CN116045955A - 基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈和光纤陀螺 - Google Patents
基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈和光纤陀螺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光纤陀螺的技术领域，本发明为基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈和光纤陀螺，光纤环圈包括线圈、中介层和支撑骨架，所述中介层粘结于所述线圈和所述支撑骨架之间，所述支撑骨架的线胀系数与所述线圈的线胀系数的差值的绝对值为第一系数差，所述中介层的线胀系数与所述线圈的线胀系数的差值的绝对值为第二系数差，所述第二系数差小于所述第一系数差，光纤陀螺包括基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈。这样，就解决了无法通过减小支撑骨架与线圈的第一系数差来提高光纤陀螺的温度性能的技术问题，也就是说，在支撑骨架线胀系数无法再增加的基础上，还能够进一步减小升温膨胀应力，进一步提高光纤陀螺的温度性能。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺的技术领域，尤其是涉及一种基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈和光纤陀螺。
背景技术
光纤陀螺是光纤角速率传感器，具有体积小、质量轻、精度高、全固态、使用寿命长、抗冲击能力强、动态范围大等优点。随着光纤陀螺技术不断进步以及系统应用的逐步推广，各个领域对高精度光纤陀螺应用需求日益迫切，特别是在一些长航时高精度水面、水下应用场合，不仅要求光纤陀螺精度高，同时对陀螺连续长期工作标度因数稳定性要求提出更高要求。
目前，我国光纤陀螺技术的研究已经取得了很大进步，基本能够实现从速率级陀螺到战略级陀螺等系列产品的生产。在光纤陀螺的温度性能研究方面，现有技术主要通过改善外部壳体的隔热结构设计、采用更加先进的线圈绕制方法和各种有效的温度补偿算法来减小陀螺在变温情况下的零偏不稳定性。
然而，无论采取上述哪种方法，温度性能的改善都有限，线圈的线胀系数和支撑骨架的线胀系数的系数差无法进一步减小。支撑骨架的主要成分是金属，金属的线胀系数远小于线圈的线胀系数。即使改变金属的种类或者金属理化性质，金属的线胀系数的增加也有限，支撑骨架的线胀系数的增加有限，线圈的线胀系数和支撑骨架的线胀系数的系数差无法进一步减小。
发明内容
本发明要解决的问题是提供基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈和光纤陀螺，解决了无法通过减小支撑骨架与线圈的系数差来提高光纤陀螺的温度性能的技术问题，也就是说，在支撑骨架线胀系数无法再增加的基础上，还能够进一步减小升温膨胀应力，进一步提高光纤陀螺的温度性能。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，包括线圈、中介层和支撑骨架，中介层粘结于线圈和支撑骨架之间，支撑骨架的线胀系数与线圈的线胀系数的差值的绝对值为第一系数差，中介层的线胀系数与线圈的线胀系数的差值的绝对值为第二系数差，第二系数差小于第一系数差。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，线圈包括光纤和固化胶，光纤封装于固化胶中，光纤包括纤芯和涂层，涂层包裹于纤芯周围，线圈的线胀系数为纤芯的线胀系数、涂层的线胀系数和固化胶的线胀系数的加权平均值。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，线圈的线胀系数的计算公式为：，其中，为线圈的线胀系数，为纤芯的线胀系数，为涂层的线胀系数，为固化胶的线胀系数。为纤芯的体积，为涂层的体积，为固化胶的体积；为线圈的总体积。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，所述纤芯的体积，所述涂层的体积，所述固化胶的体积和所述线圈的总体积的计算公式分别如下：
