CN114184186B - 一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法及光纤环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺，具体涉及一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法及光纤环，用于解决由于石墨烯体积占比过高导致无法提升光纤环绕环胶导热系数的问题。该基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法采用具有高导热系数的石墨烯导热膜作为导热层加入光纤环中，有效提高光纤环导热系数，降低光纤层之间的温度梯度，提高光纤环的温度性能，该方法相较于在光纤环绕环胶中掺杂石墨烯，操作更加简便，且石墨烯导热膜厚度更易控制。同时，本发明还提供一种基于石墨烯的光纤环。

Description

一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法及光纤环

技术领域

本发明涉及光纤陀螺，具体涉及一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法及光纤环。

背景技术

光纤陀螺具有抗冲击、灵敏度高、寿命长、动态范围大、启动时间短等优点，已被广泛应用于惯性导航系统中。受自身和惯导系统发热的影响，光纤陀螺从上电到温度稳定有一个温度快速升高的过程，该过程中由于光纤环的Shupe效应和应力分布变化会导致零位波动，从而使光纤陀螺出现数十分钟以上的预热时间，过长的预热时间极大影响了惯导系统乃至导弹武器系统的快速性。

温度问题是高精度光纤陀螺研制过程中的关键瓶颈技术之一，光纤环受温度的影响较大，外界温度的变化不仅会改变光纤环内部温度场分布，还会使光纤环的内部应力发生变化，导致光纤陀螺输出产生漂移，根据Mohr模型，光纤环的光纤总长度为L时，其热致相移可表示为：

其中，β₀为传播常数，T_(l,t)为l处t时的温度，L为光纤环中光纤的总长度，α为线性膨胀系数；

结合Sagnac相移的表达式

可得热瞬变过程引起的等效旋转速率误差为：

其中，D＝2R为光纤环直径，c为真空中的光速，λ₀为光源波长，Ω为旋转速度矢量。

目前，用于减小外界温度变化对光纤环影响的方式如下：(1)降低光纤直径，使正反方向的两束光经历的路径更加接近，从而降低温度梯度带来的误差；(2)提高光纤环绕环胶的导热系数，从而降低温度梯度；(3)在光纤环绕制时采用多极对称绕法，使距离中点相等距离的光纤处于紧邻的位置，从而具有接近相等的温度和应力分布。

传统光纤环绕环胶多为导热系数较低的丙烯酸或环氧组分，有研究人员提出采用石墨烯掺杂方案提高光纤环绕环胶导热系数，但该方案中石墨烯在光纤环绕环胶中的体积占比不能超过预设的临界体积占比，若石墨烯体积占比过高，会导致光纤环绕环胶不足以填充石墨烯堆积所形成的空隙，极大地降低了光纤环绕环胶的物理和化学性质，从而无法达到提升光纤环绕环胶导热系数的目的。

发明内容

本发明的目的是解决由于石墨烯体积占比过高导致无法提升光纤环绕环胶导热系数，从而提供一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法及光纤环。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤(1)：在光纤环绕环工装上缠绕一层石墨烯导热膜，作为底层导热层；

步骤(2)：采用多极对称绕法绕制光纤环，以底层导热层开始，每隔n层光纤缠绕一层石墨烯导热膜，作为中间导热层，n为大于等于1的整数；

步骤(3)：光纤环缠绕完成后，在外周缠绕一层石墨烯导热膜，作为顶层导热层。

进一步地，所述石墨烯导热膜的导热参数为≥100W/(m·k)，厚度为20～100μm，石墨烯导热膜过厚会增大光纤环体积,从而在相同光纤环体积下只能减短光纤长度,影响陀螺性能。

进一步地，步骤(2)中，所述多极对称绕法为二极对称绕法或四极对称绕法或八极对称绕法或十六极对称绕法。

进一步地，步骤(2)中，所述n的取值为1或2或4。

同时，本发明还提供一种基于石墨烯的光纤环，其特殊之处在于：包括底层石墨烯导热膜、顶层石墨烯导热膜、多层中间石墨烯导热膜以及采用多极对称绕法绕制的多层光纤；

所述底层石墨烯导热膜设置在多层光纤的底层光纤内周；

所述顶层石墨烯导热膜设置在多层光纤的顶层光纤外周；

所述多层光纤中，每隔n层光纤设置一层中间石墨烯导热膜，n为大于等于1的整数。

进一步地，所述石墨烯导热膜的导热参数为≥100W/(m·k)，厚度为20～100μm。

进一步地，所述光纤采用二极对称绕法或四极对称绕法或八极对称绕法或十六极对称绕法。

进一步地，所述n的取值为1或2或4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用具有高导热系数的石墨烯导热膜，其具有良好的柔韧性可以作为导热层加入光纤环中，有效提高光纤环导热系数，降低光纤层之间的温度梯度，提高光纤环的温度性能。

