CN114993283A - 一种可精确控制光纤环变匝区的光纤绕环方法 - Google Patents

一种可精确控制光纤环变匝区的光纤绕环方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可精确控制光纤环变匝区的光纤绕环方法，其通过绕环装置实现，该绕环装置包括绕环工装、B盘导纤轮和A盘导纤轮，且所述绕环装置具有以绕环装置径向方向设置的光纤绕环拟定标准线，所述B盘导纤轮和A盘导纤轮均可移动，且B盘导纤轮和A盘导纤轮移动方向与所述光纤绕环拟定标准线平行；光纤绕环方法包括如下步骤：将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上，且缠绕时，A盘导纤轮输出的A盘光纤和B盘导纤轮输出的B盘光纤均垂直于光纤绕环拟定标准线。本绕环方法可确保光纤环的入线角度，保证光纤输送路径的互易性，进而提高光纤陀螺的测量精度。

Description

一种可精确控制光纤环变匝区的光纤绕环方法
技术领域
本发明涉及光纤环研发和生产领域，具体为一种可精确控制光纤环变匝区的光纤绕环方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于萨格奈克效应的角速率传感器，其中，光纤环是光纤陀螺的核心敏感元件，极易受到外界温度变化的干扰，影响光纤陀螺的精度。
为了降低温度变化导致的非互易相移，需要采用对称绕法绕制光纤环，例如四极、八极和十六极对称绕法。以上绕法在很大程度上实现了光纤环光路的互易性，但忽略了绕制过程中随着绕制层数的增加，各层入纤切点位置会发生改变，导致各层变匝区存在错位和范围扩大，光纤环在三维结构空间上存在不对称性的问题，特别是高精度光纤环，一般光纤长度较长，层数较多，各层变匝区错位和范围扩大的问题尤为明显，当环境温度变化时，会带来非互易相位误差，影响陀螺精度。
同时，光纤环各层变匝区的错位以及范围扩大，会带来不同层的光纤变匝部分和直绕部分在一定程度会交叠在一起，当环境温度变化时，不同层光纤的变匝部分和直绕部分会存在挤压或者拉伸等热应力作用，影响光纤的保偏能力以及损害光路的互易性，该部分热应力导致的形变同样会带来非互易相位误差，影响陀螺精度。
现有绕环方法中存在缺陷的绕环方式详细介绍如下：
如图1所示，现有绕法中，B盘导纤轮1-11和A盘导纤轮1-12是保持固定不变的状态，绕制光纤环第一层1-1时，A盘光纤1-6和绕环工装保持相切，切点和绕环工装轴心连线为第一层光纤切点与绕环工装轴心连线1-7，随着绕制层数的增加，B盘光纤1-5和A盘光纤1-6进入光纤环的角度逐渐发生变化，此时光纤环第二层1-2、光纤环第三层1-3和光纤环第四层1-4的切点位置发生改变，与第二层光纤切点与绕环工装轴心连线1-8、第三层光纤切点与绕环工装轴心连线1-9、第四层光纤切点与绕环工装轴心连线1-10不位于同一条径向线，和第一层光纤切点与绕环工装轴心连线1-7之间存在一个逐渐扩大的夹角，说明随着层数的增加，绕环变匝区中心不位于同一条径向线，且逐渐扩大，同时光纤环变匝区和直绕区出现交叠。如使用上述方法绕线势必会对光纤陀螺的测量精度产生明显影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种可精确控制光纤环变匝区的光纤绕环方法，该可确保光纤环的入线角度，保证光纤输送路径的互易性，进而提高光纤陀螺的测量精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可精确控制光纤环变匝区的绕环方法，所述可精确控制光纤环变匝区的绕环方法通过绕环装置实现，该绕环装置包括绕环工装、B盘导纤轮和A盘导纤轮，且所述绕环装置具有以绕环装置径向方向设置的光纤绕环拟定标准线，所述B盘导纤轮和A盘导纤轮均可移动，且B盘导纤轮和A盘导纤轮移动方向与所述光纤绕环拟定标准线平行；
所述绕环方法包括如下步骤：