，
，
，
，
其中，为纤芯的半径；为纤芯围绕支撑骨架的一周长度，为纤芯的数量，为光纤的半径；为涂层围绕支撑骨架的一周长度，为涂层的数量，光纤封装于固化胶中，为了便于计算固化胶的体积，将每个光纤周围的固化胶的截面看成与光纤四周相切的正方形，每个正方形固化胶的边长等于光纤的直径，为正方形固化胶围绕支撑骨架的一周长度，为正方形固化胶的数量。
同一个线圈1中，，，推导出以下公式：
，
为线圈的线胀系数,的取值为3.1415926。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，中介层的线胀系数的计算公式为：，其中，为支撑骨架的线胀系数，为中介层的线胀系数，为中介层的线胀系数与支撑骨架的线胀系数的比值，的取值范围为：。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，的取值范围为：。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，中介层为包括丙烯酸树脂和低膨胀系数材料的混合物。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，丙烯酸树脂为环氧丙烯酸酯树脂。
根据本发明提供的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，低膨胀系数材料为碳纤维、纯钛、钛合金、铁镍低膨胀合金、铁铬低膨胀合金之中的一种或几种。
本发明还提供一种光纤陀螺，包括如前方所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈。
本发明的有益效果如下：
1）支撑骨架的线胀系数与线圈的线胀系数的差值的绝对值为第一系数差，中介层的线胀系数与线圈的线胀系数的差值的绝对值为第二系数差，第二系数差小于第一系数差，这样，升温膨胀应力更小，升温膨胀应力减小了，光纤折射率变化更小，光纤内部传输光的相位发生变化更小，引起的温度漂移误差更小，光纤陀螺的温度性能更好。
这样，就解决了无法通过减小支撑骨架与线圈的第一系数差来提高光纤陀螺的温度性能的技术问题，也就是说，在支撑骨架线胀系数无法再增加的基础上，还能够进一步减小升温膨胀应力，进一步提高光纤陀螺的温度性能。
2），为支撑骨架的线胀系数，为中介层的线胀系数，为中介层的线胀系数与支撑骨架的线胀系数的比值，的取值范围为：时，光纤陀螺的温度性能更好。当时，光纤陀螺的温度性能最好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈的立体图。
图2是本发明基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈的俯视图。
图3是本发明中介层的线胀系数与支撑骨架的线胀系数的比值与峰-峰值的关系的柱状图。
附图标记：
1、线圈；2、支撑骨架；3、中介层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
下面结合说明书图1、图2和图3描述本发明。
实施例一：如图1和图2，基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，包括线圈1、中介层3和支撑骨架2，中介层3粘结于线圈1和支撑骨架2之间，支撑骨架2的线胀系数与线圈1的线胀系数的差值的绝对值为第一系数差，中介层3的线胀系数与线圈1的线胀系数的差值的绝对值为第二系数差，第二系数差小于第一系数差。
升温膨胀应力是指：环境温度升高时，线圈1受到的热应力。
环境温度升高时，线圈1膨胀，支撑骨架2膨胀，线圈1的线胀系数与支撑骨架2的线胀系数之间有第一系数差，线圈1与支撑骨架2之间互相挤压，产生热应力，线圈1受到的热应力就是升温膨胀应力。
第一系数差越小，升温膨胀应力越小，光纤折射率变化越小，光纤内部传输光的相位发生变化越小，引起的温度漂移误差越小，光纤陀螺的温度性能越好。
然而，线圈1的线胀系数和支撑骨架2的线胀系数的第一系数差无法进一步减小。支撑骨架2的主要成分是金属，金属的线胀系数远小于线圈1的线胀系数。即使改变金属的种类或者金属理化性质，金属的线胀系数的增加也有限，支撑骨架2的线胀系数的增加有限，线圈1的线胀系数和支撑骨架2的线胀系数的第一系数差无法进一步减小。
