CN1215832A - 填料的光纤陀螺传感线圈 - Google Patents

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Abstract

一种用于光纤陀螺仪的传感线圈包括具有预定成分的内套的光纤,这可以减少温度变化引起的关于偏差稳定性的光路不对称性效应。含有预定成分的填充材料与硅结合并放置到玻璃纤维中,形成内套。调节内套的成分以影响内套的泊松比并从而降低缠绕线圈内的各向同性热感应压强,致使降低温度感应光路长度的不对称性并提高偏差的稳定性。

Description

填料的光纤陀螺传感线圈
本发明涉及一种光纤陀螺仪。尤其涉及一种针对有关偏差稳定性的温度变化导致的光学长度不对称效应的传感器线圈设计。
干涉型光纤陀螺包括下列主要组件：(1)一个光源，(2)两个用于满足“最小互易结构”所需的分束器(光纤定向耦合器和/或集成光学Y形交叉)(S.Ezekiel and M.J.Arditty，光纤旋转传感器，NewYork,Springer-Verlag p.2-26 1982),(3)一个由保偏光纤(PM)或低双折射光纤制作的光纤传感器线圈，(4)一个偏振器(有时还有一个或多个去偏器)，和(5)一个探测器。从光源发出的光被环形分束器分成在传感线圈中以正向和反向传播的波。配套的电子设备测得从线圈两端发出的两束以相反方向传播的相干光之间的相位关系。两束光所经历的相移间的差与固定设备的平台的旋转速率成比例，这是由于众所周知的Sagnac效应。
环境因素会影响两束以相反方向传播的光束之间的相移差的测量值，因而引入偏差。这样的环境因素包括诸如温度，振动(声学的和机械的)和磁场等变量。一般来说，这些因素随时间变化且在整个线圈中分布不均匀。这些环境因素在以相反方向传播的每束光波通过线圈时所经历的光路中引起变化。两束光波产生的相移是不相等的，这造成一个从旋转产生的信号中难以识别的不期望的净相移。
减少环境因素产生的偏差敏感性的一个方法一直与各种对称线圈的缠绕结构有关。在这种线圈中，绕组被排列为的是当线圈的两端位于最外层时，线圈的几何中心位于最内层。
在“Sagnac干涉仪中非互易性的线性光源的补偿”(FiberOptics and Laser Sensors I,Proc.SPIE Vol.412 P.268(1983))一文中，N.Frigo提出用一种特殊的缠绕方式来补偿非互易性，而且，Bednarz的一篇名为“Fiber Optic Sensing Coil”的美国专利US4,793,708中讲述了一种由双极或四极缠绕形成的对称光纤传感线圈。该专利中描述的线圈显示出比传统的螺线型缠绕增强的性能。
Ivancevic的名为“Quadrupole-Wound Fiber Optic Sensing Coiland Method of Manufacture Thereof”的美国专利(US4,856,900)，讲述了一种改进的四极缠绕线圈，在这种线圈中，通过用连结层之间为了攀移的线匝的同心缠绕壁代替下述的翘起(pop-up)的光纤部分来消除由于末端凸缘附近的翘起(pop-up)的光纤部分的出现而产生的光纤折皱和微弯。上面提到的两篇美国专利均属本受让人所有。
虽然适当的线圈缠绕技术将光纤陀螺仪输出中的某些偏差源的某些效应降到最小，但不能彻底减小偏差。
陀螺仪偏差不稳定性的很大一部分来自于缠绕线圈的光纤相对其中点的温度变化导致光学长度不对称(TCIOLA)。TCIOLA的最大部分来源于缠绕线圈内热应力，这种热应力随着温度与聚合物固化温度的背离而增加。(注意：线圈名义上在聚合物固化温度下是无应力的。)
虽然上述的缠绕技术通过有规则地排列线圈使得与缠绕光纤的中点等距离的光纤段彼此相邻对TCIOLA引起的偏差效应有某种减弱，但高精度的应用，如持续长时间的飞机导航，需要更多地减少这些偏差因素。
