專利名稱：填料的光纖陀螺傳感線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺儀。尤其涉及一種針對有關(guān)偏差穩(wěn)定性的溫度變化導(dǎo)致的光學(xué)長度不對稱效應(yīng)的傳感器線圈設(shè)計。
干涉型光纖陀螺包括下列主要組件(1)一個光源，(2)兩個用于滿足“最小互易結(jié)構(gòu)”所需的分束器(光纖定向耦合器和/或集成光學(xué)Y形交叉)(S.Ezekiel and M.J.Arditty，光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，NewYork,Springer-Verlag p.2-26 1982),(3)一個由保偏光纖(PM)或低雙折射光纖制作的光纖傳感器線圈，(4)一個偏振器(有時還有一個或多個去偏器)，和(5)一個探測器。從光源發(fā)出的光被環(huán)形分束器分成在傳感線圈中以正向和反向傳播的波。配套的電子設(shè)備測得從線圈兩端發(fā)出的兩束以相反方向傳播的相干光之間的相位關(guān)系。兩束光所經(jīng)歷的相移間的差與固定設(shè)備的平臺的旋轉(zhuǎn)速率成比例，這是由于眾所周知的Sagnac效應(yīng)。
環(huán)境因素會影響兩束以相反方向傳播的光束之間的相移差的測量值，因而引入偏差。這樣的環(huán)境因素包括諸如溫度，振動(聲學(xué)的和機(jī)械的)和磁場等變量。一般來說，這些因素隨時間變化且在整個線圈中分布不均勻。這些環(huán)境因素在以相反方向傳播的每束光波通過線圈時所經(jīng)歷的光路中引起變化。兩束光波產(chǎn)生的相移是不相等的，這造成一個從旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的信號中難以識別的不期望的凈相移。
減少環(huán)境因素產(chǎn)生的偏差敏感性的一個方法一直與各種對稱線圈的纏繞結(jié)構(gòu)有關(guān)。在這種線圈中，繞組被排列為的是當(dāng)線圈的兩端位于最外層時，線圈的幾何中心位于最內(nèi)層。
在“Sagnac干涉儀中非互易性的線性光源的補(bǔ)償”(FiberOptics and Laser Sensors I,Proc.SPIE Vol.412 P.268(1983))一文中，N.Frigo提出用一種特殊的纏繞方式來補(bǔ)償非互易性，而且，Bednarz的一篇名為“Fiber Optic Sensing Coil”的美國專利US4,793,708中講述了一種由雙極或四極纏繞形成的對稱光纖傳感線圈。該專利中描述的線圈顯示出比傳統(tǒng)的螺線型纏繞增強(qiáng)的性能。
Ivancevic的名為“Quadrupole-Wound Fiber Optic Sensing Coiland Method of Manufacture Thereof”的美國專利(US4,856,900)，講述了一種改進(jìn)的四極纏繞線圈，在這種線圈中，通過用連結(jié)層之間為了攀移的線匝的同心纏繞壁代替下述的翹起(pop-up)的光纖部分來消除由于末端凸緣附近的翹起(pop-up)的光纖部分的出現(xiàn)而產(chǎn)生的光纖折皺和微彎。上面提到的兩篇美國專利均屬本受讓人所有。
雖然適當(dāng)?shù)木€圈纏繞技術(shù)將光纖陀螺儀輸出中的某些偏差源的某些效應(yīng)降到最小，但不能徹底減小偏差。
陀螺儀偏差不穩(wěn)定性的很大一部分來自于纏繞線圈的光纖相對其中點的溫度變化導(dǎo)致光學(xué)長度不對稱(TCIOLA)。TCIOLA的最大部分來源于纏繞線圈內(nèi)熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力隨著溫度與聚合物固化溫度的背離而增加。(注意線圈名義上在聚合物固化溫度下是無應(yīng)力的。)雖然上述的纏繞技術(shù)通過有規(guī)則地排列線圈使得與纏繞光纖的中點等距離的光纖段彼此相鄰對TCIOLA引起的偏差效應(yīng)有某種減弱，但高精度的應(yīng)用，如持續(xù)長時間的飛機(jī)導(dǎo)航，需要更多地減少這些偏差因素。
