CN206583457U - 一种导热光纤传感环圈及光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种导热光纤传感环圈及光纤陀螺仪，属于光纤传感环圈领域。所述导热光纤传感环圈由保偏光纤绕制而成、且通过固化胶固化成型，所述固化胶中均匀掺杂有石墨烯粉末，所述导热光纤传感环圈中，相邻所述保偏光纤之间具有设定的间隔，且相邻所述保偏光纤之间填充满有所述固化胶。利用本实用新型的导热光纤传感环圈可使光纤传感环圈内部的温度梯度快速变小，使温度场迅速达到平衡；利用本实用新型导热光纤传感环圈制成光纤陀螺仪，可将由温度诱导导致的光纤陀螺零位漂移压制到最小，从而提升光纤陀螺仪的应用精度。

Description

一种导热光纤传感环圈及光纤陀螺仪

技术领域

本实用新型属于光纤传感环圈领域，具体涉及一种导热光纤传感环圈及光纤陀螺仪。

背景技术

温度性能一直是光纤陀螺仪工程化的关键指标，在光纤陀螺仪的各构成部件中，光纤传感环圈对光纤陀螺仪温度性能的影响因子可达90％，对于光纤传感环圈而言，内部温度梯度最为重要，因此，提高光纤传感环圈内部的温度场分布均匀性一直是光纤陀螺领域内的研究重点。

光纤传感环圈是由一根保偏光纤按照设定的绕制方法绕制，如单螺旋结构、双极结构和四极对称结构等等，其中，目前普遍采用的是四极对称结构，并采用特殊的固化胶进行灌封固化，从而形成一个类似于复合材料的固体结构。在光纤传感环圈内部，要求以其中点对称的保偏光纤性能和所处环境尽量一致，从而通过光纤传感环圈两端输入的光信号经历完全相同的相位延迟，在整个光路后端干涉后，能够相互抵消外界环境因素施加的干扰信号，保证载体角速率测试的真实性。温度是影响光纤传感环圈产生相位误差的一项最重要环境因素，由温度引发的光纤陀螺shupe效应可表示为：

其中，Ω为陀螺的零位漂移，n是光纤的折射率，λ是光波长，c0是真空下光速，β0为光的传播常数，ΔT(z)表示在光纤传感环圈的z点处的温度变化量，L为光纤长度，D是环圈直径。

由公式可见，温度shupe效应的大小与光纤所受温度的大小及对称性紧密相关，光纤对称性主要与绕制的方法以及绕制的精度相关，一般情况下，绕制方法普遍采用四极对称绕制的方法，已经在光纤传感环圈制作中体现出了明显的优势，相比于单螺旋绕制和双极绕制，能够大幅提升绕制的对称性，抑制shupe效应误差；另一方面，受限于国内机械加工和设备制造水平，光纤绕制的精密性还无法满足实际使用要求，从而导致了光纤传感环圈的性能对温度十分敏感，陀螺的零位输出与温度及温度变化率参数具有非常明显的相关性。

光纤传感环圈是光纤陀螺的核心部件，其性能的优劣直接决定了陀螺的精度和稳定性。一般而言，光纤传感环圈是由保偏光纤按照四极对称的方法逐层缠绕的环圈骨架上构成，并采用固化胶对其进行灌封处理。尽管环圈固化增强了陀螺抗振性能，但是由于光纤涂覆层和固化胶的低导热特性，光纤传感环圈在时变温度场中由外向内的温度并不均匀，而是具有一定的温度梯度，导致陀螺输出零位发生偏移，这就是所谓的shupe效应。因此，为了达到提高陀螺互易性，稳定陀螺输出的目的，必须增强光纤传感环圈内部的导热性。

光纤传感环圈主要由固化胶和保偏光纤构成，提高环圈导热性的方法之一是提高固化胶的导热率，实际应用的普通有机硅胶和环氧树脂的导热性较差，无法满足要求。但是，通过添加普通导热有机物的方式可以增加固化胶的导热率，然而这种方法同时增加了胶体的粘度，无法应用于真空灌封的环氧固化工艺；因此如何在增加固化胶导热率的同时保证固化胶的粘度能够满足灌封工艺要求，是光纤传感环圈制作技术研究的关键内容之一。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种导热光纤传感环圈及光纤陀螺仪，提高光纤传感环圈的整体导热率，使得光纤传感环圈大幅缩短达到温度平衡的时间，进而提升光纤陀螺温度性能。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种导热光纤传感环圈，所述导热光纤传感环圈由保偏光纤绕制而成、且通过固化胶固化成型，所述固化胶中均匀掺杂有石墨烯粉末，所述导热光纤传感环圈中，相邻的所述保偏光纤之间预留有间隔，且相邻的所述保偏光纤之间填充满有所述固化胶。

