CN114754799A - 一种空芯微结构光纤绕制退扭方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种空芯微结构光纤绕制退扭方法及系统，包括如下流程：S1:供纤盘上的光纤端部缠绕于环圈骨架上；S2:将光电探测系统绕光纤旋转一周，并将信息发送给上位机，上位机绘制出散射光强与方位角的变化曲线，将光电探测系统在散射光强最小的方位角处固定；S3:绕制成环；S4:光电探测器监测散射光强，并将信号发送给上位机；S5:上位机将光强信号与预设范围比较，若超过预设范围，控制退绕电机驱动供纤架旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小。本发明提供的方法可解决光纤绕制成环中扭转应力导致损伤失效的问题，且消除扭转应力的同时不产生二次应力损伤，达到无损绕制成环效果。

Description

一种空芯微结构光纤绕制退扭方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种空芯微结构光纤绕制退扭方法及系统。

背景技术

光纤陀螺是一种基于光学Sagnac效应的角速度传感器，以光纤作为传感介质，主要应用于惯性自主导航系统。历经四十余年不懈的技术与工程应用研究，光纤陀螺已在海、陆、空、天等领域得到广泛应用，成为21世纪主流惯性仪表。随着光纤陀螺极端环境（快温变、大磁场、高辐照等）应用场景的不断拓展，高性能、高精度和小型化成为技术发展趋势，对陀螺光纤的温度等环境响应特性提出超高稳定的要求。

传统的陀螺光纤以石英纤芯导光，受制于纤芯介质的极限热或光等性能，已难以通过改进固体材料的物性来实现该要求。空芯微结构光纤基于空气纤芯导光，使得环境对光波的热、磁和辐照等影响大幅降低，能实现理想的高稳定光传输，有望根本性地解决光纤陀螺温度等环境适应性的难题。空芯微结构光纤陀螺是下一代光纤陀螺技术的发展方向。

空芯微结构光纤是在单一介质材料（通常选用纯二氧化硅材料）上将端面周期结构排列的空气孔沿轴向贯穿整根光纤。空芯微结构光纤中的光波主要与空气接触，传输过程中不易受温度、磁场、辐照等环境因素干扰，打破了传统光纤本征的材料限制，是光纤陀螺理想的核心传感基材。空芯微结构光纤应用于光纤陀螺需精密对称绕制成环，形成光纤环圈作为陀螺中直接敏感Sagnac相移的传感元件。由于空芯光纤内部存在微结构，绕制附加应力易损伤微结构，相比传统全固态光纤绕制，空芯光纤绕制对残余应力抑制水平提出新需求。空芯微结构绕制过程中，会附加产生扭转应力、横向应力和弯曲应力作用于空芯光纤二氧化硅结构体上。二氧化硅材料由硅氧四面体构成，其强度极限是由四面体的力学键（Si-O键）的键合力决定的，理论值约为20GPa（即所能承受的最大应力）。但实际上空芯微结构光纤能够承受的应力远小于该值，其原因主要是空芯光纤表面存在微观缺陷，即微裂纹，在外力作用下，微裂纹生长，最终导致微结构发生断裂。因此，空芯微结构光纤绕制成环过程中，作用于光纤上的附加应力水平需严格控制，以控制空芯微结构光纤失效概率。

