第四端点P4，所述第一端点P1在光纤环径向方向上位于第二端点P2内侧，所述第三端点P3在光纤环径向方向上位于第四端点P4内侧，定义所述第一端点P1与第三端点P3的距离为d13，定义所述第二端点P2与第四端点P4的距离为d24，定义光纤涂覆层直径为d，0≤d13＜m2×d，0≤d24＜m3×d。

在光纤环径向方向上，第一端点P1、第二端点P2、第三端点P3、第四端点P4的关系存在如下几种情况(图6(a)-图6(b)仅示出了其中三种情况)：

第一端点P1在第三端点P3内侧，第二端点P2在第四端点P4内侧；

或第一端点P1在第三端点P3内侧，第二端点P2与第四端点P4重合；

或第一端点P1在第三端点P3内侧，第二端点P2在第四端点P4外侧，如图6(b)所示；

或第一端点P1与第三端点P3重合，第二端点P2在第四端点P4内侧；

或第一端点P1与第三端点P3重合，第二端点P2与第四端点P4重合，如图6(a)所示；

或第一端点P1与第三端点P3重合，第二端点P2在第四端点P4外侧；

或第一端点P1在第三端点P3外侧，第二端点P2在第四端点P4内侧，如图6(c)所示；

或第一端点P1在第三端点P3外侧，第二端点P2与第四端点P4重合；

或第一端点P1在第三端点P3外侧，第二端点P2在第四端点P4外侧。

定义所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3重合的部分为第一重合部分，所述第一重合部分的长度与第一位置区间Q1的长度的比例不小于80％，所述第一重合部分的长度与第三位置区间Q3的长度的比例不小于80％；定义所述第二位置区间Q2与第四位置区间Q4重合的部分为第二重合部分，所述第二重合部分的长度与第二位置区间Q2的长度的比例不小于80％，所述第二重合部分的长度与第四位置区间Q4的长度的比例不小于80％。

所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3完全重合，或所述第一位置区间Q1为第三位置区间Q3的子区间，或所述第一位置区间Q1为第三位置区间Q3的子区间，或所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3部分重合。

本发明还提供一种光纤环，所述光纤环由上述任一项所述的光纤环绕制方法进行绕制。

本发明还提供一种光纤陀螺，所述光纤陀螺包括上述光纤环。

本发明实施例中，如图5所示，所述温度梯度分布曲线由多个直线段连接而成，所述第二直线段2为所述温度梯度分布曲线中位于光纤环径向方向上最内侧的直线段，第一直线段1与第二直线段2具有交点。本实施例中，第二直线段2所对应的部分即为仿真的光纤环在径向方向上位于最内侧的部分，第三直线段3所对应的部分即为仿真的光纤环在径向方向上位于最外侧的部分。

定义L4为第四位置区间Q4在光纤环径向方向上的尺寸。

定义L3为第三位置区间Q3在光纤环径向方向上的尺寸。

在光纤环径向方向上，所述第二位置区间Q2位于最内侧，所述第一位置区间Q1与第二位置区间Q2相邻。

定义第一比值r1＝L3/d，定义第二比值r2＝L4/d。

令s1为第一位置区间Q1中光纤的绕制极数；令s2为第二位置区间Q2中光纤的绕制极数；

若r2为m2的整数倍，则令第二位置区间Q2为第四位置区间Q4重合，且令s2＝r2；

若存在整数N2，使得N2为m2的整数倍且N2＜r2＜N2+m2，则令s2＝N2或令s2＝N2+m2；

若(r1+r2-s2)为m1的整数倍，则令第一位置区间Q1与第三位置区间Q3重合，且令s1＝(r1+r2-s2)；

若存在整数N1，使得N1为m1的整数倍且N1＜(r1+r2-s2)＜N1+m1，则令s2＝N1或令s1＝N1+m1。

一款光纤环在外形尺寸和精度指标确定的条件下，可以初步设定内径、外径、高参数、绕制层数、每层匝数等参数，但上述参数可以进行一定范围的微调。依据斜率的交点确定光纤环上的径向位置点，优化光纤环绕制层数，每层匝数，确定光纤环内径、外径、高参数。

绕制层数、每层匝数优化后与初始设定参数差别不会较大，仅仅是微调。

以70型光纤陀螺使用的光纤环设计为例。70型光纤陀螺的设计精度为0.1°/h(10s),绕制光纤采用135/80保偏光纤，光纤环外径≤65mm。光纤环主要参数如表1所示。

