專利名稱：以方形截面預(yù)制光纖繞制成的光纖陀螺線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖陀螺線圈，尤其涉及一種以方形截面預(yù)制光纖繞制成的光纖陀螺
線圈。
背景技術(shù)：
干涉式光纖陀螺儀是基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)的一種旋轉(zhuǎn)角速率傳感器，其 最小互易性結(jié)構(gòu)包括以下幾部分一個(gè)光源， 一個(gè)探測器， 一個(gè)光纖定向耦合器， 一個(gè)偏振 器(有時(shí)包括一個(gè)或多個(gè)消偏器)， 一個(gè)集成光學(xué)Y波導(dǎo)， 一個(gè)由保偏光纖或普通單模光纖 繞制成的光纖傳感線圈。光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器，由Y波導(dǎo)分成沿線圈正反兩方向傳輸 的光，經(jīng)過線圈后兩束光由Y波導(dǎo)耦合并經(jīng)過耦合器在探測器的接收端形成干涉。線圈旋 轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光經(jīng)歷的光程不同，探測器接收到的干涉光強(qiáng)隨之變化，由此檢測與線圈固定平 臺的旋轉(zhuǎn)角速率。 光纖陀螺具有高可靠、長壽命、快速啟動(dòng)、大動(dòng)態(tài)范圍等一系列優(yōu)點(diǎn)。光纖陀螺的 全固態(tài)結(jié)構(gòu)，使其比以前采用的機(jī)械轉(zhuǎn)子或氣體環(huán)形激光器的方案具有更重要的優(yōu)勢。但 是，環(huán)境因素仍然可以通過改變光纖線圈中正反兩束光的相位差來影響光纖陀螺的輸出。 當(dāng)這些環(huán)境因素隨時(shí)間變化且在整段光纖中不對稱分布時(shí)，沿光纖正反兩方向傳輸?shù)墓鈱?經(jīng)歷不同的相位，產(chǎn)生與線圈旋轉(zhuǎn)無關(guān)的相移，這個(gè)相移與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相移無法 區(qū)分從而造成系統(tǒng)誤差。 處于振動(dòng)環(huán)境中時(shí)，光纖陀螺線圈內(nèi)部尤其是與骨架接觸處產(chǎn)生由振動(dòng)引起的時(shí) 變應(yīng)力，此應(yīng)力不對稱分布，通過光彈效應(yīng)導(dǎo)致正反兩束光的光程差，從而引起光纖陀螺線 圈的振動(dòng)敏感性。由于使用環(huán)境的需要，光纖陀螺的振動(dòng)敏感性一直是急需解決的重要問 題?，F(xiàn)有的降低光纖陀螺線圈振動(dòng)敏感性的方法為進(jìn)行合理的機(jī)械設(shè)計(jì)，同時(shí)采用固化后 楊氏模量大的封裝材料以確保線圈良好的堅(jiān)固性。合理的機(jī)械設(shè)計(jì)可避免結(jié)構(gòu)帶來的線圈 諧振，固化后楊氏模量大的封裝材料可提高線圈本身的諧振頻率，但楊氏模量大的封裝材 料將其他位置的振動(dòng)應(yīng)力傳遞給光纖的效率也高，由于線圈的振動(dòng)敏感性主要由光纖所受 應(yīng)力引起，所以高應(yīng)力傳遞效率削弱了高諧振頻率帶來的好處。由此可見，要想提高光纖陀 螺線圈的振動(dòng)敏感性，只采用上述方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要尋找其他對降低線圈中光纖內(nèi)部 振動(dòng)應(yīng)力更有效的方法。 環(huán)境溫度變化時(shí)，除在光纖中存在時(shí)變非對稱溫度場外，光纖陀螺線圈與骨架之 間的熱膨脹性能不匹配將導(dǎo)致光纖中存在附加熱應(yīng)力，這種附加熱應(yīng)力同樣時(shí)變非對稱， 從而造成光纖陀螺的溫度敏感性。光纖陀螺的溫度敏感性已成為制約其廣泛應(yīng)用的主要 因素?，F(xiàn)有的普遍應(yīng)用的降低光纖陀螺溫度敏感性的方法為使用各種為增強(qiáng)互易性的對稱 繞法使光纖中溫度場及附加熱應(yīng)力分布盡量對稱。例如使用四極子繞法繞制的光纖陀螺 線圈已顯示出比原有螺線形繞法更優(yōu)良的溫度特性，但因?qū)嶋H繞制過程中非理想因素的影 響，仍不能完全消除環(huán)境溫度變化引起的誤差。所以一方面要減少繞制過程中的非理想因 素，另一方面除繞制方法外，還需仔細(xì)設(shè)計(jì)光纖陀螺線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料以減小熱應(yīng)力的
