CN113884084B - 具有紫外led阵列的光纤绕制骨架及光纤环圈紫外固化方法 - Google Patents

具有紫外led阵列的光纤绕制骨架及光纤环圈紫外固化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架及光纤环圈紫外固化方法，骨架包括骨架内芯、呈半圆环形的两块透光盖板、两块透光法兰盘、两块LED阵列安装端盖；在骨架内芯的外圆环面上的环形凹槽内设有安装孔，并安装紫外LED发光单元；两块透光盖板扣合嵌装于环形凹槽内；两块透光法兰盘同轴固定安装在骨架内芯的两端，形成“工”字型绕制骨架；两块LED阵列安装端盖分别与两块透光法兰盘的外侧紧固配合，在安装端盖的内端面上均布设置有紫外LED发光单元，构成紫外LED发光阵列；在安装端盖的外端面上固定有紫外LED发光单元驱动电路模块。本发明提高了光纤环圈的内外层接收紫外光强的均匀性，实现了空芯微结构光纤环圈一体完全固化。

Description

具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架及光纤环圈紫外固化方法
技术领域
本发明属光纤陀螺技术领域，涉及空芯微结构光纤环圈固化技术，具体涉及一种具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架及光纤环圈紫外固化方法。
背景技术
光纤陀螺是利用光纤传感技术测量空间惯性转动率的一种新型传感器，是惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表。目前，光纤陀螺实际应用精度受限于所用光纤的物性特点，例如光纤光传输特性易受温度、磁、弯曲和辐照等物理量场的影响，限制了光纤陀螺环境适应性进一步提升。这些固有光纤物料特性对光纤陀螺带来的不利因素，需复杂的系统手段加以规避，系统复杂性增加，同时经济性降低。空芯微结构光纤技术开启了光纤传输介质颠覆性技术变革，使光在理想介质空气中传输，展现出诸多性能优势，例如环境敏感性低、互易性噪声低等，为高精度光纤陀螺环境适应能力提升提供了新技术途径。
光纤环圈是光纤陀螺的核心敏感元件，通常采用精密对称绕制，并配以填充胶体加以固化，最终形成温度特性好、尺寸稳定性高的光纤环圈。目前，光纤环圈广泛采用紫外胶体作为环圈填充胶体，带胶环圈按预定层序依次堆叠绕制于“工”字型金属骨架之上，绕制完成后放入紫外固化装置，金属骨架将光纤环圈充分包裹，仅环圈外侧裸露，进而通过紫外光自外向内透射实现环圈逐层固化，填充胶体充分固化后，移除金属骨架，形成无骨架光纤环圈。当空芯微结构光纤绕制成环时，由于空芯微结构光纤内含多孔微结构，其空气占比较高，空气孔的存在会发散入射紫外光强，使紫外光强度随着光纤层数的增加不断衰减，最终环圈内层不满足紫外胶体固化条件使环圈固化失效，因此传统光纤环圈紫外固化方法不适用于空芯微结构光纤环圈，不得不采用热固填充材料替代紫外胶体进行空芯微结构光纤环圈制作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可提高光纤环圈的内外层接收紫外光强的均匀性，从而可实现空芯微结构光纤环圈一体完全固化的具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架及光纤环圈紫外固化方法。
本发明的目的之一通过如下技术方案来实现：
一种具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架，其特征在于：包括骨架内芯、呈半圆环形的两块透光盖板、两块透光法兰盘、两块LED阵列安装端盖；
所述骨架内芯的中心设置有轴孔，用于与绕制设备的转轴配合，在骨架内芯的外圆环面中部位置设置有环形凹槽，在环形凹槽内沿圆周方向布设有安装孔，在每个安装孔内均固定安装有一组紫外LED发光单元；
所述两块半圆环形的透光盖板扣合嵌装于环形凹槽内，且两块半圆环形的透光盖板的外环面与骨架内芯的外环面位于同一圆环面上；
所述两块透光法兰盘同轴固定安装在骨架内芯的两端，形成“工”字型绕制骨架；
所述两块LED阵列安装端盖分别设置于两块透光法兰盘的外侧，并与对应侧的透光法兰盘同轴固定连接，在两块LED阵列安装端盖的内端面上沿圆周方向均布设置有紫外LED发光单元，构成紫外LED发光阵列，紫外LED发光阵列设置位置及覆盖范围与绕制于“工”字型绕制骨架上的光纤环圈的绕制位置及绕制厚度对应；在两块LED阵列安装端盖的外端面上固定安装有紫外LED发光单元驱动电路模块。
进一步的：所述骨架内芯由铝合金材料制成，所述两块透光盖板和两块透光法兰盘均由透明有机玻璃材质亚克力材料制成。