进一步地，所述石墨烯粉末为纳米石墨烯粉末。

进一步地，相邻的所述保偏光纤之间预留间隔范围为所述保偏光纤外径的5％～10％。

进一步地，所述保偏光纤外径为125μm。

进一步地，相邻所述保偏光纤之间预留间隔范围为7～12μm。

进一步地，所述固化胶为有机硅胶或环氧树脂。

进一步地，所述固化胶的粘度低于1000cp。

进一步地，所述导热光纤传感环圈的绕制结构为单螺旋结构、双极结构和四级对称结构中的一种。

一种光纤陀螺仪，所述光纤陀螺仪包括上述各方案中任一项的所述导热光纤传感环圈。

进一步地，所述光纤陀螺仪为闭环光纤陀螺仪或开环光纤陀螺仪。

本实用新型采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

本实用新型提供一种导热光纤传感环圈及光纤陀螺仪，固化导热光纤传感环圈的固化胶中均匀掺杂有石墨烯粉末，且固化胶填充满相邻所述保偏光纤之间的间隔，通过本实用新型可使光纤传感环圈内部的温度梯度快速变小，使温度场迅速达到平衡；利用本实用新型制成光纤陀螺仪，可将由温度诱导导致的光纤陀螺零位漂移压制到最小，从而提升光纤陀螺仪的应用精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型导热光纤传感环圈横截面的局部示意图。

图中，1-保偏光纤；2-固化胶。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

如图1所示，一种导热光纤传感环圈，所述导热光纤传感环圈由保偏光纤1绕制而成、且通过固化胶2固化成型，所述固化胶2中均匀掺杂有石墨烯粉末，所述导热光纤传感环圈中，相邻的所述保偏光纤1之间预留有间隔，且相邻的所述保偏光纤1之间填充满有所述固化胶2。

现有技术中，光纤传感环圈由保偏光纤1绕制而成，并通过固化胶2固化成型。首先按照一定的缠绕方法，将保偏光纤1缠绕成设定的缠绕结构，其次是采用固化胶2进行灌封，最后完成固化成型。在保偏光纤1缠绕过程中，相邻保偏光纤1之间必须留有间隔，便于固化胶2浸入，这种预留间隔的另外一个好处是在固化胶2浸入后，相邻保偏光纤1之间间隔中的固化胶2能够相互交联联结，形成固化胶2通路，这对于提升整体导热性具有非常重要的意义。使用石墨烯粉末材料对固化胶2的导热性能进行改性，石墨烯粉末材料的导热率很大，在增加固化胶2导热性的基础上，还不对固化胶2的粘度产生太大影响。石墨烯粉末材料与固化胶2之间掺杂不能简单地将石墨烯粉末材料加入固化胶2中来实现，需要使石墨烯材料在固化胶2中均匀分散，以实现固化胶2导热性能的整体提升，通过本实用新型上述方案可使光纤传感环圈内部的温度梯度快速变小，使温度场迅速达到平衡。

上述方案中，选用石墨烯粉末材料作为掺杂主要是因为石墨烯的导热率很大，对提升固化胶2导热性的作用最大化；而纳米级材料在大幅增加固化胶2导热性的基础上，又不会对固化胶2的粘度产生太大影响。因而本实用新型中，所述石墨烯粉末优选为纳米石墨烯粉末。在尺寸为纳米级时，在大幅增加固化胶2导热性的基础上，不对固化胶2的粘度产生太大影响。

在光纤缠绕过程中，光纤与光纤之间必须留有间隔，这种预留间隔一方面便于固化胶2浸入，另一方面是在固化胶2浸入后，间隔中的固化胶2能够相互交联，形成固化胶2通路，可提升光纤传感环圈整体导热性，本实用新型中，为了提升光纤传感环圈整体导热性，对相邻所述保偏光纤1之间设定的间隔作进一步地优化，相邻所述保偏光纤1之间预留间隔范围可优选为所述保偏光纤1外径的5％～10％。