現(xiàn)有技術(shù)中上述及其它缺點和不利之處在本發(fā)明中已有考慮，本發(fā)明的一個首要方面是為光纖陀螺提供一個傳感線圈。此線圈包含一條光纖。光纖被排列成多個同心柱層。每一層包括多匝光纖，每匝以預(yù)定的纏繞圖案排列。光纖包括一個含有硅的內(nèi)套和一種預(yù)定的填充材料。
第二方面，本發(fā)明提供一種為光纖陀螺儀制備傳感線圈的方法。該方法從形成一個具有預(yù)定泊松比的內(nèi)套的光纖開始。之后，該光纖被纏繞形成多個繞組層，根據(jù)預(yù)定的纏繞方式每層繞組包括多匝。
本發(fā)明前述的和其它的特點和優(yōu)點通過下列的詳細(xì)描述將變得更加明顯。這些描述附有一組附圖。附圖的標(biāo)號指的是本發(fā)明的各個特征，且與正文中的那些特征相對應(yīng)且在全文中用相同的標(biāo)號指示相同的特征。


圖1是本發(fā)明光纖陀螺儀傳感線圈的透視圖；圖2是傳感線圈層狀繞組典型部分的放大的橫截面圖；圖3是沿圖2中線3截取的一部分纏繞的傳感線圈放大圖；和圖4(a)和4(b)是由光纖纏繞的封裝的傳感線圈的每單位長度的光纖的光路長度應(yīng)變的曲線。其中，光纖的內(nèi)套分別由未填充的和填充的硅材料組成。
回過來看附圖，圖1是本發(fā)明傳感線圈10的透視圖。如前面所述，傳感線圈10提供了光纖陀螺儀系統(tǒng)的一個關(guān)鍵元件。在使用時，該元件被穩(wěn)固地固定在旋轉(zhuǎn)速率要進(jìn)行測定的平臺上。
傳感線圈10包括一個光纖12，光纖12被繞在支撐卷筒14上并做為一個接收從公共光源(未示出)發(fā)出的以相反方向傳播的一對光束的光導(dǎo)。圖1所示的支撐卷筒14包括末端凸緣，該末端凸緣的存在或不存在不成為所申請的發(fā)明的一部分。
圖2是光纖12的層狀繞組的主要部分的放大的橫截面圖。可以看到，光纖12的繞組可以封裝在粘結(jié)材料16基體中。一般來說，這種粘結(jié)材料16的存在對陀螺儀提供多項益處。這些優(yōu)點包括提高線圈纏繞的精度。也就是說這些粘結(jié)封裝材料16可被利用并逐層固化，使得對連續(xù)的多層的纏繞呈現(xiàn)光滑的表面。這種纏繞環(huán)境提高了對所得線圈幾何結(jié)構(gòu)的控制，這其中幾何結(jié)構(gòu)包括一些重要因素，如光纖之間的間隔，每一層的匝數(shù)和每個線圈的層數(shù)，而且這種纏繞環(huán)境還把纏繞缺陷如“丟匝”等減到最小。
可用多種制造方法制作線圈，在線圈中，把線匝或繞組嵌入粘結(jié)封裝材料的基體中。例如，使用注射型分散器注入粘結(jié)劑然后進(jìn)行固化的方法。這樣的方法確保了連續(xù)層的繞組呈現(xiàn)光滑的表面。允許迅速硬化的紫外線固化型粘結(jié)劑最適合用于這種方法。
其它制造方法包括烘干線圈繞組之后，真空注入一種極低粘滯度的粘結(jié)劑。一種可供選擇的濕纏繞技術(shù)是在纏繞線圈時使用一種熱固型粘結(jié)劑。在纏繞期間粘結(jié)劑并不固化(為液體形式)。線圈纏繞好后再進(jìn)行熱固化。
圖3是沿圖2中線段3看去時纏繞線圈的一部分放大圖。該圖顯示了限于光纖18主要部分的詳細(xì)的橫截面圖，該光纖18的線匝形成纏繞線圈的層。參照該詳細(xì)的橫截面圖可以發(fā)現(xiàn)，光纖18包括一個玻璃成份的中心元件，該元件包括一個芯20和一個包層22。芯20的玻璃的折射率大于包層22的折射率，這樣來限制導(dǎo)向光穿過光纖中心的軸向路徑。這樣限定的路徑是以導(dǎo)向光基本上不會泄進(jìn)周圍的光纖套中為條件的(下面將討論)。典型玻璃元件的直徑在80μm的范圍內(nèi)。