进一步的：所述两块LED阵列安装端盖由聚丙烯塑料材质制成，在两块LED阵列安装端盖的边缘处设置有立边，LED阵列安装端盖通过立边与对应侧的透光法兰盘的外环面形成卡紧配合。
本发明的目的之二通过如下技术方案来实现：
一种光纤环圈紫外固化方法，其特征在于：采用上述的光纤绕制骨架，包括如下步骤：
步骤1、在组装好具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架后，将空芯微结构光纤绕制在“工”字型绕制骨架上；
步骤2、将空芯微结构光纤环圈骨架安置于紫外固化箱水平转轴上，使其连续旋转，紫外固化箱上方设有紫外灯，环圈由外层向内层进行紫外照射，同时对骨架内芯外环面上的紫外LED发光单元和LED阵列安装端盖上的紫外LED发光阵列供电，分别实现环圈由内层向外层、左侧向右侧和右侧向左侧进行紫外照射，直至胶体充分固化。
本发明具有的优点和积极效果为：
1、本光纤绕制骨架内置有沿径向方向由内向外照射的紫外LED发光单元，同时内置有沿轴向方向左右对照的紫外LED发光单元阵列，可实现对光纤环圈由内至外的照射及沿左右方向的对照，增加了紫外光的照射方向，提高了光纤环圈的内外层接收紫外光强的均匀性。
2、采用本具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架的固化方法，保证了待固化空芯微结构光纤环圈能够全方位充分接收紫外光照射，解决了空芯微结构光纤环圈内层固化不充分问题，实现了空芯微结构光纤环圈一体完全固化。
附图说明
图1是一种空芯微结构光纤的示意图；
图2a是多层空芯微结构光纤紫外光单一方向透射仿真模型图；
图2b是多层空芯微结构光纤紫外光单一方向逐层透射光强衰减示意图；
图3是本发明具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架的骨架内芯结构示意图；
图4是本发明透光盖板结构示意图；
图5是本发明骨架内芯装配两个透光盖板的结构示意图；
图6是本发明两块透光法兰盘装配示意图；
图7是本发明LED阵列安装端盖的内端面示意图；
图8是本发明LED阵列安装端盖的外端面示意图；
图9是本发明两个LED阵列安装端盖安装示意图；
图10是本发明具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架的爆炸图；
图11是空芯微结构光纤环圈绕制完成示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
图1是一种空芯微结构光纤的示意图，结构体材料为二氧化硅，六个微米量级中空圆形微结构单元均布于大中空圆形结构内侧，以极简包层结构使掠入射的光在微结构单元薄壁处的反射效率增强，进而将光完全约束在空气纤芯中传输。由图1可见，空芯微结构光纤内空气占比较大，空芯微机构光纤绕制多层成环后，当采用紫外光由环圈外向内照射固化内部填充紫外胶体时，多次由空气→二氧化硅→空气的跨介质透射使紫外光强度衰减严重，极易造成空芯微结构光纤环圈内层填充材料固化不充分。
图2a和图2b是现有空芯微结构光纤环圈紫外固化效果仿真示意图，经仿真计算空芯微结构光纤每层紫外光透射率约为85％，按照该透射率在20层后，紫外光强度将衰减至原有强度的约4％，不满足紫外胶体固化条件。提高紫外光照射强度会使外层过固化进而影响环圈性能，因此传统单一照射方向紫外固化方式不适用于空芯微结构光纤环圈制作。
图3是本发明具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架的骨架内芯1，骨架内芯材料选用铝合金等金属材质，如图3所示，其内孔面1.2为绕制设备转轴的安装面，外环面中部位置处设有环形凹槽1.1，凹槽内均布若干通孔，每个通孔用胶粘安装一组紫外LED发光单元2。
图4是本发明透光盖板3结构示意图，其材质为亚克力，具有较好的透光性、稳定性，且易加工。两个透光盖板组合可形成一个完整的透明圆环体。
图5是本发明骨架内芯装配两个透光盖板的结构示意图，两个透光盖通过胶粘方式装配于骨架内芯外环面上的环形凹槽内，两个透光盖板无缝填充环形凹槽区域，且两个透光盖板的外环面高度与骨架内芯外环面高度一致，保证空芯微结构光纤绕制起始面的平整性。
图6是本发明两块透光法兰盘4装配示意图，透光法兰盘同样采用透明有机玻璃材质亚克力，法兰预留机械安装通孔，采用螺栓紧固方式与金属内芯固连，两个法兰盘与骨架内芯形成“工”字型绕制骨架，空芯微结构光纤绕制于两端透光法兰盘之间的凹槽内，形成光纤环圈。
