專利名稱：用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)及繞制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)及繞制方法，涉及光纖傳感、光纖陀螺、繞纖技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于振動、溫度條件苛刻的慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種用來檢測載體運動角速率的傳感器，利用光學上的薩格奈克效應(yīng)與光纖傳輸原理，克服了機電陀螺與激光陀螺的一系列缺點，具有全固態(tài)、可靠性高、動態(tài)范圍大、頻帶寬、體積小、振動性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、石油勘探等領(lǐng)域。光纖陀螺作為光機電一體化的傳感器，在精度要求越來越高的情況下，振動與溫度對性能的影響是不可忽視的。首先，作為敏感元件的光纖線圈，在振動條件下會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，同時溫度變化也會使內(nèi)部溫度分布不均勻，進而產(chǎn)生“非互易性”相移，導(dǎo)致陀螺輸出誤差；其次，光纖線圈的骨架結(jié)構(gòu)也會隨著振動條件與溫度的變化發(fā)生變形，進而擠壓到光纖線圈，從而產(chǎn)生誤差。因此，對光纖陀螺中是光纖線圈技術(shù)進行研究與改進是保證光纖陀螺具有聞精度與聞穩(wěn)定性的關(guān)鍵。目前的光纖線圈繞制多采用四極對稱繞法，雖然在光纖長度上實現(xiàn)了光路互易， 但溫變環(huán)境會產(chǎn)生空間的溫度梯度，導(dǎo)致光路在溫度調(diào)制下出現(xiàn)非互易誤差。另外，固定線圈的光纖環(huán)骨架結(jié)構(gòu)多是“工”字形結(jié)構(gòu)，上下兩邊及中間的骨架結(jié)構(gòu)會對光纖線圈產(chǎn)生約束，在振動條件與溫度變化時，會對線圈產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，導(dǎo)致光纖線圈內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力；有些骨架結(jié)構(gòu)采用去上沿的單邊接觸形式，雖然減小了熱應(yīng)力，卻又產(chǎn)生了接觸側(cè)與非接觸側(cè)的熱流密度差異，導(dǎo)致溫度場分布不均勻，從而產(chǎn)生誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)及繞制方法。一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，包括光纖環(huán)骨架(I)，光纖環(huán)骨架(I)包括繞纖柱(101)、中間法蘭(102)；繞纖柱(101)外圍設(shè)有中間法蘭(102)，中間法蘭(102)上有過纖豁口 (110)，過纖豁口(110)的對稱位置處，在繞纖柱(101)和中間法蘭(102)上設(shè)有橫向貫通的喇叭孔， 在中間法蘭(102)上形成了出纖口(111)。一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制方法，包括以下幾個步驟步驟一將光纖的中點位于光纖環(huán)的過纖豁口(110)處；步驟二 光纖繞制；將光纖的正方向通過過纖豁口(110)向上繞制，繞制兩層后回到過纖豁口(110) 處，光纖的反方向通過過纖豁口(110)向下繞制，繞制兩層后回到過纖豁口(110)，將兩個方向的光纖在過纖豁口(110)處交叉，正方向光纖交換為向下繞制，繞制兩層后回到過纖豁口(110)，反方向光纖交換為向上繞制，繞制兩層后回到過纖豁口(110)，重復(fù)進行，直到光纖繞制完畢；步驟三將光纖引入出纖口(111)；最終，繞制完畢后，光纖的兩端通過出纖口(111)引入光纖環(huán)的繞纖柱(101)內(nèi)部。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)相對光路中點對稱的任意兩處光纖始終在同一個圓柱側(cè)面上。(2)相對光路中點對稱的兩側(cè)光纖等長。(3)避免了四極繞法時每四層光纖的第一層向第四層的疊纖。(4)通過交叉，兩側(cè)線圈均含有相同長度的正反向光纖，從而使得軸向與徑向的溫度梯度對光纖產(chǎn)生的溫度調(diào)制相等。(5)光纖線圈分為上下兩部分，兩部分均有一側(cè)無結(jié)構(gòu)約束，在振動與溫度變化的條件下不會受到擠壓。(6)兩部分光纖線圈與骨架的中間法蘭接觸，使熱流沿中間向兩側(cè)線圈傳輸，實現(xiàn)對稱的溫度梯度。(7)光纖環(huán)骨架結(jié)構(gòu)部分設(shè)計了對稱布局的四個凸耳，其中三個凸耳上有縱向通孔作為固定孔，另外一個凸耳有橫向喇叭孔作為中間法蘭的出纖口，出纖口外側(cè)面向兩邊倒圓角，使得光纖線圈的正反兩個方向的光纖經(jīng)過圓角并匯合后從出纖口引出，無應(yīng)力突變，且方便熔接。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的光纖環(huán)骨架的結(jié)構(gòu)圖2A是圖2的A向視圖2B是圖2的中間法蘭位置的剖面圖3是本發(fā)明的上下對稱交叉繞制方法示意圖。