內(nèi)套24的使用緩解了中心元件在被纏繞或曝露在尖銳邊緣時所受的側(cè)應(yīng)力。硅材料被用來做大約30μm的典型厚度的內(nèi)套24?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)硅適于做內(nèi)套，這是由于它具有合乎要求的緩沖作用及由此的保護(hù)特性和對濕玻璃的作用。此材料是以聚合物為基礎(chǔ)的，該聚合物的主要成分是鏈結(jié)的硅一氧一硅原子。由此可見，該材料在化學(xué)上不同于有機(jī)材料，有機(jī)材料主要是以碳-碳原子為主要成份鏈結(jié)而成的聚合物。
使用外套或外殼26是因為摩擦阻力。外套26由丙烯酸鹽如環(huán)氧丙烯酸鹽或聚氨基甲酸酯丙烯酸鹽形成，典型厚度約為12.5μm。另外，在某些應(yīng)用中僅使用單層的丙烯酸鹽外套。但是，含有內(nèi)套24通常是重要的，因為在許多應(yīng)用中存在許多小半徑線匝，需要一種軟化介質(zhì)來保護(hù)光導(dǎo)玻璃元件免受損害同時使能導(dǎo)致偏振非互易性(PNR)偏差的偏振交叉耦合降低。
丙烯酸鹽材料具有大約0.4的泊松比(Poisson ratio)，但大部分聚合物的泊松比，包括硅，超過0.48，以致于可達(dá)到大約0.499。
材料的體積模量(對三維壓縮的剛度)B為B=E/3(1-2ν)(1)此處，E是材料的楊氏模量，ν是材料的泊松比。
從上式可以知道，當(dāng)泊松比ν接近0.5時，體積模量B接近無窮大。
對于熱膨脹系數(shù)為α的材料如硅其體積是有限的，由于溫度變化ΔT，這些材料的體積內(nèi)部各向同性的壓強(qiáng)變化ΔP為ΔP=3αΔTB=αΔT·E/(1-2ν)(2)與體積模量B的情況一樣，當(dāng)接近0.5時，壓強(qiáng)變得非常大。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)套24的軟橡膠硅被限定在強(qiáng)剛性玻璃纖維22和外套26之間時，內(nèi)套24要經(jīng)受這樣的應(yīng)力作用。體形變的這些抑制還受這樣一個事實的很深的影響，即在纏繞的陀螺儀傳感線圈中，每一匝纖維通常浸沒在多層繞組之間。因此，纏繞的線圈的結(jié)構(gòu)也對限制尺寸的變形有作用。本發(fā)明人還進(jìn)一步認(rèn)識到對具有相當(dāng)高的泊松比(0.5附近)的硅材料體形變的綜合抑制使得內(nèi)套24隨著溫度變化ΔT產(chǎn)生顯著水平的各向同性的壓強(qiáng)。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，通過將一部分體積的細(xì)粒的剛性填充材料填加到硅中置換普通橡膠硅的體積的一部分時，可以顯著降低內(nèi)套24的材料泊松比?；剡^來看上面的方程(2)，它表示相應(yīng)于溫度的變化ΔT，所產(chǎn)生的內(nèi)套各向同性壓強(qiáng)P在數(shù)量上顯著降低。
合適的填充材料包括碳黑，鋁，氧化鉿，氧化鎂，硅和鈦粉。這里所說的每一種材料，其特點在于有適當(dāng)?shù)偷摩梁挺椭?，以及對于低擴(kuò)張和強(qiáng)剛度其具有相對較大的E值。而且，上面所說的每一種填充材料還能夠加工成形，例如經(jīng)過濕的或干的加工處理形成顆粒尺寸適當(dāng)?shù)哪z體狀的或煙化狀。因為內(nèi)套24的厚度大約為20μm，所以最好使用直徑不超過1μm的珠或球形填充材料。
以上的分析和結(jié)論可通過圖4(a)和圖4(b)的曲線的比較來證實。這些曲線表示通過對封裝的陀螺儀傳感線圈的數(shù)學(xué)模擬計算所得的數(shù)據(jù)。圖4(a)曲線表示內(nèi)套包含未填充的硅材料的纏繞光纖每攝氏度的光路長度的應(yīng)變(ε0(s))。相反，圖4(b)曲線表示封裝的傳感線圈內(nèi)光纖的每攝氏度的光路長度的應(yīng)變，其中，封裝的傳感線圈由具有內(nèi)套的光纖形成的，根據(jù)本發(fā)明該內(nèi)套包含硅和供選擇的填充材料。