由陀螺的设计精度0.1°/h根据陀螺设计理论可以确定L_total×D_equal约为30m²，设计中考虑光纤环绕制32层(N_total)，则由外径65mm,光纤涂覆层直径0.135mm,确定光纤环内径约为65-2×32×0.135≈56mm,则光纤环等效直径D_equal约为(65+56)/2＝60.5mm,光纤长度L为30/0.0605≈495m。

由L_total＝π×D_equal×n_z×N_total

式中光纤环绕制层数N，每层光纤匝数n_z,光纤长度L_total，等效直径D_equal。

求解的每层光纤匝数n_z约为81。

光纤环高H＝81×0.135≈11mm。

表1光纤环主要参数

依据上述计算结果建立有限元分析模型，进行光纤环温度梯度分析。获得的光纤环温度梯度列表(由内径向外径方向)，如下表2所示。

表2温度梯度列表

本实施例中，第一直线段1、第二直线段2、第三直线段3在光纤环径向方向上由内到外依次设置，且相连组成光纤环的温度梯度曲线。

本申请中，令m1为8，令m2为4，d＝0.135mm。温度梯度分布曲线如图5所示。图中，L4＝0.492mm，L3+L4＝3.92mm。光纤绕制时，从内径向外径方向绕制光纤。r2＝L4/d＝0.492÷0.135≈3.644。因此，取N2＝4，且令s2为4。

r1+r2＝(L3+L4)/d＝3.92÷0.135≈29.037。

由于已确定s2为4，则存在N1＝24且为8的倍数，且24＜29.037-4＜32，则令s1＝N1＝24。

综合上面计算结果，可知光纤环绕制方法的具体分布为光纤环的1到4层采用四极绕法进行绕制，从第5层到28层，采用8极绕制方法绕制。第29到32层采用四极绕法进行绕制。

依据斜率的交点主要确定的内容是整个光纤环上不同绕制方法(4极、8极)绕制区间的确定。

对光纤环绕制层数，每层匝数，光纤环内径、外径、高等参数的确定无特别影响，与现有技术相同。

分别对采用4极、8极与本发明实施例中4极+8极绕法方案的光纤环，三种类型的光纤环均安装在陀螺系统内，进行常温条件下1小时性能测试评价，测试过程中对陀螺的零偏稳定性和启动过程结果进行计算。测试曲线如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示。

计算结果如表3所示。

表3陀螺静态测试结果

绕制方法	零偏稳定性<sup>0</sup>/h(10s)	启动时间s
			四极	0.11	650
八极	0.085	10
			四极+八极	0.094	30

由以上测试结果可知，本发明四极+八极绕制方法与四极绕制方法可以有效抑制温度对光纤环的不利影响，无明显的启动过程，对提高陀螺精度水平具有明显优势，与8极绕法效果相当。而且，图7(a)得到的试验结果为较有经验的专业绕制人员较为理想的八极绕法的试验结果，若人员绕制水平较低，则八极绕制方法的试验结果可能比目前结果差。而且，八极对称绕法的绕制时间远远大于四极对称绕法的绕制时间，绕制效率较低。

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，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种光纤环绕制方法，其特征在于，在光纤环径向方向上定义第一位置区间Q1、第二位置区间Q2，所述第一位置区间Q1、第二位置区间Q2之间无重合的部分；

定义第一直线段（1）为光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线中斜率绝对值最大的直线段；定义第三位置区间Q3为与第一直线段（1）对应的光纤环径向方向上的位置区间，所述第三位置区间Q3与第一位置区间Q1具有重合的部分；

定义第二直线段（2）为所述温度梯度分布曲线中与第一直线段（1）不同的直线段，所述第二直线段（2）的斜率绝对值小于第一直线段（1）的斜率绝对值；定义第四位置区间Q4为与第二直线段（2）对应的光纤环径向方向上的位置区间，所述第四位置区间Q4与第二位置区间Q2具有重合的部分；

以m1极对称绕法绕制位于第一位置区间Q1中的光纤；以m2极对称绕法绕制位于第二位置区间Q2中的光纤；m1、m2分别为光纤的不同绕制极数，m1＞m2；所述光纤环中光纤的绕制极数不大于m1。