3影響，從而提高光纖陀螺的溫度性能。 此外，光線陀螺線圈繞制過程中的光纖扭轉(zhuǎn)會在光纖中產(chǎn)生附加圓雙折射，當(dāng)其 與環(huán)境磁場結(jié)合時(shí)，會由法拉第效應(yīng)引起光纖陀螺的偏置磁場靈敏度，限制系統(tǒng)使用環(huán)境。 所以，在線圈加工過程中必須控制光纖的扭轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有的光纖陀螺線圈加工技術(shù)或尚未對扭 轉(zhuǎn)采取有效措施，或在線圈繞制的同時(shí)控制光纖的扭轉(zhuǎn)。后者因與繞制同步進(jìn)行，使用光學(xué) 手段很難實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)時(shí)有效控制圓形截面光纖的扭轉(zhuǎn)量。所以，要想解決線圈中光纖的扭 轉(zhuǎn)問題，還需對線圈加工過程進(jìn)行改善。 最后，由于光纖的圓形截面，在光纖陀螺線圈繞制過程中經(jīng)常會發(fā)生"凹陷"現(xiàn)象， 即上層光纖某段陷入下層光纖縫隙中。這種現(xiàn)象對四極子繞法等各種對稱繞法的影響是巨 大的，因?yàn)?凹陷"的發(fā)生破壞了對稱段光纖的環(huán)境一致性，大大削弱了各種對稱繞法帶來 的好處。此外，"凹陷"的發(fā)生還會引起局部應(yīng)力突變，與環(huán)境因素結(jié)合進(jìn)一步惡化光線陀螺 線圈的環(huán)境性能?，F(xiàn)有的解決該問題的方法為在繞制每層光纖后即涂膠固化，但因工作效 率低下而得不到廣泛應(yīng)用。因此，為高效解決線圈繞制過程中的"凹陷"問題，同樣需要對 繞制過程的改進(jìn)設(shè)計(jì)。 總之，光纖陀螺線圈的振動(dòng)、溫度、磁場等環(huán)境性能是制約光纖陀螺應(yīng)用的主要因 素，繞制過程中的光纖扭轉(zhuǎn)及"凹陷"進(jìn)一步惡化了其環(huán)境性能。目前有各種改善上述性能 的方法存在，但尚未將問題完全解決，且尚無能對光纖陀螺線圈的振動(dòng)、溫度、磁場性能同 時(shí)提高的有效方法。例如為提高線圈振動(dòng)性能采用的高楊氏模量的封裝材料因其低線膨脹 系數(shù)，將通過熱應(yīng)力對線圈的溫度性能有顯著影響。所以，尋找一種能同時(shí)改善線圈的振動(dòng) 溫度性能且能有效控制線圈中光纖扭轉(zhuǎn)及"凹陷"的方法是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對已有光纖陀螺線圈加工方法不能同時(shí)有效解決線圈振動(dòng)溫度敏感性及其光 纖扭轉(zhuǎn)與"凹陷"的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種以方形截面預(yù)制光纖繞制成的光纖陀 螺線圈，以有效控制線圈中光纖的扭轉(zhuǎn)與"凹陷"，降低振動(dòng)與溫度環(huán)境下線圈中光纖的時(shí) 變非對稱應(yīng)力，同時(shí)提高光纖陀螺的振動(dòng)溫度性能。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 光纖陀螺線圈由方形截面預(yù)制光纖逐層繞制到骨架上而成，某一預(yù)制光纖外表面 始終與線圈軸線平行。 所述方形截面預(yù)制光纖是在保偏或普通單模光纖外依次涂覆并固化緩沖層和加 強(qiáng)層而成；所述緩沖層截面外輪廓線為圓形；所述加強(qiáng)層截面外輪廓線為正方形。
本發(fā)明具有的有益效果是 (1)繞制線圈所用預(yù)制光纖截面為正方形，使得繞制過程中不易發(fā)生光纖"凹陷" 現(xiàn)象； (2)方形截面預(yù)制光纖自然控制了繞制過程中的光纖扭轉(zhuǎn)，只需在制作預(yù)制光纖 時(shí)控制扭轉(zhuǎn)便可，提高可操作性； (3)加強(qiáng)層提高線圈剛性，緩沖層降低對光纖的應(yīng)力傳遞效率，使得振動(dòng)在光纖處 產(chǎn)生應(yīng)力顯著減小，提高線圈振動(dòng)性能； (4)加強(qiáng)層降低線圈的熱膨脹程度，緩沖層降低對光纖的熱應(yīng)力傳遞效率，使得熱膨脹不匹配在光纖處產(chǎn)生熱應(yīng)力顯著減小，提高線圈溫度性能。