圖4(a)和圖4(b)所示的每條曲線表示封裝線圈的數(shù)據(jù)，該線圈包括18層的且每層有16匝光纖。在每種情況中，假定封裝組合物包含的材料泊松比為0.40，楊氏模量為1.07×107帕斯卡(Pascals),α每度(c)為2.1×10-4。假設(shè)在每種情況中內(nèi)套材料的楊氏模量為1.74×106帕斯卡，α為460×10-6/c。當(dāng)v因剛性填充物的填加而降低時，根據(jù)上面的方程2由于凈結(jié)果是壓強(qiáng)減少，所以E將升高而α將減少。
圖4(a)的數(shù)據(jù)，以不含填充物的硅作為內(nèi)套材料，是基于泊松比為0.4995，而圖4(b)的數(shù)據(jù)(硅材包含預(yù)選的填充物)是基于泊松比為O.460。后一種假設(shè)已由本發(fā)明人從實驗上證實，它表示了包含25％～35％碳黑填充物的硅材的一種合理近似。
結(jié)合起來看曲線，可以發(fā)現(xiàn)，從纏繞線圈的內(nèi)經(jīng)r1到外徑r2，每攝氏光路長度應(yīng)變ε0(s)從負(fù)值(表受壓)變到正值(表受拉)，最大應(yīng)變發(fā)生在鄰近纏繞線圈徑向邊緣處。在應(yīng)變經(jīng)歷從壓縮到拉伸的變遷的過程中，可以發(fā)現(xiàn)在接近繞組的中間處不發(fā)生應(yīng)變。比較曲線可以看到，在由含填充物和不含填充物的硅做內(nèi)套的光纖構(gòu)成的線圈中應(yīng)變之間的顯著差別。對于由不含填充物的硅構(gòu)成的線圈，當(dāng)光路長度應(yīng)變從內(nèi)徑r1處壓縮狀態(tài)時的2.35×10-5變到外徑r2處拉伸狀態(tài)時的2.55×10-5時，對于由包含填充物材料的纖維所纏繞的線圈相應(yīng)的光學(xué)長度應(yīng)變值僅在窄帶范圍變化即內(nèi)徑r1處壓縮狀態(tài)時0.25×10-5變到外徑r2處拉伸狀態(tài)時的0.4×10-5。這表示由于填充材料進(jìn)入纏繞光纖線圈的內(nèi)套，整個光路長度的應(yīng)變幾乎減少十倍。
以上討論的由溫度變化導(dǎo)致的光路不對稱性或TCIOLA造成的偏差θE，可如下表示θE=(nc2L/4NA)∫0L[(ε0(s))(1-2s/L)]ds(3)這里，θE=由于每攝氏度的應(yīng)變導(dǎo)致的偏差；nc=光纖芯的折射率；ε0(s)=距線圈末端距離為s處每攝氏度的光路長度應(yīng)變；s=距離線圈末端的光纖部分的長度L=光纖的總長度；N=纏繞線圈的匝數(shù)；和A=每匝的平均面積。
從方程(3)可以看到，光學(xué)偏差θE是光路長度應(yīng)變(如插圖4(a)和圖4(b)所示)的積分函數(shù)。因此，可以得知，可通過將適當(dāng)?shù)奶畛洳牧戏湃牍饫w的內(nèi)套中來實現(xiàn)這種偏差的顯著的降低。
因此，可以看出本發(fā)明提供的傳感線圈在由溫度變化導(dǎo)致光路不對稱帶來的偏差效應(yīng)減小的薄弱性方面有實質(zhì)性的改善。利用本發(fā)明的技術(shù)還可以在溫度ΔT顯著的環(huán)境下，進(jìn)一步提高光纖陀螺儀的精確性。這種環(huán)境經(jīng)常在需要高精度的應(yīng)用中存在，如在長時間遠(yuǎn)距離的航行中。
雖然本發(fā)明參照上述優(yōu)選實施例進(jìn)行描述，但并不僅限于此。更確切地說本發(fā)明盡管僅由下面一系列的權(quán)利要求限定，但與本發(fā)明等價的產(chǎn)品與方法均包括在本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用于光纖陀螺儀的傳感線圈，其特征在于包括(a)一種光纖；(b)所述的光纖被布置在多個同心圓柱層中；(c)所述的每一層包括多匝所述的光纖；(d)所述的每一匝被布置成一種預(yù)定的纏繞圖案；且(e)所述的光纖包括一個含有硅和預(yù)定填充材料的內(nèi)套。