现有技术中上述及其它缺点和不利之处在本发明中已有考虑，本发明的一个首要方面是为光纤陀螺提供一个传感线圈。此线圈包含一条光纤。光纤被排列成多个同心柱层。每一层包括多匝光纤，每匝以预定的缠绕图案排列。光纤包括一个含有硅的内套和一种预定的填充材料。
第二方面，本发明提供一种为光纤陀螺仪制备传感线圈的方法。该方法从形成一个具有预定泊松比的内套的光纤开始。之后，该光纤被缠绕形成多个绕组层，根据预定的缠绕方式每层绕组包括多匝。
本发明前述的和其它的特点和优点通过下列的详细描述将变得更加明显。这些描述附有一组附图。附图的标号指的是本发明的各个特征，且与正文中的那些特征相对应且在全文中用相同的标号指示相同的特征。
图1是本发明光纤陀螺仪传感线圈的透视图；
图2是传感线圈层状绕组典型部分的放大的横截面图；
图3是沿图2中线3截取的一部分缠绕的传感线圈放大图；和
图4(a)和4(b)是由光纤缠绕的封装的传感线圈的每单位长度的光纤的光路长度应变的曲线。其中，光纤的内套分别由未填充的和填充的硅材料组成。
回过来看附图，图1是本发明传感线圈10的透视图。如前面所述，传感线圈10提供了光纤陀螺仪系统的一个关键元件。在使用时，该元件被稳固地固定在旋转速率要进行测定的平台上。
传感线圈10包括一个光纤12，光纤12被绕在支撑卷筒14上并做为一个接收从公共光源(未示出)发出的以相反方向传播的一对光束的光导。图1所示的支撑卷筒14包括末端凸缘，该末端凸缘的存在或不存在不成为所申请的发明的一部分。
图2是光纤12的层状绕组的主要部分的放大的横截面图。可以看到，光纤12的绕组可以封装在粘结材料16基体中。一般来说，这种粘结材料16的存在对陀螺仪提供多项益处。这些优点包括提高线圈缠绕的精度。也就是说这些粘结封装材料16可被利用并逐层固化，使得对连续的多层的缠绕呈现光滑的表面。这种缠绕环境提高了对所得线圈几何结构的控制，这其中几何结构包括一些重要因素，如光纤之间的间隔，每一层的匝数和每个线圈的层数，而且这种缠绕环境还把缠绕缺陷如“丢匝”等减到最小。
可用多种制造方法制作线圈，在线圈中，把线匝或绕组嵌入粘结封装材料的基体中。例如，使用注射型分散器注入粘结剂然后进行固化的方法。这样的方法确保了连续层的绕组呈现光滑的表面。允许迅速硬化的紫外线固化型粘结剂最适合用于这种方法。
其它制造方法包括烘干线圈绕组之后，真空注入一种极低粘滞度的粘结剂。一种可供选择的湿缠绕技术是在缠绕线圈时使用一种热固型粘结剂。在缠绕期间粘结剂并不固化(为液体形式)。线圈缠绕好后再进行热固化。
图3是沿图2中线段3看去时缠绕线圈的一部分放大图。该图显示了限于光纤18主要部分的详细的横截面图，该光纤18的线匝形成缠绕线圈的层。参照该详细的横截面图可以发现，光纤18包括一个玻璃成份的中心元件，该元件包括一个芯20和一个包层22。芯20的玻璃的折射率大于包层22的折射率，这样来限制导向光穿过光纤中心的轴向路径。这样限定的路径是以导向光基本上不会泄进周围的光纤套中为条件的(下面将讨论)。典型玻璃元件的直径在80μm的范围内。
内套24的使用缓解了中心元件在被缠绕或曝露在尖锐边缘时所受的侧应力。硅材料被用来做大约30μm的典型厚度的内套24。现已发现硅适于做内套，这是由于它具有合乎要求的缓冲作用及由此的保护特性和对湿玻璃的作用。此材料是以聚合物为基础的，该聚合物的主要成分是链结的硅一氧一硅原子。由此可见，该材料在化学上不同于有机材料，有机材料主要是以碳-碳原子为主要成份链结而成的聚合物。
使用外套或外壳26是因为摩擦阻力。外套26由丙烯酸盐如环氧丙烯酸盐或聚氨基甲酸酯丙烯酸盐形成，典型厚度约为12.5μm。另外，在某些应用中仅使用单层的丙烯酸盐外套。但是，含有内套24通常是重要的，因为在许多应用中存在许多小半径线匝，需要一种软化介质来保护光导玻璃元件免受损害同时使能导致偏振非互易性(PNR)偏差的偏振交叉耦合降低。
丙烯酸盐材料具有大约0.4的泊松比(Poisson ratio)，但大部分聚合物的泊松比，包括硅，超过0.48，以致于可达到大约0.499。
