CN115060583B - 一种空芯微结构光纤强度评估方法及系统 - Google Patents

一种空芯微结构光纤强度评估方法及系统 Download PDF

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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强度评估方法及系统，包括如下流程：将光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上；光经前端耦合器和起偏器到达后端耦合器，后端耦合器将光分成两束在光纤环圈中相向传播；对两束光进行相位调制；经相位调制后两束光返回后端耦合器干涉，再经起偏器到达前端耦合器，通过前端耦合器分成两束，其中一束经光电探测器转换成电流信号传输给调制解调电路板；调制解调电路板实现相位差检测并将检测信号传输给上位机；上位机将信号与预设范围比较，若在预设范围，则评估光纤适宜应用于光纤陀螺的环圈。本发明提供的方法及系统可以准确评估光纤是否适宜应用于陀螺的环圈。

Description

一种空芯微结构光纤强度评估方法及系统
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强度评估方法及系统。
背景技术
空芯微结构光纤由单一介质材料构成，通常选用纯二氧化硅材料，光纤端面具有周期结构排列的空气孔，并沿轴向贯穿整根光纤。空芯微结构光纤通过包层微结构形成全新导光机制，光波被束缚在空气纤芯中传播，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，是下一代光纤陀螺理想的核心传感基础材料。
空芯微结构光纤应用于光纤陀螺需精密对称绕制成环，形成空芯微结构光纤环圈作为陀螺中直接敏感Sagnac相移的传感元件。光纤成环过程通常包括绕制、施胶和固化环节。相比传统全固态光纤，成环过程中在光纤上产生的扭转应力、横向应力、弯曲应力、胶体收缩力等附加力场更易损伤空芯微结构光纤，对其内部微结构造成破坏，进而影响导光特性。此外，光纤陀螺中光纤绕制成环，长期弯曲使用条件下，会加速空芯微结构光纤表面及内部微裂纹的生长，弯曲应力长期施加存在最终导致微结构发生断裂的风险。因此，在空芯微结构光纤应用于光纤陀螺之前，对其机械强度进行评估与筛选非常必要。
传统光纤强度评估与筛选方法是通过使光纤每一段均经受一个预定的瞬时张应力或应变，例如恒应力、恒纵向伸长或恒弯曲应变等，并以光纤是否发生断裂作为判据，来评判光纤是否满足机械强度要求。空芯微结构光纤选取合适的包层和涂覆层厚度以获得相对高的机械强度，可满足传统光纤强度评估与筛选要求。但传统光纤强度评估与筛选方法中单一的张应力或应变施加不足以模拟光纤成环过程中的复杂应力环境，另外瞬时的张应力或应变施加也不足以表征陀螺应用光纤张紧、弯曲等条件下应力长期演变进程。因此，传统光纤强度评估与筛选方法不适用于陀螺用空芯微结构光纤的强度评估与筛选。
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强度评估系统及方法，将空芯微结构光纤绕制于可伸缩环圈骨架之上形成光纤环圈，可模拟出成环应力施加过程，该光纤环圈接入强度评估装置，构成光纤陀螺可监测光纤在陀螺中的应用状态，可伸缩环圈骨架带动空芯微结构光纤周期性拉伸，一方面对空芯微结构光纤起到应力激励施加效果以实现光纤强度评估与筛选，另一方面在空芯微结构光纤内形成相位调制功能以实现陀螺偏置调制，通过陀螺信号长期输出变化情况可表征空芯微结构光纤力学特性优劣。
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强度评估方法，其包括如下步骤：
S1:将空芯微结构光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上形成可拉伸空芯微结构光纤环圈；
S2:光源发出的光经前端耦合器和起偏器后到达后端耦合器，后端耦合器将光分成两束在可拉伸空芯微结构光纤环圈中沿顺、逆时针方向相向传播；