中介层3粘结于线圈1和支撑骨架2之间，环境温度升高时，线圈1膨胀，中介层3膨胀，线圈1的线胀系数与中介层3的线胀系数之间有第二系数差，线圈1与中介层3之间互相挤压，产生热应力，线圈1受到的热应力就是升温膨胀应力。
支撑骨架2的线胀系数与线圈1的线胀系数的差值的绝对值为第一系数差，中介层3的线胀系数与线圈1的线胀系数的差值的绝对值为第二系数差，第二系数差小于第一系数差，这样，升温膨胀应力更小，升温膨胀应力减小了，光纤折射率变化更小，光纤内部传输光的相位发生变化更小，引起的温度漂移误差更小，光纤陀螺的温度性能更好。
这样，就解决了无法通过减小支撑骨架2与线圈1的第一系数差来提高光纤陀螺的温度性能的技术问题，也就是说，在支撑骨架2线胀系数无法再增加的基础上，还能够进一步减小升温膨胀应力，进一步提高光纤陀螺的温度性能。
实施例二：在实施例一的基础上进行改进。线圈1包括光纤和固化胶，光纤封装于固化胶中，光纤包括纤芯和涂层，涂层包裹于纤芯周围，线圈1的线胀系数为纤芯的线胀系数、涂层的线胀系数和固化胶的线胀系数的加权平均值。
实施例三：在实施例二的基础上进行改进。线圈1的线胀系数的计算公式为：
，其中，为线圈1的线胀系数，为纤芯的线胀系数，为涂层的线胀系数，为固化胶的线胀系数。为纤芯的体积，为涂层的体积，为固化胶的体积；为线圈1的总体积。
环境温度升高时，纤芯膨胀，涂层膨胀，固化胶膨胀，线圈1的线胀系数的计算兼顾了纤芯膨胀、涂层膨胀和固化胶膨胀，这样算出的结果更加接近于线圈1整体的线胀系数。
实施例四：在实施例三的基础上进行改进。所述纤芯的体积，所述涂层的体积，所述固化胶的体积和所述线圈1的总体积的计算公式分别如下：
，
，
，
，
其中，为纤芯的半径；为纤芯的围绕支撑骨架的一周长度，为纤芯的数量，为光纤的半径；为涂层围绕支撑骨架的一周长度，为涂层的数量，光纤封装于固化胶中，为了便于计算固化胶的体积，将每个光纤周围的固化胶的截面看成与光纤四周相切的正方形，每个正方形固化胶的边长等于光纤的直径，为正方形固化胶围绕支撑骨架的一周长度，为正方形固化胶的数量。
同一个线圈1中，，，推导出以下公式：
，
其中，为线圈1的线胀系数,的取值为3.1415926。
实施例五：在实施例一的基础上进行改进。中介层3的线胀系数的计算公式为：，其中，为支撑骨架2的线胀系数，为中介层3的线胀系数，为中介层3的线胀系数与支撑骨架2的线胀系数的比值，的取值范围为：。
当时，光纤陀螺的温度性能更好。
实施例六：在实施例五的基础上进行改进。的取值范围为：。
当时，光纤陀螺的温度性能最好。
仿真实验：
如图3，在仿真实验中，利用了归一化模型，将线圈1的纤芯、涂层、中介层3这些所有材料等效成单一材料，有限元模型是一个均匀的二维轴对称平面并且具有均匀的网格划分，在ANSYS有限元分析软件中其仿真模型，此模型在ANSYS中选用PLANE55号单元作为二维传热单元。
纤芯的线胀系数，涂层的线胀系数，固化胶的线胀系数。纤芯的半径，光纤的半径，每个正方形固化胶的边长等于光纤的直径。
根据公式，得出：线圈1的线胀系数。
支撑骨架2的线胀系数，第一系数差为，第一系数差与线圈1的线胀系数的和为：，表1中的第二组实验中，中介层3的线胀系数为，小于，峰-峰值为0.201，大于第一组实验中没有中介层3的峰-峰值0.197，表1中的第二十一组实验中，中介层3的线胀系数为，大于，峰-峰值为0.199，大于第一组实验中没有中介层3的峰-峰值0.197，而第三组实验到第二十组实验，中介层3的线胀系数大于，且小于，峰-峰值都小于第一组实验中没有中介层3的峰-峰值0.197，进一步验证了：第二系数差小于第一系数差，升温膨胀应力更小，升温膨胀应力减小了，光纤折射率变化更小，光纤内部传输光的相位发生变化更小，引起的温度漂移误差更小，光纤陀螺的温度性能得到提高，就解决了无法通过减小支撑骨架2与线圈1的第一系数差来提高光纤陀螺的温度性能的技术问题，也就是说，在支撑骨架2线胀系数无法再增加的基础上，还能够进一步减小升温膨胀应力，进一步提高光纤陀螺的温度性能。
另外，在第七组实验到第十一组实验中，输出的峰-峰值更小，都小于0.1，可见，时，光纤陀螺的温度性能更好，第九组实验中，输出的峰-峰值最小可见，时，光纤陀螺的温度性能最好。
