CN114777816B - 空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法及系统，包括如下流程：光源光功率小的部分进入探测器，光功率大的部分照射光纤；光纤绕制成环；探测器接收光功率小的部分的光，并将光功率信号发送给上位机，积分球测试仪接收光功率大的部分透过空芯微结构光纤的光，并将光功率信号发送给上位机；上位机将光功率信号进行处理，并与预设范围进行比较，若超过预设范围，则向绕环设备发出预警并控制张力调整机构动作，调节空芯微结构光纤的绕制张力。本发明提供的方法及系统实时监测光纤表面微观缺陷程度，并发出预警信号调整光纤绕制张紧力,防止缺陷进一步恶化。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法及系统。
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，已广泛应用于陆、海、空、天等各类惯性自主导航系统。光纤陀螺具有理论极限精度潜力高的优势，有望在长航时高精度惯性导航领域成为主流惯性元件。
由于传统陀螺光纤对温度、磁场等环境变化较为敏感，大纤长的高精度光纤陀螺必须采用多种系统及被动防护措施，例如温度控制、多重磁屏蔽和密闭封装等，以提升陀螺环境适应性，劣化了高精度光纤陀螺的应用优势。空芯微结构光纤以独特包层微结构形成全新导光机制，例如光子带隙型和反谐振型等，基于空气纤芯导光，使得环境对光波的热、磁等影响大幅降低，能实现理想的高稳定光传输，可作为根本性提升光纤陀螺环境适应性的主动技术手段。
空芯微结构光纤是在单一介质材料（纯二氧化硅）上将端面周期结构排列的空气孔沿轴向贯穿整根光纤。空芯微结构光纤拉制完成后，表面通常存在微观缺陷，以微裂纹形式体现，隐匿在光纤涂覆层之下不易观测。空芯微结构光纤应用于光纤陀螺须经历绕制成环过程，绕制中引入不当的张紧力会使原有极为微观的裂纹持续生长，存在最终导致微结构光纤彻底断裂的风险，现有技术虽然已有各种预警装置，但是其预警的准确性不高，容易造成误预警或误动作。
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断点预警与抑制的方法及系统，基于积分球测试仪功率测量的空芯光纤微观缺陷预警和抑制方法，绕环过程中，实时监测隐匿在光纤涂覆层之下的空芯光纤表面微观缺陷程度，并准确发出预警信号以合理调整后续光纤绕制张紧力,防止缺陷进一步恶化，有助于提升空芯微结构光纤环圈绕制可靠性。
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断点预警与抑制的方法，空芯微结构光纤缠绕在放纤轮上并穿过积分球测试仪，然后通过张力调整机构后绕制在绕环设备上，具体包括如下步骤：
S1：通过耦合器或其他分光装置将光源分光成两部分，一部分光功率大，一部分光功率小，光功率小的部分进入探测器，光功率大的部分照射放纤轮上待绕制的空芯微结构光纤；
S2:空芯微结构光纤绕制成环；
S3:绕制过程中，探测器接收光功率小的部分的光，并将光功率信号发送给上位机，积分球测试仪接收光功率大的部分透过空芯微结构光纤的光，并将光功率信号发送给上位机；
S4: 上位机通过来自于探测器的光功率信号将来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理，并将处理后的积分球测试仪的光功率信号与预设范围进行比较，若超过预设范围，则向绕环设备发出预警并控制张力调整机构动作，调节绕制张力。
进一步，上位机通过来自于探测器的光功率信号将来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理时，当来自于探测器的光功率信号与来自于积分球测试仪的同步光功率信号突变比例相同，则判断该突变为由于光源自身的光功率波动所致，上位机不向绕环设备发出预警，张力调整机构不动作，当来自于积分球测试仪的同步光功率信号突变比例大于来自于探测器的光功率信号突变比例，则上位机向绕环设备发出预警并控制张力调整机构动作调节空芯微结构光纤的张力。
优化的，耦合器的分光比为2:98。
一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的系统，其包括放纤轮、绕制设备、张紧力调整机构、积分球测试仪、探测器、上位机、光源及分光装置，缠绕在放纤轮上空芯微结构光纤穿过积分球测试仪，然后通过张力调整机构后绕制在绕环设备上，所述光源与分光装置输入端通过线缆连接，分光装置输出端分别与探测器的输入端及放纤轮上的空芯微结构光纤连接，探测器及积分球测试仪的输出端分别与上位机的输入端通过线缆连接，上位机的输出端与张紧力调整机构通过线缆连接。
优化的，探测器为光电探测器。
优化的，张紧力调整机构包括两个定滑轮及位于两个定滑轮之间的动滑轮，动滑轮由动滑轮驱动装置驱动上下运动。
优化的，分光装置为耦合器。
发明的有益效果