材料的体积模量(对三维压缩的刚度)B为：
B=E/3(1-2ν)    (1)此处，E是材料的杨氏模量，ν是材料的泊松比。
从上式可以知道，当泊松比ν接近0.5时，体积模量B接近无穷大。
对于热膨胀系数为α的材料如硅其体积是有限的，由于温度变化ΔT，这些材料的体积内部各向同性的压强变化ΔP为：
ΔP=3αΔTB=αΔT·E/(1-2ν)    (2)与体积模量B的情况一样，当接近0.5时，压强变得非常大。发明人已经发现，当内套24的软橡胶硅被限定在强刚性玻璃纤维22和外套26之间时，内套24要经受这样的应力作用。体形变的这些抑制还受这样一个事实的很深的影响，即在缠绕的陀螺仪传感线圈中，每一匝纤维通常浸没在多层绕组之间。因此，缠绕的线圈的结构也对限制尺寸的变形有作用。本发明人还进一步认识到对具有相当高的泊松比(0.5附近)的硅材料体形变的综合抑制使得内套24随着温度变化ΔT产生显著水平的各向同性的压强。
本发明人还发现，通过将一部分体积的细粒的刚性填充材料填加到硅中置换普通橡胶硅的体积的一部分时，可以显著降低内套24的材料泊松比。回过来看上面的方程(2)，它表示相应于温度的变化ΔT，所产生的内套各向同性压强P在数量上显著降低。
合适的填充材料包括碳黑，铝，氧化铪，氧化镁，硅和钛粉。这里所说的每一种材料，其特点在于有适当低的α和ν值，以及对于低扩张和强刚度其具有相对较大的E值。而且，上面所说的每一种填充材料还能够加工成形，例如经过湿的或干的加工处理形成颗粒尺寸适当的胶体状的或烟化状。因为内套24的厚度大约为20μm，所以最好使用直径不超过1μm的珠或球形填充材料。
以上的分析和结论可通过图4(a)和图4(b)的曲线的比较来证实。这些曲线表示通过对封装的陀螺仪传感线圈的数学模拟计算所得的数据。图4(a)曲线表示内套包含未填充的硅材料的缠绕光纤每摄氏度的光路长度的应变(ε0(s))。相反，图4(b)曲线表示封装的传感线圈内光纤的每摄氏度的光路长度的应变，其中，封装的传感线圈由具有内套的光纤形成的，根据本发明该内套包含硅和供选择的填充材料。
图4(a)和图4(b)所示的每条曲线表示封装线圈的数据，该线圈包括18层的且每层有16匝光纤。在每种情况中，假定封装组合物包含的材料泊松比为0.40，杨氏模量为1.07×107帕斯卡(Pascals),α每度(c)为2.1×10-4。假设在每种情况中内套材料的杨氏模量为1.74×106帕斯卡，α为460×10-6/c。当v因刚性填充物的填加而降低时，根据上面的方程2由于净结果是压强减少，所以E将升高而α将减少。
图4(a)的数据，以不含填充物的硅作为内套材料，是基于泊松比为0.4995，而图4(b)的数据(硅材包含预选的填充物)是基于泊松比为O.460。后一种假设已由本发明人从实验上证实，它表示了包含25％～35％碳黑填充物的硅材的一种合理近似。
结合起来看曲线，可以发现，从缠绕线圈的内经r1到外径r2，每摄氏光路长度应变ε0(s)从负值(表受压)变到正值(表受拉)，最大应变发生在邻近缠绕线圈径向边缘处。在应变经历从压缩到拉伸的变迁的过程中，可以发现在接近绕组的中间处不发生应变。比较曲线可以看到，在由含填充物和不含填充物的硅做内套的光纤构成的线圈中应变之间的显著差别。对于由不含填充物的硅构成的线圈，当光路长度应变从内径r1处压缩状态时的2.35×10-5变到外径r2处拉伸状态时的2.55×10-5时，对于由包含填充物材料的纤维所缠绕的线圈相应的光学长度应变值仅在窄带范围变化即内径r1处压缩状态时0.25×10-5变到外径r2处拉伸状态时的0.4×10-5。这表示由于填充材料进入缠绕光纤线圈的内套，整个光路长度的应变几乎减少十倍。
以上讨论的由温度变化导致的光路不对称性或TCIOLA造成的偏差θE，可如下表示：
θE=(nc 2L/4NA)∫0 L[(ε0(s))(1-2s/L)]ds    (3)这里，θE=由于每摄氏度的应变导致的偏差；
nc=光纤芯的折射率；