2.根据权利要求1所述的光纤环绕制方法，其特征在于，在光纤环径向方向上除了第一位置区间Q1之外的所有位置区间中的光纤的绕制极数均小于m1。

3.根据权利要求1所述的光纤环绕制方法，其特征在于，定义所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3重合的部分为第一重合部分，所述第一重合部分的长度与第一位置区间Q1的长度的比例不小于80%，所述第一重合部分的长度与第三位置区间Q3的长度的比例不小于80%；定义所述第二位置区间Q2与第四位置区间Q4重合的部分为第二重合部分，所述第二重合部分的长度与第二位置区间Q2的长度的比例不小于80%，所述第二重合部分的长度与第四位置区间Q4的长度的比例不小于80%。

4.根据权利要求1所述的光纤环绕制方法，其特征在于，定义第二位置区间Q2、第五位置区间Q5分别为在光纤环径向方向上位于最内侧、最外侧的位置区间，所述第五位置区间Q5与第一位置区间Q1相邻，以m3极对称绕法绕制位于第五位置区间Q5中的光纤，m3＜m1；定义所述第一位置区间Q1的两个端点分别为第一端点P1、第二端点P2，定义所述第三位置区间Q3的两个端点分别为第三端点P3、第四端点P4，所述第一端点P1在光纤环径向方向上位于第二端点P2内侧，所述第三端点P3在光纤环径向方向上位于第四端点P4内侧，定义所述第一端点P1与第三端点P3的距离为L13，定义所述第二端点P2与第四端点P4的距离为L24，定义光纤涂覆层直径为d，0≤L13＜m2×d，0≤L24＜m3×d。

5.根据权利要求1所述的光纤环绕制方法，其特征在于，所述温度梯度分布曲线由多个直线段连接而成，所述第二直线段（2）为所述温度梯度分布曲线中位于光纤环径向方向上最内侧的直线段，第一直线段（1）与第二直线段（2）具有交点；

定义L4为第四位置区间Q4在光纤环径向方向上的尺寸，

定义L3为第三位置区间Q3在光纤环径向方向上的尺寸，

在光纤环径向方向上，所述第二位置区间Q2位于最内侧，所述第一位置区间Q1与第二位置区间Q2相邻；

定义第一比值r1=L3/d，定义第二比值r2=L4/d；

令s1为第一位置区间Q1中光纤的绕制层数；

令s2为第二位置区间Q2中光纤的绕制层数；

若r2为m2的整数倍，则令第二位置区间Q2为第四位置区间Q4重合，且令s2=r2；

若存在整数N2，使得N2为m2的整数倍且N2＜r2＜N2+m2，则令s2=N2或令s2=N2+m2；

若(r1+r2-s2)为m1的整数倍，则令第一位置区间Q1与第三位置区间Q3重合，且令s1=(r1+r2-s2)；

若存在整数N1，使得N1为m1的整数倍且N1＜(r1+r2-s2)＜N1+m1，则令s2=N1或令s1=N1+m1。

6.根据权利要求1所述的光纤环绕制方法，其特征在于，所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3完全重合，或所述第一位置区间Q1为第三位置区间Q3的子区间，或所述第一位置区间Q1为第三位置区间Q3的子区间，或所述第一位置区间Q1与第三位置区间Q3部分重合。

7.根据权利要求1所述的光纤环绕制方法，其特征在于，通过在光纤环的仿真模型中施加温度载荷，得到光纤环径向方向上的温度梯度分布曲线，所述光纤环的仿真模型根据光纤环尺寸、光纤环中光纤的类型构建；

优选地，在所述光纤环的仿真模型中，沿光纤环径向方向从光纤环内侧向光纤环外侧施加温度载荷；

优选地，所述光纤环尺寸根据光纤陀螺精度指标确定，所述光纤环中光纤的类型根据光纤环尺寸确定；所述光纤环尺寸包括光纤环外径、光纤环内径、光纤环高度、光纤总长度、每层光纤匝数。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光纤环绕制方法，其特征在于，m1为m2的整数倍，m1、m2均为偶数；优选地，m1为8或16，m2为2或4。

9.一种光纤环，其特征在于，所述光纤环由权利要求1-8中任一项所述的光纤环绕制方法进行绕制。

10.一种光纤陀螺，其特征在于，所述光纤陀螺包括权利要求9所述的光纤环。

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