表1 仿真实验结果
实施例七：在实施例六的基础上进行改进。中介层3为包括丙烯酸树脂和低膨胀系数材料的混合物。
实施例八：在实施例七的基础上进行改进。丙烯酸树脂为环氧丙烯酸酯树脂。
实施例九：在实施例七的基础上进行改进。低膨胀系数材料为碳纤维、纯钛、钛合金、铁镍低膨胀合金、铁铬低膨胀合金之中的一种或几种。
实施例十：光纤陀螺，包括如实施例一到九所述的基于中介层3的减小升温膨胀应力的光纤环圈。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，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各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，包括线圈（1）、中介层（3）和支撑骨架（2），所述中介层（3）粘结于所述线圈（1）和所述支撑骨架（2）之间，所述支撑骨架（2）的线胀系数与所述线圈（1）的线胀系数的差值的绝对值为第一系数差，所述中介层（3）的线胀系数与所述线圈（1）的线胀系数的差值的绝对值为第二系数差，所述第二系数差小于所述第一系数差。
2.根据权利要求1所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述线圈（1）包括光纤和固化胶，所述光纤封装于所述固化胶中，所述光纤包括纤芯和涂层，所述涂层包裹于所述纤芯周围，所述线圈（1）的线胀系数为所述纤芯的线胀系数、所述涂层的线胀系数和所述固化胶的线胀系数的加权平均值。
3.根据权利要求2所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述线圈（1）的线胀系数的计算公式为：，其中，为所述线圈（1）的线胀系数，为所述纤芯的线胀系数，为所述涂层的线胀系数，为所述固化胶的线胀系数，为所述纤芯的体积，为所述涂层的体积，为所述固化胶的体积，为所述线圈（1）的总体积。
4.根据权利要求3所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述纤芯的体积，所述涂层的体积，所述固化胶的体积和所述线圈（1）的总体积的计算公式分别如下：
，
，
，
，
其中，为纤芯的半径；为纤芯围绕支撑骨架的一周长度，为纤芯的数量，为光纤的半径；为涂层围绕支撑骨架的一周长度，为涂层的数量，光纤封装于固化胶中，为了便于计算固化胶的体积，将每个光纤周围的固化胶的截面看成与光纤四周相切的正方形，每个正方形固化胶的边长等于光纤的直径，为正方形固化胶围绕支撑骨架的一周长度，为正方形固化胶的数量，同一个线圈1中，，，推导出公式：，其中，为所述线圈（1）的线胀系数，为圆周率。
5.根据权利要求1所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述中介层（3）的线胀系数的计算公式为：，其中，为所述支撑骨架（2）的线胀系数，为所述中介层（3）的线胀系数，为所述中介层（3）的线胀系数与所述支撑骨架（2）的线胀系数的比值，的取值范围为：。
6.根据权利要求5所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述的取值范围为：。
7.根据权利要求6所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述中介层（3）为包括丙烯酸树脂和低膨胀系数材料的混合物。
8.根据权利要求7所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述丙烯酸树脂为环氧丙烯酸酯树脂。
9.根据权利要求7所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈，其特征在于，所述低膨胀系数材料为碳纤维、纯钛、钛合金、铁镍低膨胀合金、铁铬低膨胀合金之中的一种或几种。
10.光纤陀螺，其特征在于，包括如权利要求1-9中的任一项所述的基于中介层的减小升温膨胀应力的光纤环圈。
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