将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上，且缠绕时，A盘导纤轮输出的A盘光纤和B盘导纤轮输出的B盘光纤均垂直于光纤绕环拟定标准线。
作为优选的，在A盘导纤轮和B盘导纤轮上的光纤缠绕在绕环工装上之前完成准备工作，准备工作包括：
准备对应环长的光纤，并等长复绕对分到A盘导纤轮和B盘导纤轮上；
将环绕工装和A盘导纤轮和B盘导纤轮分别装在环绕机上；
将完成复绕对分的光纤的中点放置到所述绕环工装上，并使光纤紧贴绕环工装侧壁，且使得缠绕起始点为光纤的中点。
作为优选的，将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的过程中的缠绕张力为6g。
作为优选的，将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的过程中，以所述绕环工装轴向为基准，变匝区角度范围为10°。
作为优选的，将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的过程包括如下步骤：
调整所述A盘导纤轮的位置及入纤角度，使A盘光纤与所述绕环工装承绕轴相切，并在所述绕环工装侧壁上标识切点位置，该切点与绕环工装轴心的连线为光纤绕环拟定标准线，按照第一旋转方向绕制第一层光纤；
调整所述B盘导纤轮位置及入纤角度，使B盘光纤与所述第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线上，按照第二旋转方向绕制第二层光纤，且在平面内，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向绕制方向相反；
调整所述B盘导纤轮位置及入纤角度，使B盘光纤与所述第二层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线上，按照第二旋转绕制第三层光纤；
调整所述A盘导纤轮位置及入纤角度，使A盘光纤与所述第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线上，按照第一旋转方向绕制第四层光纤；
重复上述步骤直至光纤环绕制完成。
作为优选的，各层光纤的变匝区的中心的连线为绕环工装的径向线。
作为优选的，绕制光纤环的总层数为4的整数倍。
作为优选的，将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的同时，还对光纤进行上胶。
作为优选的，所述光纤环绕制完成后，光纤两端尾纤预留长度为3米。
作为优选的，所述光纤为保偏光纤。
本发明的有益效果是：
使用本绕环方法时，在每次保偏光纤缠绕绕环工装之前均调整A盘导纤轮和B盘导纤轮的位置，使每次保偏光纤缠绕绕环工装时保偏光纤始终垂直光纤绕环拟定标准线，因此通过上述方法可以避免现有技术中绕环方法绕环变匝区中心不位于同一条径向线的问题，各层变匝区能够在同一角度范围内堆叠，提高了光纤环的三维空间排纤对称性，保证了光纤陀螺光传输路径的互易性，因此生产的光纤陀螺的测量精度高于使用现有技术绕环方法生产的光纤陀螺。同时，本发明的绕环方法可减少不同层的光纤变匝部分和直绕部分的交叠，避免当环境温度变化时热应力对光纤保偏能力及光路热应力的影响。
附图说明
图1所示为现有绕环方法的图示。
图2所示为本发明所述的可精确控制光纤环变匝区的绕环方法图示。
图3所示为现有绕环方法所制成光纤陀螺的测量精度测试图。
图4所示为本发明绕环方法所制成光纤陀螺的测量精度测试图。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