2．按權(quán)利要求1所述的傳感線圈，其特征還在于所述的填充材料比所述的硅的可壓縮性小。
3．按權(quán)利要求2所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料是顆粒形式的。
4．按權(quán)利要求3所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料包括碳黑。
5．按權(quán)利要求3所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料包括鋁。
6．按權(quán)利要求3所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料包括氧化鉿。
7．按權(quán)利要求3所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料包括氧化鎂。
8．按權(quán)利要求3所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料包括硅。
9．按權(quán)利要求3所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料包括鈦粉。
10．按權(quán)利要求1所述的傳感線圈，還包括(a)由泊松比小于0.48的材料組成的所述的填充物；(b)一個包覆所述的光纖內(nèi)套的外套；和(c)由泊松比小于0.48的材料組成的所述的外套。
11．按權(quán)利要求10所述的傳感線圈，其特征在于該傳感線圈用封裝材料封裝。
12．按權(quán)利要求11所述的傳感線圈，其特征在于所述的外套由丙烯酸鹽材料組成。
13．按權(quán)利要求10所述的傳感線圈，其特征在于所述的填充材料包括選自碳黑、鋁、氧化鉿、氧化鎂、硅和鈦粉一組物質(zhì)的顆粒狀材料。
14．一種制造用于光纖陀螺儀的傳感線圈的方法，包括步驟(a)形成一個具有預(yù)定泊松比的內(nèi)套的光纖；然后，(b)纏繞所述的光纖，形成多個繞組層，每個所述的繞組層包括以預(yù)定的纏繞圖案纏繞的多匝光纖。
15．按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于形成光纖的步驟還包括形成含有填充物的硅材的內(nèi)套這一步驟。
16．按權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于形成內(nèi)套的步驟還包括步驟(a)選擇一種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)將所述的組合物放置到所述的光纖的玻璃波導(dǎo)中。
17．按權(quán)利要求16所述的方法，還包括用封裝材料封裝線圈的步驟。
18．按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于選擇填充材料的步驟包括從一組由碳黑、鋁、氧化鉿、氧化鎂、硅和鈦粉組成的材料中選取一種顆粒狀材料的步驟。
全文摘要
一種用于光纖陀螺儀的傳感線圈包括具有預(yù)定成分的內(nèi)套的光纖,這可以減少溫度變化引起的關(guān)于偏差穩(wěn)定性的光路不對稱性效應(yīng)。含有預(yù)定成分的填充材料與硅結(jié)合并放置到玻璃纖維中,形成內(nèi)套。調(diào)節(jié)內(nèi)套的成分以影響內(nèi)套的泊松比并從而降低纏繞線圈內(nèi)的各向同性熱感應(yīng)壓強(qiáng),致使降低溫度感應(yīng)光路長度的不對稱性并提高偏差的穩(wěn)定性。
文檔編號G02B6/00GK1215832SQ98103429
公開日1999年5月5日 申請日期1998年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月1日
發(fā)明者約翰·P·拉恩, 阿曼多·柯多瓦 申請人:利頓系統(tǒng)公司