空芯微结构光纤绕制导致的横向应力主要来自绕制张紧力驱使在绕光纤挤压下一层已绕制光纤引起的横向压力。通过低张力绕制技术设置合理的张紧力阈值可有效规避横向应力对空芯微结构光纤的影响。弯曲应力由空位微结构光纤弯曲形成，合理设计弯曲曲率，将高效消除弯曲应力对空芯微结构光纤的不利作用。空芯微结构光纤拉制过程中残留在光纤涂层的扭力导致空芯光纤放出后，存在自行偏转的情况，若不进行退扭处理绕制成环后，涂层内的包层结构体将产生较大的扭转应力。传统光纤的退扭通常以扭转力作为检测物理量以表征扭转，需配备张力传感等机械装置施加于光纤之上。这种借助机械手段进行扭转检测并退扭的方法，对于待退扭光纤会引入二次应力。二次应力对高机械强度的传统全固态光纤的影响可忽略不计，但空芯微结构光纤含有微纳尺寸量级的微结构单元，且结构支撑强度相对较弱，扭转检测导致的二次应力增加了空芯微结构光纤失效风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空芯微结构光纤绕制退扭系统及方法，通过空芯微结构光纤自身扭转伴随的散射光强变化，定量表征出空芯微结构光纤扭转角度，即微结构方位角的变化，将扭转角度信息反馈至绕环机供纤单元，使供纤单元以光纤放出方向作为轴向整体旋转该角度，以抵消绕制过程中空芯光纤自身的扭转，消除了绕制成环中扭转应力对空芯光纤的性能影响。该方法基于光学检测手段实现空芯微结构光纤绕制退扭功能，消除扭转应力的同时不存在扭转检测造成的二次应力损伤，达到空芯微结构光纤无损绕制成环效果。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种空芯微结构光纤绕制退扭方法，其包括如下步骤：

S1: 将供纤盘转动的安装在供纤机架上，供纤盘上的空芯微结构光纤端部缠绕于环圈骨架上；

S2:光电探测系统从侧面照射空芯微结构光纤，另一侧接收透过空芯微结构光纤的散射光，绕制前先将光电探测系统绕空芯微结构光纤旋转一周，并将接收的光强信息及相对应的方位角信息发送给上位机，上位机根据散射光强与方位角对应的关系，绘制出散射光强与方位角的变化曲线，然后将光电探测系统在散射光强最小的方位角处固定；

S3: 供纤电机驱动供纤盘旋转放料，环圈电机驱动环圈骨架旋转将空芯微结构光纤绕制成环；

S4:光电探测器实时监测透过空芯微结构光纤的散射光的光强，并将光强信号发送给上位机；

S5:上位机接收到光强信号后会与预设范围进行比较，若超过预设范围时，上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小，退绕电机停止工作。

进一步，步骤S5中，上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘顺时针或逆时针旋转，若散射光强增加，则上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘反向旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小，退绕电机停止工作。

优化的，光电探测系统包括激光器及光电探测器，激光器从侧面照射空芯微结构光纤，光电探测器从另一侧接收透过空芯微结构光纤的散射光。

进一步，上位机接收到光强信号后，先进行归一化处理，然后再与预设范围进行比较。

一种空芯微结构光纤绕制退扭系统，其包括供纤单元、上位机、光电探测系统、转动装置及环圈骨架，所述供纤单元包括供纤机架、供纤盘、供纤电机及退绕电机，所述供纤盘转动的安装在供纤机架上并由供纤电机驱动旋转，所述退绕电机驱动供纤机架旋转，缠绕在供纤盘上的空芯微结构光纤端部缠绕于环圈骨架上，环圈骨架由环圈电机驱动旋转，所述光电探测系统安装于转动装置上且位于供纤盘与环圈骨架之间，上位机的输入端分别与光电探测系统及转动装置通过线缆连接，上位机的输出端与退绕电机连接。

优化的，光电探测系统包括激光器及光电探测器，激光器及光电探测器分别固定安装在转动装置上。

优化的，转动装置为转盘，转盘中部设有光纤通过孔，所述转盘由转盘驱动机构驱动旋转，光电探测器与上位机通过线缆连接。

进一步，转盘外缘设有齿牙，转盘驱动机构包括与转盘外缘齿牙啮合的驱动齿轮及带动驱动齿轮旋转的齿轮电机，上位机与齿轮电机之间通过线缆连接。

进一步，转盘开设有径向贯穿间隙。

发明的有益效果

本发明提供的一种空芯微结构光纤绕制退扭方法及系统，具有如下优点：本发明提出一种基于散射光强分布的空芯光纤内部微结构方位，在线绕制无损检测并实现退扭的方法，可解决空芯微结构光纤绕制成环中光纤扭转应力易导致空芯光纤损伤失效的问题，基于光学检测手段实现空芯微结构光纤绕制退扭，消除扭转应力的同时不产生扭转检测造成的二次应力损伤，达到空芯微结构光纤无损绕制成环效果。该方法适用范围广范，任何类型的空芯微结构光纤，例如空芯反谐振光纤、空芯光子带隙光纤等均可采用本方法进行退扭处理。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是空芯微结构光纤结构体及扭转示意图；