S3:通过可伸缩环圈骨架的周期性伸缩变化对经过空芯微结构光纤环圈的两束光进行相位调制；
S4: 经相位调制后的两束光返回后端耦合器进行干涉，干涉光再经起偏器到达前端耦合器，通过前端耦合器分成两束，其中一束光到达光电探测器并经光电探测器转换成电流信号传输给调制解调电路板；
S5: 调制解调电路板将电流信号进行低噪声放大、电压转换、滤波、开环相敏检测后，实现相位差的检测，并形成开环光纤陀螺输出角速度信号传输给上位机；
S6: 上位机接收角速度信号后与预设范围进行比较，若在预设范围之内，则评估空芯微结构光纤适宜应用于光纤陀螺的环圈上，若超过预设范围，则评估空芯微结构光纤不适宜应用于光纤陀螺的环圈上。
进一步，S1中可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构，可伸缩环圈骨架中心设有两个剪刀撑及与调制解调电路板连接的压电堆栈，两个剪刀撑靠近支点的一端分别与压电堆栈接触，远离支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触，压电堆栈由调制解调电路板施加正弦波电压调制信号，使可伸缩环圈骨架周期性伸缩，可拉伸空芯微结构光纤环圈被相位调制。
优选的，正弦波电压调制信号幅值与空芯微结构光纤环圈π/2的相位偏置对应，正弦波电压调制信号频率与环圈本征频率对应。
优选的，S4中通过前端耦合器分成的两束光，一束光到达光电探测器，另一束光返回光源后被隔离掉，且返回光源的光与到达光电探测器的光各占50%。
一种空芯微结构光纤强度评估系统，其包括光源、前端耦合器、起偏器、后端耦合器、可伸缩环圈骨架、光电探测器、调制解调电路板及上位机，所述前端耦合器前端分别与光源及光电探测器耦合，前端耦合器后端与起偏器前端耦合，后端耦合器前端与起偏器后端耦合，后端耦合器后端与绕制在可伸缩环圈骨架上的空心微结构光纤两个尾纤耦合，所述调制解调电路板输入端与光电探测器的输出端连接，调制解调电路板输出端与上位机的输入端连接。
进一步，可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构，可伸缩环圈骨架中心设有两个带有铰接支点的剪刀撑及与调制解调电路板连接的压电堆栈，两个剪刀撑靠近铰接支点的一端分别与压电堆栈接触，远离铰接支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触，所述压电堆栈与调制解调电路板的控制端连接。
进一步，调制解调电路板设有前置放大器、带通滤波器、相敏检测器、低通滤波器及信号发生器。
发明的有益效果
本发明提供的一种空芯微结构光纤强度评估方法及系统，具有如下优点：
1.将空芯微结构光纤缠绕在可伸缩环圈骨架之上形成光纤环圈，可伸缩环圈骨架周期性伸缩可以很好的模拟出成环应力施加过程，使评估结果更加准确；
2.可伸缩环圈骨架驱动空芯微结构光纤周期性拉伸，一方面对空芯微结构光纤起到应力激励施加效果，另一方面在空芯微结构光纤内形成相位调制功能以实现陀螺偏置调制，陀螺信号长期输出变化情况可表征空芯微结构光纤力学特性优劣，便于对陀螺用空芯微结构光纤的强度进行评估与筛选。
附图说明
图1是本发明系统组成示意图；
图2是可伸缩环圈骨架俯视结构示意图；
图3是可拉伸空芯微结构光纤环圈示意图；
图4是空芯光纤微结构光纤陀螺输出角速度信号示意图；
图5是空芯微结构光纤结构示意图；
图中：1. 光源，2. 前端耦合器，3. 起偏器，4. 后端耦合器，5. 可伸缩空心微结构光纤环圈，6. 光电探测器，7. 上位机，8. 前置放大器，9. 带通滤波器，10. 相敏检测器,11. 低通滤波器，12. 信号发生器，13. 调制解调电路板，14. 可伸缩环圈骨架,15. 剪刀撑，16. 压电堆栈，17. 开口，18. 铰接支点，19. 空芯微结构光纤。
具体实施方式
一种空芯微结构光纤强度评估方法，其包括如下步骤：
S1:将空芯微结构光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上形成可拉伸空芯微结构光纤环圈；按照光纤陀螺环圈通常采用的对称绕法，将空芯微结构光纤绕制于可伸缩环圈骨架之上，绕制过程中施加填充胶体，绕制完成后固化形成可拉伸空芯微结构光纤环圈，可伸缩环圈骨架周期性伸缩，可以很好的模拟空芯微结构光纤绕制成环圈后在光纤上产生的扭转应力、横向应力、弯曲应力、胶体收缩力等附加力场，使评估结果更加准确。