圖4是本發(fā)明的方法流程圖中
I-光纖環(huán)骨架2-上層光纖線圈3-下層光纖線圈
101-繞纖柱102-中間法蘭103-內(nèi)壁
104-A凸耳105-B凸耳106-C凸耳
107-D凸耳108-A過纖斜面109-B過纖斜面
110-過纖豁口111-出纖口
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明是一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖I、圖2所示， 包括光纖環(huán)骨架I。光纖環(huán)骨架I如圖2、圖2A、圖2B所示，包括繞纖柱101、中間法蘭102、A凸耳104、B凸耳105、C凸耳106和D凸耳107。繞纖柱101外圍設(shè)有中間法蘭102，中間法蘭102上設(shè)有A過纖斜面108和B過纖斜面109，A過纖斜面108和B過纖斜面109之間形成過纖豁口 110。繞纖柱101的內(nèi)壁103上均布3個凸耳，分別為A凸耳104、B凸耳105和C凸耳 106，三個凸耳呈120度分布，B凸耳105位于內(nèi)壁103對應(yīng)過纖豁口 110位置，A凸耳104、 B凸耳105和C凸耳106上設(shè)有縱向通孔，分別為A通孔112、B通孔113、C通孔114，作為固定孔。在A凸耳104、C凸耳106中間設(shè)有D凸耳107，D凸耳107內(nèi)部設(shè)有橫向喇叭孔， 橫向喇叭孔的出口設(shè)置在中間法蘭102上，在中間法蘭102上形成了出纖口 111，出纖口 111外側(cè)面向兩邊倒圓角，使得光纖線圈的正反兩個方向的光纖經(jīng)過圓角并匯合后從出纖口 111引出至繞纖柱101內(nèi)部，無應(yīng)力突變，且方便熔接。如圖3所示(圖3為示意圖，繞制的匝數(shù)根據(jù)光纖長度由用戶確定)，光纖的中點位于過纖豁口 110，光纖的正方向通過過纖豁口 110向上繞制兩層后回到過纖豁口 110(圖中，白色線圈表示正向光纖，正向第I匝光纖至圖中正向第16匝光纖為繞制兩層后回到過纖豁口 110)，光纖的反方向通過過纖豁口 110向下繞制兩層后回到過纖豁口 110(圖中，黑色線圈表示反向光纖，反向第I匝光纖至圖中反向第16匝光纖為繞制兩層后回到過纖豁口 110)，兩個方向的光纖在過纖豁口 110交叉，正方向光纖交換為向下繞制，反方向光纖交換為向上繞制，重復(fù)進行，光纖的兩端通過出纖口 111引入繞纖柱101內(nèi)部，中間法蘭102上端的光纖形成上層光纖線圈2，中間法蘭102下端的光纖形成下層光纖線圈3。光纖環(huán)骨架I將光纖線圈分為上層光纖線圈2、下層光纖線圈3兩部分，兩部分均有一側(cè)端面與骨架的中間法蘭102結(jié)構(gòu)接觸，而另外一側(cè)無結(jié)構(gòu)約束，呈自由狀態(tài)，在振動與溫度變化的條件下不會受到擠壓。中間法蘭102與兩部分線圈接觸，在起到固定支承作用的同時，使溫度梯度在兩部分線圈對稱分布。結(jié)合上下對稱的交叉繞法，使光路不但實現(xiàn)長度的對稱，還實現(xiàn)了溫度梯度的對稱。由理論分析及實驗測試可知，這種光纖線圈的性能優(yōu)異。本發(fā)明的一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制方法，流程如圖4所示，包括以下幾個步驟步驟一將光纖的中點位于光纖環(huán)的過纖豁口 110處；步驟二 光纖繞制；將光纖的正方向通過過纖豁口 110向上繞制，繞制兩層后回到過纖豁口 110處，光纖的反方向通過過纖豁口 110向下繞制，繞制兩層后回到過纖豁口 110，將兩個方向的光纖在過纖豁口 110處交叉，正方向光纖交換為向下繞制，繞制兩層后回到過纖豁口 110，反方向光纖交換為向上繞制，繞制兩層后回到過纖豁口 110，重復(fù)進行，直到光纖繞制完畢；步驟三將光纖引入出纖口 111 ;最終，繞制完畢后，光纖的兩端通過出纖口 111引入光纖環(huán)的繞纖柱101內(nèi)部。光纖引入內(nèi)壁103后，與內(nèi)部的集成光學調(diào)制器連接。兩端光纖通過出纖口 111后，兩端合在一起，然后同時并同向的盤繞余下的兩根尾纖，與集成光學調(diào)制器的兩端進行熔接，可以保證兩根尾纖長度相同，保證正向與反向的尾纖受到同樣的溫度與振動影響，從而提高陀螺精度。
權(quán)利要求