图3是空芯微结构光纤内部微结构方位角示意图；

图4是空芯微结构光纤方位角检测示意图；

图5是空芯微结构光纤微结构方位角与光强对应关系曲线图；

图中：1.供纤机架，2.供纤盘，3.退绕电机，4.供纤电机，5.空芯微结构光纤，6.激光器，7.转盘，8.光纤通过孔，9.驱动齿轮，10.环圈骨架,11. 光电探测器，12.径向贯穿间隙，13.上位机。

具体实施方式

一种空芯微结构光纤绕制退扭方法，其包括如下步骤：

S1: 将供纤盘转动的安装在供纤机架上，供纤盘上的空芯微结构光纤端部缠绕于环圈骨架上；

S2:光电探测系统从侧面照射空芯微结构光纤，另一侧接收透过空芯微结构光纤的散射光，绕制前先将光电探测系统绕空芯微结构光纤旋转一周，并将接收的光强信息及相对应的方位角信息发送给上位机，上位机根据散射光强与方位角对应的关系，绘制出散射光强与方位角的变化曲线，然后将光电探测系统在散射光强最小的方位角处固定；空芯微结构光纤的结构体材料为二氧化硅，若干个微米量级微结构单元均布于大中空圆形结构内侧，具体如附图1所示，图中示出微米量级微结构单元为六个，但不限于六个。微米量级微结构单元的作用是使光完全约束在空气纤芯中高效传输，空芯光纤结构体外需喷涂紫外胶并固化形成一定厚度的涂覆层以保护光纤结构体。由光纤涂覆层固化收缩产生的残余应力致使空芯微结构光纤自由释放后，存在自行偏转的情况。涂覆层残余应力传递至空芯微结构光纤二氧化硅结构体，如图所示，导致结构体发生扭转，进而在结构体中形成扭转应力。扭转应力作用下，空芯微结构光纤结构体存在的微观缺陷将逐渐生长放大，直至微结构发生断裂。因此，空芯微结构光纤应用于光纤陀螺绕制成环过程中，需对空芯光纤进行退扭处理。

空芯光纤内部微结构方位角

如附图2所示，选取任意一个微结构单元中心与空芯微结构光纤结构体中心的连线作为空芯光纤内部微结构方位角

的起始点，即第一个微结构单元的方位角

为0°，该连线以光纤结构体中心为基点顺时针方向扫略达到第二微结构单元中心处，该扫略角即为第二微结构单元的方位角

数值，以此类推可定义若干个微结构单元的方位角

数值。

当空芯微结构光纤以自身中心为基点发生转动时，其内部微结构分布相对激光器的入射光发生变化，进而导致另一侧探测器接收到的散射光强也会发生变化。空芯微结构光纤内部结构特征与散射光强变化呈一一对应关系，因此空芯光纤内部微结构方位角

的变化情况可由散射光强变化表征。

本申请采用在绕制前将先将光电探测系统绕空芯微结构光纤旋转一周，而空芯微结构光纤固定不动，产生的散射光强与方位角的对应关系与绕制过程中光电探测系统不动，其与光纤发生扭转其散射光强变化与方位角的变化对应关系是一致的，因此采用上述方法形成的散射光强与方位角的变化曲线，便于找到光电探测器接收到的散射光强最小的工作点，并方便判断绕制过程中光纤是否发生扭转，以便于后续上位机控制退绕电机动作，至光电探测器接收到的散射光强最小，使空芯微结构光纤退扭。

S3: 供纤电机驱动供纤盘旋转放料，环圈电机驱动环圈骨架旋转将空芯微结构光纤绕制成环；

S4:光电探测器实时监测透过空芯微结构光纤的散射光的光强，并将光强信号发送给上位机；

S5:上位机接收到光强信号后会与预设范围进行比较，若超过预设范围时，上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小，退绕电机停止工作。