如图2所示，本实施例提出一种可精确控制光纤环变匝区的绕环方法，使用绕环装置，该绕环装置包括绕环工装、B盘导纤轮2-8和A盘导纤轮2-9，绕环装置具有以绕环装置径向方向设置的光纤绕环拟定标准线2-7，B盘导纤轮2-8和A盘导纤轮2-9均可移动，且B盘导纤轮2-8和A盘导纤轮2-9移动方向与光纤绕环拟定标准线2-7平行；所述绕环方法包括如下步骤：将A盘导纤轮2-9上盘绕的A盘光纤2-6和B盘导纤轮2-8上盘绕的B盘光纤2-5缠绕在绕环工装上，且缠绕时，使A盘导纤轮2-9以及B盘导纤轮2-8对应输出的A盘光纤2-6和B盘光纤2-5垂直于光纤绕环拟定标准线2-7。
以下详细说明本绕环方法的具体实施过程。
在A盘导纤轮2-9和B盘导纤轮2-8上的保偏光纤缠绕在绕环工装上之前完成准备工作，准备工作包括：准备对应环长的保偏光纤等长复绕对分到A盘导纤轮2-9和B盘导纤轮2-8，将环绕工装和A盘导纤轮2-9和B盘导纤轮2-8分别状在环绕机上；将复绕对分好的保偏光纤的中点放置到绕环工装上并使保偏光纤紧贴绕环工装侧壁，缠绕起始点为保偏光纤的中点，完成准备工作。
本实施例中，保偏光纤为一整条光纤，在保偏光纤复绕在A盘导纤轮2-9和B盘导纤轮2-8的过程中，始终保持保偏光纤紧绷。作为优选的，保偏光纤复绕在A盘导纤轮2-9和A盘导纤轮2-9的光纤的有效长度相同，因此形成等长复绕对分，等长复绕对分的优点是在A盘导纤轮2-9和B盘导纤轮2-8将保偏光纤缠绕在绕环工装的过程中，A盘导纤轮2-9上的A盘光纤2-6和B盘导纤轮2-8上的B盘光纤2-5基本缠绕绕环工装的距离相同，并且还能保证保偏光纤初始与绕环工装的对中性。将复绕对分好的保偏光纤的中点放置到绕环工装上并使保偏光纤紧贴绕环工装外环壁，缠绕起始点为保偏光纤的中点后，完成准备工作。
接合图2所示的，调整A盘导纤轮2-9和调整B盘导纤轮2-8的位置，保偏光纤缠绕在绕环工装上的过程如下：
步骤1、调整A盘导纤轮2-9位置及入纤角度，使A盘光纤2-6与绕环工装承绕轴相切，并在绕环工装侧壁上标识切点位置，该切点与绕环工装轴心的连线为光纤绕环拟定标准线2-7，按照逆时针方向绕制光纤环第一层2-1。光纤绕环拟定标准线2-7可以视为光纤环第一层2-1光纤切点与绕环工装轴心连线所形成的直线；
步骤2、调整B盘导纤轮2-8位置及入纤角度，使B盘光纤2-5第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线2-7上，按照顺时针方向绕制光纤环第二层2-2；
步骤3、调整B盘导纤轮2-8位置及入纤角度，使B盘光纤2-5第二层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线2-7上，按照顺时针绕制光纤环第三层2-3；
步骤4、调整A盘导纤轮2-9位置及入纤角度，使A盘光纤2-6第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线2-7上，按照逆时针方向绕制绕制光纤环第四层2-4；
上述的步骤1-步骤4提出的保偏光纤缠绕的过程为一个单元四层缠绕保偏光纤的过程，在一个单元四层保偏光纤缠绕完成后，重复上述步骤1-步骤4，多个单元保偏光纤缠绕完成后，直至光纤环绕制完成。
具体的，请看图2中A盘导纤轮调节方向2-11和B盘导纤轮调节方向2-10，A盘导纤轮调节方向2-11为A盘导纤轮2-9的移动调节方向，B盘导纤轮调节方向2-10为B盘导纤轮2-8的移动调节方向。可以看到，如以光纤环的厚度为单位距离，A盘导纤轮2-9具有两个保持位置，两个保持位置之间的距离为2个光纤环的厚度。B盘导纤轮2-8也具有两个保持位置，两个保持位置之间的距离为1个光纤环的厚度。
因此在上述步骤1-步骤4的过程中，光纤环第一层2-1完成后，A盘导纤轮2-9保持位置不动，B盘导纤轮2-8调整位置后完成光纤环第二层2-2，B盘导纤轮2-8移动1个光纤环的厚度后完成光纤环第三层2-3，此时B盘导纤轮2-8保持位置不动，A盘导纤轮2-9移动2个光纤环的厚度后完成光纤环第四层2-4。