圖1是方形截面預(yù)制光纖繞制成的光纖陀螺線圈截面圖。
圖2是預(yù)制光纖截面圖。 圖中10、光纖陀螺線圈，11、預(yù)制光纖，12、封裝材料，13、保偏或普通單模光纖， 14、緩沖層，15、加強(qiáng)層，16、某一預(yù)制光纖外表面，17、骨架，18、線圈軸線。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明的光纖陀螺線圈10由一根連續(xù)預(yù)制光纖11使用四極子 繞法或其他為增強(qiáng)光纖陀螺互易性的對稱繞法逐層繞制到骨架17上而成，某一預(yù)制光纖 外表面16始終與線圈軸線18平行，光纖間隙可選擇適當(dāng)封裝材料12填充。
如圖2所示，預(yù)制光纖11是在保偏或普通單模光纖13外依次涂覆并固化緩沖層 14和加強(qiáng)層15而成；緩沖層14截面外輪廓線為圓形，由固化后楊氏模量很低、熱膨脹系數(shù) 與保偏或普通單模光纖13接近的軟材料組成，一種可選的材料為硅橡膠；加強(qiáng)層15截面外 輪廓線為正方形，由固化后楊氏模量很高、熱膨脹系數(shù)與骨架17接近的硬材料組成，一種 可選的材料為丙烯酸酯；緩沖層14與加強(qiáng)層15的厚度可根據(jù)不同材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
加工出如圖1所示的光纖陀螺線圈10的步驟為 (1)在保偏或普通單模光纖13外涂覆預(yù)定厚度的緩沖層14并固化，整個(gè)過程中保 證保偏或普通單模光纖13無扭轉(zhuǎn)； (2)在緩沖層14外涂覆預(yù)定尺寸的加強(qiáng)層15并固化，同樣保證在整個(gè)過程中保偏 或普通單模光纖13無扭轉(zhuǎn)； (3)使用固化完成的預(yù)制光纖11繞制光纖陀螺線圈IO，繞制過程中使某一預(yù)制光 纖外表面16始終與線圈軸線18平行，繞制過程中或完成后可在光纖間隙中使用封裝材料 12粘接或填充并固化。 處于振動(dòng)環(huán)境中時(shí)，光纖陀螺線圈線圈10中產(chǎn)生隨時(shí)間變化的非對稱應(yīng)力，由光 彈效應(yīng)引起光纖陀螺線圈IO對振動(dòng)的敏感。加強(qiáng)層15的存在因其高楊氏模量提高了光纖 陀螺線圈10的諧振頻率，從而降低了在所需工作頻率范圍內(nèi)光纖陀螺線圈10的平均應(yīng)力。 同時(shí)，緩沖層14因其低楊氏模量的柔軟特性，在光纖陀螺線圈10的平均應(yīng)力一定的條件下 降低了對保偏或普通單模光纖13的應(yīng)力傳遞效率，即吸收了部分振動(dòng)引起的應(yīng)力，減小了 玻璃纖芯處所受應(yīng)力。又因?qū)鈴椥?yīng)有影響的僅為纖芯應(yīng)力，所以這種結(jié)構(gòu)有效降低了 因光彈效應(yīng)引起的光纖陀螺線圈IO對振動(dòng)的敏感性，提高了光纖陀螺的振動(dòng)性能。此外， 因預(yù)制光纖11的正方形截面特性，各層各匝光纖段之間的平面相鄰比圓形截面光纖段的 柱面相鄰更有利于加工過程中封裝材料12的涂覆與厚度控制，因封裝材料12的合理使用 也可提高光纖陀螺線圈10的振動(dòng)性能，所以預(yù)制光纖11的正方形截面特性為使用封裝材 料12提高光纖陀螺線圈10的振動(dòng)性能提供了有利條件。 環(huán)境溫度變化時(shí)，由于光纖陀螺線圈10內(nèi)各組分或線圈與骨架17之間的熱膨脹 性能不匹配，在光纖陀螺線圈10中產(chǎn)生隨時(shí)間變化的非對稱熱應(yīng)力，進(jìn)而由光彈效應(yīng)引起 光纖陀螺線圈10的溫度敏感性。加強(qiáng)層15因其熱膨脹系數(shù)與骨架17相近，所以降低了光纖陀螺線圈10的等效熱膨脹系數(shù)，減小了光纖陀螺線圈10與骨架17之間因熱膨脹系數(shù)不 匹配引起的熱應(yīng)力；同時(shí)緩沖層14因其熱膨脹系數(shù)與保偏或普通單模光纖13相近，所以減 小了此間因熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力。