ε0(s)=距线圈末端距离为s处每摄氏度的光路长度应变；
s=距离线圈末端的光纤部分的长度
L=光纤的总长度；
N=缠绕线圈的匝数；和
A=每匝的平均面积。
从方程(3)可以看到，光学偏差θE是光路长度应变(如插图4(a)和图4(b)所示)的积分函数。因此，可以得知，可通过将适当的填充材料放入光纤的内套中来实现这种偏差的显著的降低。
因此，可以看出本发明提供的传感线圈在由温度变化导致光路不对称带来的偏差效应减小的薄弱性方面有实质性的改善。利用本发明的技术还可以在温度ΔT显著的环境下，进一步提高光纤陀螺仪的精确性。这种环境经常在需要高精度的应用中存在，如在长时间远距离的航行中。
虽然本发明参照上述优选实施例进行描述，但并不仅限于此。更确切地说本发明尽管仅由下面一系列的权利要求限定，但与本发明等价的产品与方法均包括在本发明的范围。

Claims (18)

1．一种用于光纤陀螺仪的传感线圈，其特征在于包括：
(a)一种光纤；
(b)所述的光纤被布置在多个同心圆柱层中；
(c)所述的每一层包括多匝所述的光纤；
(d)所述的每一匝被布置成一种预定的缠绕图案；且
(e)所述的光纤包括一个含有硅和预定填充材料的内套。
2．按权利要求1所述的传感线圈，其特征还在于所述的填充材料比所述的硅的可压缩性小。
3．按权利要求2所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料是颗粒形式的。
4．按权利要求3所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料包括碳黑。
5．按权利要求3所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料包括铝。
6．按权利要求3所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料包括氧化铪。
7．按权利要求3所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料包括氧化镁。
8．按权利要求3所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料包括硅。
9．按权利要求3所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料包括钛粉。
10．按权利要求1所述的传感线圈，还包括：
(a)由泊松比小于0.48的材料组成的所述的填充物；
(b)一个包覆所述的光纤内套的外套；和
(c)由泊松比小于0.48的材料组成的所述的外套。
11．按权利要求10所述的传感线圈，其特征在于该传感线圈用封装材料封装。
12．按权利要求11所述的传感线圈，其特征在于所述的外套由丙烯酸盐材料组成。
13．按权利要求10所述的传感线圈，其特征在于所述的填充材料包括选自碳黑、铝、氧化铪、氧化镁、硅和钛粉一组物质的颗粒状材料。
14．一种制造用于光纤陀螺仪的传感线圈的方法，包括步骤：
(a)形成一个具有预定泊松比的内套的光纤；然后，
(b)缠绕所述的光纤，形成多个绕组层，每个所述的绕组层包括以预定的缠绕图案缠绕的多匝光纤。
15．按权利要求14所述的方法，其特征在于形成光纤的步骤还包括形成含有填充物的硅材的内套这一步骤。
16．按权利要求15所述的方法，其特征在于形成内套的步骤还包括步骤：
(a)选择一种泊松比小于硅的泊松比的填充材料；然后
(b)合并所述的硅和所述的填充材料；之后
(c)将所述的组合物放置到所述的光纤的玻璃波导中。
17．按权利要求16所述的方法，还包括用封装材料封装线圈的步骤。
18．按权利要求17所述的方法，其特征在于选择填充材料的步骤包括从一组由碳黑、铝、氧化铪、氧化镁、硅和钛粉组成的材料中选取一种颗粒状材料的步骤。
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