S2:光源发出的光经前端耦合器和起偏器后到达后端耦合器，后端耦合器将光分成两束在可拉伸空芯微结构光纤环圈中沿顺、逆时针方向相向传播。
S3:通过可伸缩环圈骨架的周期性伸缩变化对经过空芯微结构光纤环圈的两束光进行相位调制；可伸缩环圈骨架的周期性伸缩变化一方面对空芯微结构光纤起到应力激励施加效果以实现光纤强度评估与筛选，另一方面在空芯微结构光纤内形成相位调制功能以实现陀螺偏置调制，陀螺信号长期输出变化情况可表征空芯微结构光纤力学特性优劣。
S4: 经相位调制后的两束光返回后端耦合器进行干涉，干涉光再经起偏器到达前端耦合器，通过前端耦合器分成两束，其中一束光到达光电探测器并经光电探测器转换成电流信号传输给调制解调电路板。
S5: 调制解调电路板将电流信号进行低噪声放大、电压转换、滤波、开环相敏检测后，实现相位差的检测，并形成开环光纤陀螺输出角速度信号传输给上位机；空芯光纤微结构光纤陀螺输出角速度信号示意图如附图4所示。通过陀螺信号长期输出变化情况可表征空芯微结构光纤力学特性的优劣。
S6: 上位机接收角速度信号后与预设范围进行比较，若在预设范围之内，则评估空芯微结构光纤适宜应用于光纤陀螺的环圈上，若超过预设范围，则评估空芯微结构光纤不适宜应用于光纤陀螺的环圈上。
由于空芯微结构光纤由单一材料拉制而成，通常为二氧化硅，具体结构如附图5所示，其端面中若干个微米量级微结构单元均布于大中空圆形结构内侧，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，空芯微结构光纤外侧需喷涂紫外胶并固化形成一定厚度的涂覆层以增强空芯微结构光纤力学强度。微结构的存在导致空芯光纤内部不是整体，在应力作用下，空芯微结构光纤内部更易产生微观缺陷，并逐渐生长放大，直至微结构发生断裂，相比传统光纤，空芯微结构光纤的应力响应具有长期演变特点。
传统光纤强度评估与筛选方法是通过使光纤每一段均经受一个预定的瞬时张应力，并以光纤是否发生断裂作为判据，来评判光纤是否满足机械强度要求。这种瞬时、单一张应力的施加，一方面无法体现预定的张应力导致空芯微结构光纤内部微观缺陷的产生与生长过程，另一方面，无法体现陀螺应用光纤成环过程中的复杂应力环境，例如长期弯曲应力、横向压力等。因此，空芯微结构光纤应用于光纤陀螺之前，需采用相适应的空芯光纤强度评估方法加以筛选。
本发明通过将空芯微结构光纤绕制于可伸缩环圈骨架之上形成光纤环圈，可模拟出空芯微结构光纤成环应力施加过程，该光纤环圈接入强度评估系统后，可伸缩环圈骨架周期性伸缩可以带动空芯微结构光纤周期性拉伸，一方面对空芯微结构光纤起到应力激励施加效果，以实现光纤强度评估与筛选，另一方面在空芯微结构光纤内形成相位调制功能以实现陀螺偏置调制，陀螺信号长期输出变化情况可表征空芯微结构光纤力学特性优劣。该方法能够体现出空芯微结构光纤成环应力施加的复杂性和陀螺应用光纤长期张紧、弯曲等条件下应力长期演变性，有助于陀螺用空芯微结构光纤强度的评估与筛选。
进一步，S1中可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构，具体结构如附图2，3所示，可伸缩环圈骨架中心设有两个剪刀撑及与调制解调电路板连接的压电堆栈，两个剪刀撑靠近支点的一端分别与压电堆栈接触，远离支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触，压电堆栈由调制解调电路板施加正弦波电压调制信号，使可伸缩环圈骨架周期性伸缩，可拉伸空芯微结构光纤环圈被相位调制。
当调制解调电路板向压电堆栈施加正弦波电压调制信号时，压电堆栈就会周期性膨胀，两个剪刀撑的设置，可以使压电堆栈的膨胀量进行放大施加到可伸缩环圈骨架上，由于可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构，可伸缩环圈骨架在剪刀撑的作用下就会周期性开合，从而使缠绕在可伸缩环圈骨架上的空芯微结构光纤受到周期性拉伸。该拉伸过程起到相位调制功能可供光纤陀螺实施偏置调制，此外也是一种对弯曲状态下空芯微结构光纤的应力主动施加过程。该方法可充分考评空芯微结构光纤应用于光纤陀螺中所经历的制造与使用过程中受到的应力场状态与演变过程，有助于陀螺用空芯微结构光纤强度的评估与筛选。