(2)本发明采用石墨烯导热膜作为导热层，相较于在光纤环绕环胶中掺杂石墨烯，操作更加简便，并且石墨烯导热膜厚度比石墨烯掺杂浓度更易控制。

附图说明

图1为本发明一个实施例光纤环截面的结构示意图；

图2为本发明实施例中石墨烯导热膜厚度与第1匝和第10匝光纤之间最大温度差进行仿真实验的结果；

图3为图2仿真实验中温度随时间变化的示意图。

附图标记说明如下：1-顺时针方向缠绕光纤层，2-逆时针方向缠绕光纤层，3-石墨烯导热膜。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。

参照图1，一种基于石墨烯的光纤环，采用基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在光纤环绕环工装上缠绕一层石墨烯导热膜3，作为底层导热层；

步骤(2)：采用四极对称绕法绕制光纤环，以底层石墨烯导热膜3开始，每隔2层光纤缠绕一层石墨烯导热膜3，作为中间导热层：

(2.1)将整根保偏光纤由中点处分为左右两部分；

(2.2)用其中一部分在石墨烯导热膜3外周缠绕一层顺时针方向缠绕光纤层1，再用另一部分在顺时针方向缠绕光纤层1外周缠绕一层逆时针方向缠绕光纤层2；

(2.3)若光纤环绕制完成，执行步骤(3)；否则在光纤层外周缠绕一层石墨烯导热膜后，执行步骤(2.4)；

(2.4)在石墨烯导热膜3外周缠绕一层逆时针方向缠绕光纤层2，再在逆时针方向缠绕光纤层2外周缠绕一层顺时针方向缠绕光纤层1；

(2.5)若光纤环绕制完成，执行步骤(3)；否则在光纤层外周缠绕一层石墨烯导热膜3后，返回步骤(2.2)；

步骤(3)：在光纤层外周缠绕一层石墨烯导热膜3，作为顶层导热层。

本实施例中，所采用的石墨烯导热膜为由常州富烯科技股份有限公司购置的H型石墨烯导热膜，导热参数为≥100W/(m·k)，厚度为20μm。

参照图2和图3，本实施例仿真了16层10匝的光纤环不采用石墨烯导热膜3和采用不同厚度石墨烯导热膜3情况下升温时第1匝和第10匝光纤之间的最大温度差，所采用的光纤环尺寸参数如表1所示，仿真结果如图2所示，温度随时间变化如图3所示，其中石墨烯导热膜3厚度为0μm即为不采用石墨烯导热膜3；由结果可以看出添加石墨烯导热膜3后，最大温度差有了明显的下降，但是随着厚度的增加，最大温度差变化越来越小，上述现象证明通过在光纤层之间添加高导热的石墨烯导热膜3可以降低变温环境下光纤环内部的温度梯度，达到提高光纤环的温度性能的目的，但是在光纤环截面面积不变的情况下，石墨烯导热膜3厚度过大，会缩短光纤长度。

表1

参数	数值
		光纤环层数	16
光纤环匝数	10
		光纤包层直径/mm	0.135
纤芯直径/mm	0.08
		光纤环直径/mm	112.8

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：在光纤环绕环工装上缠绕一层石墨烯导热膜，作为底层导热层；

步骤(2)：采用多极对称绕法绕制光纤环，以底层导热层开始，每隔n层光纤缠绕一层石墨烯导热膜，作为中间导热层，n为大于等于1的整数；

步骤(3)：光纤环缠绕完成后，在外周缠绕一层石墨烯导热膜，作为顶层导热层。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法，其特征在于：所述石墨烯导热膜的导热参数为≥100W/(m·k)，厚度为20～100μm。

3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法，其特征在于：步骤(2)中，所述多极对称绕法为二极对称绕法或四极对称绕法或八极对称绕法或十六极对称绕法。

4.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的光纤环温度性能改进方法，其特征在于：步骤(2)中，所述n的取值为1或2或4。

5.一种基于石墨烯的光纤环，其特征在于：包括底层石墨烯导热膜、顶层石墨烯导热膜、多层中间石墨烯导热膜以及采用多极对称绕法绕制的多层光纤；

所述底层石墨烯导热膜设置在多层光纤的底层光纤内周；

所述顶层石墨烯导热膜设置在多层光纤的顶层光纤外周；

所述多层光纤中，每隔n层光纤设置一层中间石墨烯导热膜，n为大于等于1的整数。

6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯的光纤环，其特征在于：所述石墨烯导热膜的导热参数为≥100W/(m·k)，厚度为20～100μm。

7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯的光纤环，其特征在于：所述多层光纤采用二极对称绕法或四极对称绕法或八极对称绕法或十六极对称绕法。

8.根据权利要求7所述的一种基于石墨烯的光纤环，其特征在于：所述n的取值为1或2或4。

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