现有技术中，所述保偏光纤1产品类型较多，如外径125μm和外径165μm的保偏光纤，采用本实用新型方案均可实现提升光纤传感环圈的整体导热性。在本实用新型中，还在外径125μm和外径165μm的保偏光纤中选定一种优选的方案，所述保偏光纤1外径优选为125μm。因为125μm外径的保偏光纤1在体积上比165μm外径的保偏光纤1具有尺寸优势，缠绕后制成的光纤传感环圈的体积可降低50％以上，这种空间厚度的降低，十分有利于减小光纤传感环圈内部的温度场梯度，减小光纤传感环圈的稳定时间。尤其对于125μm外径的保偏光纤1来说，在相邻保偏光纤1之间预留间隔为7～12μm时，更能极大地提升光纤传感环圈整体导热性。

本实用新型中，所述固化胶2可以选用现有技术的有机硅胶或环氧树脂。针对真空灌封工艺选用低粘度灌封固化胶2，一般选用粘度低于1000cp(粘度单位，中文为：厘泊)的固化胶2，如粘度低于1000cp的有机硅胶或环氧树脂。因为真空灌封工艺要求固化胶2的粘度不能太高，否则固化胶2无法浸入光纤传感环圈内部的空隙中，真空灌封效果不好，影响性能；另外，由于需要对固化胶2进行导热填料添加改性，增加导热率，将导致固化胶2的粘度大幅增大，更加不利于真空灌封工艺实现。进一步地，所述固化胶2的粘度低于1000cp。

现有技术中，光纤传感环圈的绕制结构有：单螺旋结构、双极结构和四极对称结构，等等其他的绕制结构，对于本实用新型应用而言，本实用新型中的所述导热光纤传感环圈的绕制结构可以为单螺旋结构、双极结构和四级对称结构中的一种。其中，目前普遍采用的是四极对称的绕法绕制结构，相比于单螺旋结构和双极结构，所述导热光纤传感环圈采用四级对称结构，能够大幅提升绕制的对称性，抑制由温度变化引发的shupe效应误差。

由于本实用新型的所述导热光纤传感环圈可使光纤传感环圈内部的温度梯度快速变小，使温度场迅速达到平衡。因而利用本实用新型上述各个方案中任一方案制得的光纤陀螺仪，可将由温度诱导导致的光纤陀螺零位漂移压制到最小，从而提升光纤陀螺仪的应用精度。且在某些应用环境，如果仅考核陀螺的温度漂移大小，那么利用本实用新型可大幅提高光纤传感环圈的成品率，将原本不合格的光纤传感环圈修正为合格产品。此外，在考虑光纤陀螺温度补偿的应用背景下，也可提高光纤陀螺的温度输出曲线规则性，从而提升光纤陀螺仪的温度补偿效果，使光纤陀螺仪在综合环境下的精度得到提高，环境适应性增强，推进光纤陀螺的实际工程应用。

本实用新型中，所述光纤陀螺仪可以为现有技术的闭环光纤陀螺仪或开环光纤陀螺仪。

本实用新型通过采用石墨烯粉末材料对环圈固化胶2进行导热率提升，提高光纤传感环圈的整体导热率，使得光纤传感环圈在温度环境下达到温度平衡的时间大幅缩短，从而达到提升光纤陀螺温度性能的最终目的。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种导热光纤传感环圈，所述导热光纤传感环圈由保偏光纤绕制而成、且通过固化胶固化成型，其特征在于：所述固化胶中均匀掺杂有石墨烯粉末，所述导热光纤传感环圈中，相邻的所述保偏光纤之间预留有间隔，且相邻的所述保偏光纤之间填充满有所述固化胶。

2.根据权利要求1所述的导热光纤传感环圈，其特征在于：所述石墨烯粉末为纳米石墨烯粉末。

3.根据权利要求1所述的导热光纤传感环圈，其特征在于：相邻的所述保偏光纤之间预留间隔范围为所述保偏光纤外径的5％～10％。

4.根据权利要求3所述的导热光纤传感环圈，其特征在于：所述保偏光纤外径为125μm。

5.根据权利要求4所述的导热光纤传感环圈，其特征在于：相邻所述保偏光纤之间预留间隔范围为7～12μm。

6.根据权利要求1所述的导热光纤传感环圈，其特征在于：所述固化胶为有机硅胶或环氧树脂。

7.根据权利要求5所述的导热光纤传感环圈，其特征在于：所述固化胶的粘度低于1000cp。

8.根据权利要求1所述的导热光纤传感环圈，其特征在于：所述导热光纤传感环圈的绕制结构为单螺旋结构、双极结构和四级对称结构中的一种。

9.一种光纤陀螺仪，其特征在于：所述光纤陀螺仪包括权利要求1至8中任一项的所述导热光纤传感环圈。

10.根据权利要求9所述的光纤陀螺仪，其特征在于：所述光纤陀螺仪为闭环光纤陀螺仪或开环光纤陀螺仪。