优选的，正弦波电压调制信号幅值与空芯微结构光纤环圈π/2的相位偏置对应，可以实现测量的最大灵敏度。正弦波电压调制信号频率与环圈本征频率对应，可以实现陀螺信号的高稳定输出。
优选的，S4中通过前端耦合器分成的两束光，一束光到达光电探测器，另一束光返回光源后被隔离掉，且返回光源的光与到达光电探测器的光各占50%。可以使光源的利用达到最优化的效果。
一种空芯微结构光纤强度评估系统，具体组成示意图如附图1所示，其包括光源1、前端耦合器2、起偏器3、后端耦合器4、可伸缩环圈骨架14、光电探测器6、调制解调电路板13及上位机7，所述前端耦合器前端分别与光源及光电探测器耦合，前端耦合器后端与起偏器前端耦合，后端耦合器前端与起偏器后端耦合，在前端耦合器与起偏器之间设置一个起偏器，能够抑制系统中偏振相关噪声。后端耦合器能够将输入光分成两束，并且能够将返回的两束光进行干涉。
后端耦合器后端与缠绕在可伸缩环圈骨架上的空心微结构光纤19两个尾纤耦合，所述调制解调电路板输入端与光电探测器的输出端连接，调制解调电路板输出端与上位机的输入端连接。空心微结构光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上，可以形成可伸缩空心微结构光纤环圈5。
本发明所述评估系统，按照上述空芯微结构光纤强度评估方法所述S1-S6步骤对空芯微结构光纤强度进行评估，可模拟出空芯微结构光纤成环应力施加过程，光纤环圈接入强度评估系统后，可伸缩环圈骨架周期性伸缩可以带动空芯微结构光纤周期性拉伸，一方面对空芯微结构光纤起到应力激励施加效果，以实现光纤强度评估与筛选，另一方面在空芯微结构光纤内形成相位调制功能以实现陀螺偏置调制。本系统充分考评空芯微结构光纤应用于光纤陀螺中所经历的制造与使用过程中受到的应力场状态与演变过程，有助于使陀螺用空芯微结构光纤强度评估与筛选结果更加准确。
进一步，可伸缩环圈骨架14为椭圆形开环结构，具体可在伸缩环圈骨架的两端设有开口17，具体结构如附图2，3所示，可伸缩环圈骨架中心设有两个带有铰接支点18的剪刀撑15及与调制解调电路板连接的压电堆栈16，两个剪刀撑靠近铰接支点的一端分别与压电堆栈接触，远离铰接支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触，所述压电堆栈与调制解调电路板的控制端连接。
由于压电堆栈与调制解调电路板的控制端连接，当调制解调电路板向压电堆栈施加正弦波电压调制信号时，压电堆栈就会周期性膨胀，两个剪刀撑的设置，可以使压电堆栈的膨胀量进行放大施加到可伸缩环圈骨架上，由于可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构，可伸缩环圈骨架在剪刀撑的作用下就会周期性开合，从而使缠绕在可伸缩环圈骨架上的空芯微结构光纤受到周期性拉伸。该拉伸过程起到相位调制功能可供光纤陀螺实施偏置调制，此外也是一种对弯曲状态下空芯微结构光纤的应力主动施加过程。该方法可充分考评空芯微结构光纤应用于光纤陀螺中所经历的制造与使用过程中受到的应力场状态与演变过程，有助于陀螺用空芯微结构光纤强度的评估与筛选。
进一步，调制解调电路板设有前置放大器8、带通滤波器9、相敏检测器10、低通滤波器11及信号发生器12，光电探测器发送的信号依次经过前置放大器、带通滤波器、相敏检测器、低通滤波器进行低噪声放大、电压转换、滤波、开环相敏检测，最后形成陀螺输出信号传输给上位机。上位机可以根据接收到的角速度信号变化与预设范围进行比较，若测试期间接收到的角速度信号均在预设范围之内，则评估空芯微结构光纤能够应用于光纤环圈，若超过预设范围，则评估空芯微结构光纤不适宜应用于光纤环圈。
而调制解调电路板中的信号发生器用于产生驱动压电堆栈的交流偏置信号和相敏检测所需的参考信号。