图7是本发明LED阵列安装端盖5的内端面示意图，安装端盖的结构主体材料为聚丙烯塑料材质，如图所示内端面沿圆周方向均布紫外LED发光单元6，构成紫外LED发光阵列，可产生光照均匀的紫外环状光面。沿光纤绕制骨架的径向方向，紫外LED发光阵列的内圈设置位置应该与光纤环圈的绕制起始位置在径向方向对应，同时紫外LED发光阵列的外圈设置位置应该与光纤环圈的绕制终止位置在径向方向对应。这样，可使左右两侧的紫外LED发光阵列的照射范围覆盖光纤环圈的整个厚度方向。
图8是本发明LED阵列安装端盖的外端面示意图，在外端面上配有LED发光单元驱动电路模块7，附图中的驱动电路模块为四组，但不限于四组。
图9是本发明两个LED阵列安装端盖安装示意图，两个圆环状LED阵列安装端盖通过其外缘薄壁立边弹性变形力分别与绕制骨架两个透明法兰盘的外环面卡紧固连，该方式易于安装与拆卸，方便环圈绕制固化完成后脱骨操作。
图10是本发明具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架，包括括骨架内芯、呈半圆环形的两块透光盖板、两块透光法兰盘、两块LED阵列安装端盖。
图11是空芯微结构光纤环圈绕制完成示意图，空芯微结构光纤环圈100采用对称绕法，待绕光纤从中点处分成相等的A、B两段，预先分别绕在两个供线轮上，按照预设对称绕法(例如四极绕法、八极绕法和十六极绕法等)依次按顺序将空芯微结构光纤逐层堆叠在空芯微结构光纤环圈绕制骨架之上，以四极绕法为例，绕制层序为ABBA，以该层序为周期重复绕制完成整个环圈。绕制操作完成后，将空芯微结构光纤环圈绕制骨架安置于紫外固化箱水平转轴上，使其连续旋转，紫外固化箱上方设有紫外灯，实现环圈由外层向内层紫外照射，同时对金属内芯紫外LED发光单元和圆环状紫外LED发光阵列供电，分别实现环圈由内层向外层、左侧向右侧和右侧向左侧紫外照射。相比传统单一方向照射固化方法，本固化方式保证待固化空芯微结构光纤环圈能够全方位充分接收紫外光照射，解决了空芯微结构光纤环圈内层固化不充分问题。固化操作之后，将配有紫外LED发光功能的绕制骨架结构从空芯微机构光纤环圈上拆除。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架，其特征在于：包括骨架内芯、呈半圆环形的两块透光盖板、两块透光法兰盘、两块LED阵列安装端盖；
所述骨架内芯的中心设置有轴孔，用于与绕制设备的转轴配合，在骨架内芯的外圆环面中部位置设置有环形凹槽，在环形凹槽内沿圆周方向布设有安装孔，在每个安装孔内均固定安装有一组紫外LED发光单元；
所述两块半圆环形的透光盖板扣合嵌装于环形凹槽内，且两块半圆环形的透光盖板的外环面与骨架内芯的外环面位于同一圆环面上；
所述两块透光法兰盘同轴固定安装在骨架内芯的两端，形成“工”字型绕制骨架；
所述两块LED阵列安装端盖分别设置于两块透光法兰盘的外侧，并与对应侧的透光法兰盘同轴固定连接，在两块LED阵列安装端盖的内端面上沿圆周方向均布设置有紫外LED发光单元，构成紫外LED发光阵列，紫外LED发光阵列设置位置及覆盖范围与绕制于“工”字型绕制骨架上的光纤环圈的绕制位置及绕制厚度对应；在两块LED阵列安装端盖的外端面上固定安装有紫外LED发光单元驱动电路模块。
2.根据权利要求1所述的具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架，其特征在于：所述骨架内芯由铝合金材料制成，所述两块透光盖板和两块透光法兰盘均由透明有机玻璃材质亚克力材料制成。
3.根据权利要求1所述的具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架，其特征在于：所述两块LED阵列安装端盖由聚丙烯塑料材质制成，在两块LED阵列安装端盖的边缘处设置有立边，LED阵列安装端盖通过立边与对应侧的透光法兰盘的外环面形成卡紧配合。
4.一种采用权利要求1-3任一所述的具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架的光纤环圈紫外固化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在组装好具有紫外LED阵列的光纤绕制骨架后，将空芯微结构光纤绕制在“工”字型绕制骨架上；
步骤2、将空芯微结构光纤环圈骨架安置于紫外固化箱水平转轴上，使其连续旋转，紫外固化箱上方设有紫外灯，环圈由外层向内层进行紫外照射，同时对骨架内芯外环面上的紫外LED发光单元和LED阵列安装端盖上的紫外LED发光阵列供电，分别实现环圈由内层向外层、左侧向右侧和右侧向左侧进行紫外照射，直至胶体充分固化。
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