进一步，步骤S5中，上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘顺时针或逆时针旋转，若散射光强增加，则上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘反向旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小，退绕电机停止工作，防止退绕电机旋转方向错误，空芯微结构光纤扭转加剧。

优化的，光电探测系统包括激光器及光电探测器，激光器从侧面照射空芯微结构光纤，激光器，型号为M1550L3：用于提供形成散射光的初始光强输入，使光透射到空芯微结构光纤一侧，光穿透空芯微结构光纤，在另一侧形成散射光；光电探测器从另一侧接收透过空芯微结构光纤的散射光。光电探测器，型号PDA10D2：用于接收散射光强，并将其转化为电信号发送给上位机；

上位机：借助散射光强信息判断空芯微结构扭转量，并向退绕电机发送指令补偿该扭转量，实现退扭功能。

进一步，上位机接收到光强信号后，先进行归一化处理，然后再与预设范围进行比较。对信号进行归一化处理，使得预处理的数据被限定在一定的范围内，从而消除奇异样本数据导致的不良影响，数据归一化处理后，可以加快梯度下降求最优解的速度，且能够提高检测精度。

一种空芯微结构光纤绕制退扭系统，其包括供纤单元、上位机13、光电探测系统、转动装置及环圈骨架，所述供纤单元包括供纤机架1、供纤盘2、供纤电机4及退绕电机3，所述供纤盘转动的安装在供纤机架上并由供纤电机驱动旋转，所述退绕电机驱动供纤机架旋转，缠绕在供纤盘上的空芯微结构光纤5端部缠绕于环圈骨架10上，环圈骨架由环圈电机（未示出）驱动旋转，所述光电探测系统安装于转动装置上且位于供纤盘与环圈骨架之间，上位机的输入端分别与光电探测系统及转动装置通过线缆连接，上位机的输出端与退绕电机连接。

光电探测系统安装于转动装置上且位于供纤盘与环圈骨架之间，转动装置可以带动光电探测系统围绕空芯微结构光纤旋转，并将信息发送给上位机，光电探测系统将光强信息发送给上位机，上位机根据散射光强与方位角的对应关系信息，绘制出散射光强与方位角的对应关系曲线。

优化的，光电探测系统包括激光器6及光电探测器11，激光器及光电探测器分别固定安装在转动装置上。

优化的，转动装置为转盘7，转盘中部设有光纤通过孔8，所述转盘由转盘驱动机构驱动旋转，光电探测器与上位机通过线缆连接。转盘中部设有光纤通过孔，可以限定空芯微结构光纤的位置，使激光器及光电探测器分别位于空芯微结构光纤的两侧，便于光电探测器对空芯微结构光纤的扭转角度进行实时检测，并将信息发送给上位机。

进一步，转盘外缘设有齿牙，转盘驱动机构包括与转盘外缘齿牙啮合的驱动齿轮9及带动驱动齿轮旋转的齿轮电机（未示出），上位机与齿轮电机之间通过线缆连接。齿轮电机动作，可以带动驱动齿轮旋转，驱动齿轮可以带动转盘旋转，这里的驱动齿轮的直径小于转盘的直径，使转盘的转速能够降低，实现匀速缓慢旋转，便于光电探测器的检测，上位机与齿轮电机之间通过线缆连接，齿轮电机可以将旋转角度信息发送给上位机。

进一步，转盘开设有径向贯穿间隙12，方便空芯微结构光纤从径向贯穿间隙穿过进入到光纤通过孔内。

本方法及系统实现退扭的过程为：转动装置带动光电探测系统围绕待绕制空芯微结构光纤旋转一周，因激光器和光电探测器固定在圆盘之上，可得空芯光纤微结构方位角与散射光强分布关系，选取光电探测系统在散射光强最小的方位角处作为工作点，使圆盘旋停至该特征点位置并固定，此时光电探测器接收到的散射光最小；开始空芯微结构光纤绕制，供纤单元释放出光纤绕制于环圈骨架之上，绕制过程中光纤的扭转将导致散射光强信号变大，若超过预设范围，上位机对退绕电机发出指令，使供纤单元以放出光纤方向为轴向偏转相应角度以补偿光纤自身扭转量，使光电探测器接收到的散射光强始终锁定在最小值处。