综上所述，本发明提出的一种空芯微结构光纤强度评估方法及系统，将空芯微结构光纤绕制于可伸缩环圈骨架之上形成光纤环圈，可伸缩环圈骨架带动空芯微结构光纤周期性拉伸，一方面对空芯微结构光纤起到应力激励施加效果，可以很好的模拟出空芯微结构光纤成环应力施加过程，另一方面在空芯微结构光纤内形成相位调制功能以实现陀螺偏置调制，通过陀螺信号长期输出变化情况来表征空芯微结构光纤力学特性优劣，从而可以准确评估该空芯微结构光纤是否适宜应用于光纤陀螺的环圈上。
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 (5)

1.一种空芯微结构光纤强度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:将空芯微结构光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上形成可拉伸空芯微结构光纤环圈；
S2:光源发出的光经前端耦合器和起偏器后到达后端耦合器，后端耦合器将光分成两束在可拉伸空芯微结构光纤环圈中沿顺、逆时针方向相向传播；
S3:通过可伸缩环圈骨架的周期性伸缩变化对经过空芯微结构光纤环圈的两束光进行相位调制；
S4: 经相位调制后的两束光返回后端耦合器进行干涉，干涉光再经起偏器到达前端耦合器，通过前端耦合器分成两束，其中一束光到达光电探测器并经光电探测器转换成电流信号传输给调制解调电路板；
S5: 调制解调电路板将电流信号进行低噪声放大、电压转换、滤波、开环相敏检测后，实现相位差的检测，并形成开环光纤陀螺输出角速度信号传输给上位机；
S6:上位机接收角速度信号后与预设范围进行比较，若在预设范围之内，则评估空芯微结构光纤适宜应用于光纤陀螺的环圈上，若超过预设范围，则评估空芯微结构光纤不适宜应用于光纤陀螺的环圈上；S1中所述可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构，可伸缩环圈骨架中心设有两个剪刀撑及与调制解调电路板连接的压电堆栈，两个剪刀撑靠近支点的一端分别与压电堆栈接触，远离支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触，压电堆栈由调制解调电路板施加正弦波电压调制信号，使可伸缩环圈骨架周期性伸缩，可拉伸空芯微结构光纤环圈被相位调制。
2.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤强度评估方法，其特征在于，所述正弦波电压调制信号幅值与空芯微结构光纤环圈π/2的相位偏置对应，正弦波电压调制信号频率与环圈本征频率对应。
3.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤强度评估方法，其特征在于，S4中通过前端耦合器分成的两束光，一束光到达光电探测器，另一束光返回光源后被隔离掉，且返回光源的光与到达光电探测器的光各占50%。
4.一种空芯微结构光纤强度评估系统，其特征在于：包括光源、前端耦合器、起偏器、后端耦合器、可伸缩环圈骨架、光电探测器、调制解调电路板及上位机，所述前端耦合器前端分别与光源及光电探测器耦合，前端耦合器后端与起偏器前端耦合，后端耦合器前端与起偏器后端耦合，后端耦合器后端与绕制在可伸缩环圈骨架上的空心微结构光纤两个尾纤耦合，所述调制解调电路板输入端与光电探测器的输出端连接，调制解调电路板输出端与上位机的输入端连接，所述可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构，可伸缩环圈骨架中心设有两个剪刀撑及与调制解调电路板连接的压电堆栈，两个剪刀撑靠近支点的一端分别与压电堆栈接触，远离支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触，压电堆栈由调制解调电路板施加正弦波电压调制信号，使可伸缩环圈骨架周期性伸缩，可拉伸空芯微结构光纤环圈被相位调制。
5.根据权利要求4所述的一种空芯微结构光纤强度评估系统，其特征在于，所述调制解调电路板设有前置放大器、带通滤波器、相敏检测器、低通滤波器及信号发生器。
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