在一个实施例中，将A盘导纤轮2-9上盘绕的A盘光纤2-6和B盘导纤轮2-8上盘绕的B盘光纤2-5缠绕在绕环工装上的过程中的缠绕张力为6g。在其他实施例中，保偏光纤缠绕在绕环工装的过程中缠绕张力还可以根据保偏光纤的直径、A盘导纤轮2-9与绕环工装之间的间距、B盘导纤轮2-8与绕环工装之间的间距的不同做出调整，例如缠绕张力为5g、5.5g、6.5g、7g、7.5g等。
在一个实施例中，A盘导纤轮2-9上盘绕的A盘光纤2-6和B盘导纤轮2-8上盘绕的B盘光纤2-5缠绕在绕环工装上的过程中，以绕环工装轴向为基准，保偏光纤缠绕过程中变匝区角度范围为10°。在其他实施例中，光纤缠绕过程中变匝区角度范围也可以根据光纤的直径以及绕环工装的直径进行调整,光纤缠绕过程中变匝区角度范围为11°、12°等。
作为优选的，各层光纤的变匝区的中心的连线为绕环工装的径向线。
本实施例中，由于每一个单元缠绕形成四个光纤环，因此，绕环方法绕制光纤环的总层数优选为4的整数倍。
本实施例中，A盘导纤轮2-9上盘绕的A盘光纤2-6和B盘导纤轮2-8上盘绕的B盘光纤2-5缠绕在绕环工装上的过程中，还对光纤进行上胶，绕制完成后固化胶使光纤定位。在其他实施例中，上胶可以为其他方式，例如以A盘光纤2-6为例，A盘导纤轮2-9和绕环工装之间设置浸胶或点胶设备，在A盘光纤2-6缠绕在绕环工装之前完成浸胶或点胶，因此在光纤缠绕绕环工装之后自带胶。B盘光纤2-5与A盘光纤2-6一致，不再赘述。
在其他实施例中，可以使用每一个单元缠绕形成四个光纤环后，对绕环工装上的四个光纤环涂胶，或者当所有光纤环缠绕完成后，制成预定的光纤环后再完成涂胶。光纤缠绕完毕后，光纤两端尾纤预留长度为3米，固化光纤环，光纤可完整的、稳定的固定在绕环工装上，不会松脱。
本实施例中的光纤为保偏光纤。
实施例2
本实施例与实施例1中的可精确控制光纤环变匝区的绕环方法基本原理以及步骤一致，区别在于各层光纤环的缠绕顺序不同。
A盘导纤轮2-9上盘绕的A盘光纤2-6和B盘导纤轮2-8上盘绕的B盘光纤2-5缠绕在绕环工装上的过程中包括如下步骤：
调整A盘导纤轮2-9和调整B盘导纤轮2-8的位置，保偏光纤缠绕在绕环工装上的过程如下：
步骤1、调整A盘导纤轮2-9位置及入纤角度，使A盘光纤2-6与绕环工装承绕轴相切，并在绕环工装侧壁上标识切点位置，该切点与绕环工装轴心的连线为光纤绕环拟定标准线2-7，按照逆时针方向绕制光纤环第一层2-1；
步骤2、调整B盘导纤轮2-8位置及入纤角度，使B盘光纤2-5第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线2-7上，按照顺时针方向绕制光纤环第二层2-2；
步骤3、调整A盘导纤轮2-9位置及入纤角度，使A盘光纤2-6第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线2-7上，按照逆时针方向绕制绕制光纤环第三层2-3；
步骤4、调整B盘导纤轮2-8位置及入纤角度，使B盘光纤2-5第二层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线2-7上，按照顺时针绕制光纤环第四层2-4。
上述过程中，A盘导纤轮2-9和B盘导纤轮2-8交替进行光纤的缠绕，也可作为一种可选择的绕环方法。
结合实施例1和实施例2所示，总体来说，与现有光纤环正交对称绕法相比，可进一步准确定位光纤环变匝区的位置，防止变匝区随着绕环层数的增加而错位变宽，将各层变匝区限定在某一小范围内，提高了光纤环的空间三维排纤对称性，保证了光纤陀螺光传输路径的互易性。同时当环境温度变化时，减小了光纤变匝部分对直绕部分的应力干扰，提升了光纤环的环境适应性。
采用常规的绕环方法后，长度为450米的光纤环在陀螺系统中测试数据曲线（100s平滑）如图3所示，其温度范围-40℃~+70℃，变温速率1℃/min，零偏峰峰值为1.179°/h左右，零偏稳定性为0.242°/h。