本发明提供的一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法及系统，具有如下优点：绕环过程中，通过实时监测光纤侧面散射光功率度突变强度，表征隐匿在光纤涂覆层之下的空芯光纤表面微观缺陷程度，并对散射光突变强度进行处理后，及时准确地发出预警信号以合理调整后续光纤绕制张紧力防止缺陷加速恶化，有助于提升空芯微结构光纤环圈绕制可靠性，且监测预警更加准确，防止误预警或误操作。
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示意图；
图3是空芯微结构光纤表面缺陷监测结果示意图；
图中：1. 光源，2. 分光装置，3. 放纤轮，4. 积分球测试仪，5. 探测器，6. 上位机，7. 张紧力调整机构，8. 空芯微结构光纤，9. 绕制设备，10. 动滑轮,11. 定滑轮。
具体实施方式
一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法，具体包括如下步骤：空芯微结构光纤缠绕在放纤轮上并穿过积分球测试仪，然后通过张力调整机构后绕制在绕环设备上。
积分球测试仪是光通过采样口被积分球收集，在积分球内部经过多次反射后非常均匀地散射在积分球内部。使用积分球来测量光通量时，可使得测量结果更为可靠，积分球可降低并除去由光线的形状、发散角度及探测器上不同位置地响应度差异所造成地测量误差，将其布置于放纤轮之后，用于大动态范围高精度检测穿过的空芯光纤侧面散射光的强度，并发送至上位机，可以准确的监测出空芯微结构光纤的表面微观缺陷，对后续的绕制设备进行预警，具体可选用型号为4P3的积分球。
S1：通过耦合器或其他分光装置将光源分光成两部分，一部分光功率大，一部分光功率小，光功率小的部分进入探测器，光功率大的部分照射放纤轮上待绕制的空芯微结构光纤；
探测器具体可采用型号为APD430C的光电探测器，用于实时监测光源自身的光功率波动，并发送至上位机，避免输入光功率波动影响空芯微缺陷预警准确性；光源可以采用型号为S7FC1013S的宽带光源，主要用于提供初始输入空芯微结构光纤中的光功率，以产生光纤微观缺陷导致的光纤外侧散射光；耦合器可以采用1X2耦合器，用于分束宽带光源发出的光，一端与待绕制的空芯微结构光纤端部通过熔接连接，使绝大部分光功率在待绕制空芯光纤内传输，耦合器分光的一端与光电探测器连接，用于实时监测光源自身的光功率波动。
S2:空芯微结构光纤绕制成环；
S3: 绕制过程中，探测器接收光功率小的部分的光，并将光功率信号发送给上位机，积分球测试仪接收光功率大的部分透过空芯微结构光纤的光，并将光功率信号发送给上位机；
S4: 上位机通过来自于探测器的光功率信号将来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理，并将处理后的积分球测试仪的光功率信号与预设范围进行比较，若超过预设范围，则向绕环设备发出预警并控制张力调整机构动作，调节绕制张力。
上位机通过来自于探测器的光功率信号对来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理，可以规避光源自身功率波动对积分球测试仪检测的光功率信号的影响，消除影响后，再通过积分球测试仪的光功率信号突变程度向绕制设备发送预警和张紧力调整指令，使监测预警更加准确，防止误预警或误操作。
进一步，上位机通过来自于探测器的光功率信号将来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理时，当来自于探测器的光功率信号与来自于积分球测试仪的同步光功率信号突变比例相同，则判断该突变为由于光源自身的光功率波动所致，上位机不向绕环设备发出预警，张力调整机构不动作，当来自于积分球测试仪的同步光功率信号突变比例大于来自于探测器的光功率信号突变比例，则上位机向绕环设备发出预警并控制张力调整机构动作调节空芯微结构光纤的张力。
通过上述处理，可以将由于光源波动导致的积分球测试仪测试的透过空芯微结构光纤的光功率波动过滤掉，防止上位机在接收到由于光源波动导致的透过空芯微结构光纤的光功率波动时，发生误判，误以为是由于空芯微结构光纤的表面微观缺陷造成的光功率波动，而进行预警并控制张力调整机构动作。
优化的，耦合器的分光比为2:98，用于分束宽带光源发出的光，分光98%的一端与待绕制空芯微结构光纤一端通过熔接连接，使绝大部分光功率在待绕制空芯微结构光纤内传输，耦合器分光2%的一端与光电探测器连接，对来自于积分球测试仪的同步光功率信号突变进行处理，消除由于光源波动导致的透过空芯微结构光纤的光功率波动的影响，防止上位机发生误判。
一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的系统，其包括放纤轮3、绕制设备9、张紧力调整机构7、积分球测试仪4、探测器5、上位机6、光源1及分光装置2，缠绕在放纤轮上空芯微结构光纤8穿过积分球测试仪，然后通过张力调整机构后绕制在绕环设备上，所述光源与分光装置输入端通过线缆连接，分光装置输出端分别与探测器的输入端及放纤轮上的空芯微结构光纤连接，探测器及积分球测试仪的输出端分别与上位机的输入端通过线缆连接，上位机的输出端与张紧力调整机构通过线缆连接。
优化的，探测器为光电探测器，分光装置为耦合器。