综上所述，本发明提出的一种空芯微结构光纤绕制退扭方法及系统，可解决空芯微结构光纤绕制成环中光纤扭转应力易导致空芯光纤损伤失效的问题，本方法基于光学检测手段实现空芯微结构光纤绕制退扭，消除扭转应力的同时不产生扭转检测造成的二次应力损伤，达到空芯微结构光纤无损绕制成环效果，且该方法及系统适用于任何类型的空芯微结构光纤，适用范围比较广泛。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空芯微结构光纤绕制退扭方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1: 将供纤盘转动的安装在供纤机架上，供纤盘上的空芯微结构光纤端部缠绕于环圈骨架上；

S2:光电探测系统从侧面照射空芯微结构光纤，另一侧接收透过空芯微结构光纤的散射光，绕制前先将光电探测系统绕空芯微结构光纤旋转一周，并将接收的光强信息及相对应的方位角信息发送给上位机，上位机根据散射光强与方位角对应的关系，绘制出散射光强与方位角的变化曲线，然后将光电探测系统在散射光强最小的方位角处固定；

S3: 供纤电机驱动供纤盘旋转放料，环圈电机驱动环圈骨架旋转将空芯微结构光纤绕制成环；

S4:光电探测器实时监测透过空芯微结构光纤的散射光的光强，并将光强信号发送给上位机；

S5:上位机接收到光强信号后会与预设范围进行比较，若超过预设范围时，上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小，退绕电机停止工作。

2.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤绕制退扭方法，其特征在于，步骤S5中，上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘顺时针或逆时针旋转，若散射光强增加，则上位机控制退绕电机驱动供纤架带动供纤盘反向旋转，至光电探测器接收到的散射光强最小，退绕电机停止工作。

3.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤绕制退扭方法，其特征在于，所述光电探测系统包括激光器及光电探测器，激光器从侧面照射空芯微结构光纤，光电探测器从另一侧接收透过空芯微结构光纤的散射光。

4.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤绕制退扭方法，其特征在于，上位机接收到光强信号后，先进行归一化处理，然后再与预设范围进行比较。

5.一种空芯微结构光纤绕制退扭系统，其特征在于：包括供纤单元、上位机、光电探测系统、转动装置及环圈骨架，所述供纤单元包括供纤机架、供纤盘、供纤电机及退绕电机，所述供纤盘转动的安装在供纤机架上并由供纤电机驱动旋转，所述退绕电机驱动供纤机架旋转，缠绕在供纤盘上的空芯微结构光纤端部缠绕于环圈骨架上，环圈骨架由环圈电机驱动旋转，所述光电探测系统安装于转动装置上且位于供纤盘与环圈骨架之间，上位机的输入端分别与光电探测系统及转动装置通过线缆连接，上位机的输出端与退绕电机连接。

6.根据权利要求5所述的一种空芯微结构光纤绕制退扭系统，其特征在于，所述光电探测系统包括激光器及光电探测器,所述激光器及光电探测器分别固定安装在转动装置上。

7.根据权利要求6所述的一种空芯微结构光纤绕制退扭系统，其特征在于，所述转动装置为转盘，转盘中部设有光纤通过孔，所述转盘由转盘驱动机构驱动旋转，光电探测器与上位机通过线缆连接。

8.根据权利要求7所述的一种空芯微结构光纤绕制退扭系统，其特征在于，所述转盘外缘设有齿牙，转盘驱动机构包括与转盘外缘齿牙啮合的驱动齿轮及带动驱动齿轮旋转的齿轮电机，上位机与齿轮电机之间通过线缆连接。

9.根据权利要求7所述的一种空芯微结构光纤绕制退扭系统，其特征在于，所述转盘开设有径向贯穿间隙。

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