通过本发明中的绕环方法进行改进后，长度为450米的光纤环在陀螺系统中测试数据曲线（100s平滑）如图4所示，其温度范围-40℃~+70℃，变温速率1℃/min，零偏峰峰值为0.334°/h，零偏稳定性为0.054°/h，由此可以发现，采用本发明的方法绕制的光纤环零偏峰峰值和稳定性得到明显改善。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种可精确控制光纤环变匝区的光纤绕环方法，其特征在于：所述可精确控制光纤环变匝区的绕环方法通过绕环装置实现，该绕环装置包括绕环工装、B盘导纤轮和A盘导纤轮，且所述绕环装置具有以绕环装置径向方向设置的光纤绕环拟定标准线，所述B盘导纤轮和A盘导纤轮均可移动，且B盘导纤轮和A盘导纤轮移动方向与所述光纤绕环拟定标准线平行；
所述绕环方法包括如下步骤：
将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上，且缠绕时，A盘导纤轮输出的A盘光纤和B盘导纤轮输出的B盘光纤均垂直于光纤绕环拟定标准线。
2.根据权利要求1所述的光纤绕环方法，其特征在于：在A盘导纤轮和B盘导纤轮上的光纤缠绕在绕环工装上之前完成准备工作，准备工作包括：
准备对应环长的光纤，并等长复绕对分到A盘导纤轮和B盘导纤轮上；
将环绕工装和A盘导纤轮和B盘导纤轮分别装在环绕机上；
将完成复绕对分的光纤的中点放置到所述绕环工装上，并使光纤紧贴绕环工装侧壁，且使得缠绕起始点为光纤的中点。
3.根据权利要求1所述的光纤绕环方法，其特征在于：将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的过程中的缠绕张力为6g。
4.根据权利要求1所述的光纤绕环方法，其特征在于：将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的过程中，以所述绕环工装轴向为基准，变匝区角度范围为10°。
5.根据权利要求1所述的光纤绕环方法，其特征在于：将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的过程包括如下步骤：
调整所述A盘导纤轮的位置及入纤角度，使A盘光纤与所述绕环工装承绕轴相切，并在所述绕环工装侧壁上标识切点位置，该切点与绕环工装轴心的连线为光纤绕环拟定标准线，按照第一旋转方向绕制第一层光纤；
调整所述B盘导纤轮位置及入纤角度，使B盘光纤与所述第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线上，按照第二旋转方向绕制第二层光纤，且在平面内，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向绕制方向相反；
调整所述B盘导纤轮位置及入纤角度，使B盘光纤与所述第二层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线上，按照第二旋转绕制第三层光纤；
调整所述A盘导纤轮位置及入纤角度，使A盘光纤与所述第一层光纤相切，该切点位于光纤绕环拟定标准线上，按照第一旋转方向绕制第四层光纤；
重复上述步骤直至光纤环绕制完成。
6.根据权利要求5所述的光纤绕环方法，其特征在于：各层光纤的变匝区的中心的连线为绕环工装的径向线。
7.根据权利要求5所述的光纤绕环方法，其特征在于：绕制光纤环的总层数为4的整数倍。
8.根据权利要求5所述的光纤绕环方法，其特征在于：将A盘导纤轮上盘绕的A盘光纤和B盘导纤轮上盘绕的B盘光纤缠绕在绕环工装上的同时，还对光纤进行上胶。
9.根据权利要求5所述的光纤绕环方法，其特征在于：所述光纤环绕制完成后，光纤两端尾纤预留长度为3米。
10.根据权利要求1所述的光纤绕环方法，其特征在于：所述光纤为保偏光纤。
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