优化的，张紧力调整机构包括两个定滑轮11及位于两个定滑轮之间的动滑轮10，所述动滑轮由动滑轮驱动装置（未示出）驱动上下运动。动滑轮驱动装置可以是气缸、直线电机或者是偏心轮机构等。缠绕在放纤轮上的空芯微结构光纤穿过积分球测试仪后，并依次绕过第一定滑轮、动滑轮及第二定滑轮后，绕制在绕制设备上。当上位机对来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理后，并将处理后积分球测试仪的光功率信号与预设范围进行比较，若超过预设范围，则控制动滑轮驱动装置动作，驱动动滑轮上下移动，从而调节空芯微结构光纤的绕制张力。结构简单，调节方便。
本发明保护的一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法及系统，光源发出的光经耦合器分光，一束入射到待绕制空芯微结构光纤中，另一束光由探测器直接接收用于消除光源自身光功率波动对监测结果的影响，具有高灵敏度光功率测量能力的积分球测试仪和绕制张紧力调整机构顺序布置在绕环设备放纤轮和环圈绕制设备之间，绕制过程中随着放纤轮不断释放光纤，光纤连续穿越积分球测试仪，积分球测试仪实时监测由空芯光纤表面微观缺陷引起的向光纤径向外发出的散射光，散射光功率与微观缺陷程度成正比，同步检测到的光源分光和光纤散射光的强度发送至上位机进行处理后，若光纤散射光的强度发生突变，上位机给张紧力调整机构发送指令，降低绕制张紧力大小，规避绕制张紧力加速空芯微结构光纤微观缺陷生长导致环圈长期失效的问题，可提升空芯微结构光纤环圈绕制可靠性。并且由于通过探测器同步监测光源分光的光功率，上位机根据探测器同步监测的光源分光的光功率对积分球测试仪监测的光纤散射光的强度进行处理，避免了由于光源本身的功率波动对透过光纤的散射光功率度的影响，使预警及抑制处理准确无误。
综上所述，本发明提出的一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法及系统，以通过空芯微结构光纤中的传输光向光纤外的散射强度表征空芯微结构光纤结构体微观缺陷程度，以散射光功率突变信号作为空芯光纤微结构缺陷的预警信号，并减小绕制设备的绕制张紧力，避免绕制过程加速恶化空芯光纤微观缺陷，可提升空芯光纤环圈长期可靠性，并且对光纤侧面散射光突变强度进行处理，使监测预警更加准确，防止误预警或误操作。
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 (3)
1.一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法，其特征在于，设有空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制系统，所述空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制系统包括放纤轮、绕制设备、张紧力调整机构、积分球测试仪、光电探测器、上位机、光源及耦合器，缠绕在放纤轮上空芯微结构光纤穿过积分球测试仪，然后通过张力调整机构后绕制在绕环设备上，所述光源与耦合器输入端通过线缆连接，耦合器输出端分别与光电探测器的输入端及放纤轮上的空芯微结构光纤连接，光电探测器及积分球测试仪的输出端分别与上位机的输入端通过线缆连接，上位机的输出端与张紧力调整机构通过线缆连接，系统预警与抑制方法包括如下步骤：
S1：光源经耦合器分光成两部分，一部分光功率大，一部分光功率小，光功率小的部分进入光电探测器，光功率大的部分照射放纤轮上待绕制的空芯微结构光纤；
S2:空芯微结构光纤绕制成环；
S3:绕制过程中，光电探测器接收光功率小的部分的光，并将光功率信号发送给上位机，积分球测试仪接收光功率大的部分透过空芯微结构光纤的光，并将光功率信号发送给上位机；
S4:上位机通过来自于光电探测器的光功率信号将来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理，并将处理后的积分球测试仪的光功率信号与预设范围进行比较，若超过预设范围，则向绕环设备发出预警并控制张力调整机构动作，调节绕制张力，具体的，上位机通过来自于光电探测器的光功率信号将来自于积分球测试仪的同步光功率信号进行处理时，当来自于光电探测器的光功率信号与来自于积分球测试仪的同步光功率信号突变比例相同，则判断该突变为由于光源自身的光功率波动所致，上位机不向绕环设备发出预警，张力调整机构不动作，当来自于积分球测试仪的同步光功率信号突变比例大于来自于光电探测器的光功率信号突变比例，则上位机向绕环设备发出预警并控制张力调整机构动作调节空芯微结构光纤的张力。
2.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法，其特征在于，耦合器的分光比为2:98。
3.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤绕制断点预警与抑制的方法，其特征在于，所述张紧力调整机构包括两个定滑轮及位于两个定滑轮之间的动滑轮，所述动滑轮由动滑轮驱动装置驱动上下运动。
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