1.一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括光纖環(huán)骨架(I)，光纖環(huán)骨架(I)包括繞纖柱(101)、中間法蘭(102)；繞纖柱(101)外圍設(shè)有中間法蘭(102)，中間法蘭(102)上有過纖豁口(110)，過纖豁口(110)的對稱位置處，在繞纖柱(101)和中間法蘭(102)上設(shè)有橫向貫通的喇叭孔，在中間法蘭(102)上形成了出纖口(111)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的中間法蘭(102)上設(shè)有A過纖斜面(108)和B過纖斜面(109)，A過纖斜面 (108)和B過纖斜面(109)之間形成過纖豁口(110)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的光纖環(huán)結(jié)構(gòu)還包括A凸耳(104)、B凸耳(105)、C凸耳(106)和D凸耳(107)；繞纖柱(101)的內(nèi)壁(103)上均布3個凸耳，分別為A凸耳(104)、B凸耳(105)和C 凸耳(106)，A凸耳(104)、B凸耳(105)和C凸耳(106)上設(shè)有縱向通孔，分別為A通孔 (112)、B通孔(113)、C通孔(114)，作為固定孔，B凸耳(105)位于內(nèi)壁(103)對應(yīng)過纖豁口(110)位置，在A凸耳(104)、C凸耳(106)中間設(shè)有D凸耳(107)，D凸耳(107)內(nèi)部設(shè)有橫向通孔，D凸耳(107)、內(nèi)壁(103)、中間法蘭(102)連通形成橫向喇叭孔，橫向喇叭孔的出口設(shè)置在中間法蘭(102)上，形成過纖豁口(110)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或者3所述的一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述的出纖口(111)外側(cè)面向兩邊倒圓角，使得光纖線圈的正反兩個方向的光纖經(jīng)過圓角并匯合后從出纖口(111)引出。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的中間法蘭(102)上端形成上層光纖線圈(2)，中間法蘭(102)下端形成下層光纖線圈(3)，具體為光纖的中點位于過纖豁口(110)，光纖的正方向通過過纖豁口(110)向上繞制兩層后回到過纖豁口(110)，光纖的反方向通過過纖豁口(110)向下繞制兩層后回到過纖豁口(110)，兩個方向的光纖在過纖豁口(110)交叉，正方向光纖交換為向下繞制， 反方向光纖交換為向上繞制，重復(fù)進行，光纖的兩端通過出纖口(111)引入繞纖柱(101)內(nèi)部，中間法蘭(102)上端的光纖形成上層光纖線圈(2)，中間法蘭(102)下端的光纖形成下層光纖線圈(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的光纖繞制的匝數(shù)根據(jù)光纖長度由用戶確定。
7.一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制方法，其特征在于，包括以下幾個步驟步驟一將光纖的中點位于光纖環(huán)的過纖豁口(110)處；步驟二 光纖繞制；將光纖的正方向通過過纖豁口(110)向上繞制，繞制兩層后回到過纖豁口(110)處， 光纖的反方向通過過纖豁口(110)向下繞制，繞制兩層后回到過纖豁口(110)，將兩個方向的光纖在過纖豁口(110)處交叉，正方向光纖交換為向下繞制，繞制兩層后回到過纖豁口 (110)，反方向光纖交換為向上繞制，繞制兩層后回到過纖豁口(110)，重復(fù)進行，直到光纖繞制完畢；步驟三將光纖引入出纖口(111)；最終，繞制完畢后，光纖的兩端通過出纖口(111)引入光纖環(huán)的繞纖柱(101)內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，包括光纖環(huán)骨架，光纖環(huán)骨架包括繞線柱、中間法蘭；繞線柱外圍設(shè)有中間法蘭，中間法蘭上有過纖豁口，過纖豁口的對稱位置處，在繞線柱和中間法蘭上設(shè)有橫向貫通的喇叭孔，在中間法蘭上形成了出纖口。一種用于光纖陀螺的上下對稱交叉繞制方法，包括以下幾個步驟步驟一將光纖的中點位于光纖環(huán)的過纖豁口處；步驟二光纖繞制；步驟三將光纖引入出纖口。本發(fā)明中，光纖線圈分為上下兩部分，兩部分均有一側(cè)無結(jié)構(gòu)約束，在振動與溫度變化的條件下不會受到擠壓；通過交叉，兩側(cè)線圈均含有相同長度的正反向光纖，從而使得軸向與徑向的溫度梯度對光纖產(chǎn)生的溫度調(diào)制相等。
文檔編號G01C19/72GK102607548SQ20121004389
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者宋凝芳, 李彥, 賈明 申請人:北京航空航天大學