此外，與振動(dòng)環(huán)境中相似，緩沖層14因其低 楊氏模量的柔軟特性，降低了其他組分對保偏或普通單模光纖13的熱應(yīng)力傳遞效率，減小 了對光彈效應(yīng)起作用的纖芯處熱應(yīng)力，從而降低了熱應(yīng)力引起的光纖陀螺線圈10的溫度 敏感性，提高了光纖陀螺的溫度性能。 此外，對光纖陀螺中引起偏置磁場靈敏度的法拉第效應(yīng)分析表明，光纖陀螺線圈 10中光纖扭轉(zhuǎn)等引起的圓雙折射是產(chǎn)生法拉第相位誤差的主要原因。本發(fā)明提出的光纖陀 螺線圈的加工步驟中，首先保證涂覆固化緩沖層14與加強(qiáng)層15時(shí)保偏或普通單模光纖13 無扭轉(zhuǎn)，其次在繞制線圈的過程中使某一預(yù)制光纖外表面16始終與線圈軸線18平行，利用 形狀特征方便控制預(yù)制光纖11無扭轉(zhuǎn)。將控制保偏或普通單模光纖13無扭轉(zhuǎn)與光纖陀螺 線圈10的繞制過程分離，使光纖扭轉(zhuǎn)控制在工程上實(shí)現(xiàn)難度降低，為提高光纖陀螺的磁場 性能提供有利條件。 最后，在普遍使用的圓形截面光纖繞制過程中，因下層光纖表面凹凸不平，所繞光 纖段容易受到沿線圈軸線18方向的分力，使其很容易滑落到下層光纖間隙中，當(dāng)下層光纖 位置還未使用封裝材料固定或此間隙較大時(shí)，便會產(chǎn)生光纖段的"凹陷"現(xiàn)象。光纖陀螺線 圈加工過程中的"凹陷"現(xiàn)象是四極子等對稱繞法在工程化應(yīng)用方面的嚴(yán)重障礙。本發(fā)明 提出的光纖陀螺線圈10因采用的預(yù)制光纖11具有正方形截面特性，且繞制過程中使其某 一預(yù)制光纖外表面16始終與線圈軸線18平行，所以每繞一匝光纖時(shí)始終基于之前繞制光 纖段的某一預(yù)制光纖外表面16或與其平行外表面組成的平面，該匝光纖受到的力沒有沿 線圈軸線18方向的分力，使其很難滑入下層光纖間隙中。"凹陷"的避免充分發(fā)揮了四極子 等對稱繞法在光纖陀螺線圈10的環(huán)境性能提高方面的優(yōu)勢。 總之，本發(fā)明在保偏或普通單模光纖13外依次緩沖層14與加強(qiáng)層15，顯著提高了 光纖陀螺線圈10的振動(dòng)與溫度性能；加強(qiáng)層15的正方形截面特性，有效控制了線圈繞制過 程中保偏或普通單模光纖13的扭轉(zhuǎn)與"凹陷"，為提高光纖陀螺線圈10的磁場性能與四極 子等對稱繞法的實(shí)現(xiàn)提供了有利條件。
權(quán)利要求
一種以方形截面預(yù)制光纖繞制成的光纖陀螺線圈，其特征在于光纖陀螺線圈(10)由方形截面預(yù)制光纖(11)逐層繞制到骨架(17)上而成，某一預(yù)制光纖外表面(16)始終與線圈軸線(18)平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以方形截面預(yù)制光纖繞制成的光纖陀螺線圈，其特征在于所述方形截面預(yù)制光纖(11)是在保偏或普通單模光纖(13)外依次涂覆并固化緩沖層 (14)和加強(qiáng)層(15)而成；所述緩沖層(14)截面外輪廓線為圓形；所述加強(qiáng)層(15)截面外輪廓線為正方形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以方形截面預(yù)制光纖繞制成的光纖陀螺線圈。光纖陀螺線圈由方形截面預(yù)制光纖逐層繞制到骨架上而成，某一預(yù)制光纖外表面始終與線圈軸線平行。所述方形截面預(yù)制光纖是在保偏或普通單模光纖外依次涂覆固化截面外輪廓線為圓形的緩沖層和截面外輪廓線為正方形的加強(qiáng)層而成。繞制線圈采用預(yù)制光纖截面為正方形，使得繞制過程中不易發(fā)生光纖“凹陷”現(xiàn)象，控制了繞制過程中的光纖扭轉(zhuǎn)；加強(qiáng)層提高線圈剛性，緩沖層降低對光纖的應(yīng)力傳遞效率，使得振動(dòng)在光纖處產(chǎn)生應(yīng)力顯著減小，提高線圈振動(dòng)性能；加強(qiáng)層降低線圈的熱膨脹程度，緩沖層降低對光纖的熱應(yīng)力傳遞效率，使得熱膨脹不匹配在光纖處產(chǎn)生熱應(yīng)力顯著減小，提高線圈溫度性能。
文檔編號G01C19/72GK101706279SQ200910153718
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者劉承, 劉瑞, 舒曉武 申請人:浙江大學(xué)