[发明专利]以方形截面预制光纤绕制成的光纤陀螺线圈

说明书

技术领域

本发明涉及光纤陀螺线圈，尤其涉及一种以方形截面预制光纤绕制成的光纤陀螺线圈。

背景技术

干涉式光纤陀螺仪是基于萨格奈克(Sagnac)效应的一种旋转角速率传感器，其最小互易性结构包括以下几部分：一个光源，一个探测器，一个光纤定向耦合器，一个偏振器(有时包括一个或多个消偏器)，一个集成光学Y波导，一个由保偏光纤或普通单模光纤绕制成的光纤传感线圈。光源发出的光经过耦合器，由Y波导分成沿线圈正反两方向传输的光，经过线圈后两束光由Y波导耦合并经过耦合器在探测器的接收端形成干涉。线圈旋转时，两束光经历的光程不同，探测器接收到的干涉光强随之变化，由此检测与线圈固定平台的旋转角速率。

光纤陀螺具有高可靠、长寿命、快速启动、大动态范围等一系列优点。光纤陀螺的全固态结构，使其比以前采用的机械转子或气体环形激光器的方案具有更重要的优势。但是，环境因素仍然可以通过改变光纤线圈中正反两束光的相位差来影响光纤陀螺的输出。当这些环境因素随时间变化且在整段光纤中不对称分布时，沿光纤正反两方向传输的光将经历不同的相位，产生与线圈旋转无关的相移，这个相移与旋转引起的萨格奈克相移无法区分从而造成系统误差。

处于振动环境中时，光纤陀螺线圈内部尤其是与骨架接触处产生由振动引起的时变应力，此应力不对称分布，通过光弹效应导致正反两束光的光程差，从而引起光纤陀螺线圈的振动敏感性。由于使用环境的需要，光纤陀螺的振动敏感性一直是急需解决的重要问题。现有的降低光纤陀螺线圈振动敏感性的方法为进行合理的机械设计，同时采用固化后杨氏模量大的封装材料以确保线圈良好的坚固性。合理的机械设计可避免结构带来的线圈谐振，固化后杨氏模量大的封装材料可提高线圈本身的谐振频率，但杨氏模量大的封装材料将其他位置的振动应力传递给光纤的效率也高，由于线圈的振动敏感性主要由光纤所受应力引起，所以高应力传递效率削弱了高谐振频率带来的好处。由此可见，要想提高光纤陀螺线圈的振动敏感性，只采用上述方法还远远不够，需要寻找其他对降低线圈中光纤内部振动应力更有效的方法。

环境温度变化时，除在光纤中存在时变非对称温度场外，光纤陀螺线圈与骨架之间的热膨胀性能不匹配将导致光纤中存在附加热应力，这种附加热应力同样时变非对称，从而造成光纤陀螺的温度敏感性。光纤陀螺的温度敏感性已成为制约其广泛应用的主要因素。现有的普遍应用的降低光纤陀螺温度敏感性的方法为使用各种为增强互易性的对称绕法使光纤中温度场及附加热应力分布尽量对称。例如使用四极子绕法绕制的光纤陀螺线圈已显示出比原有螺线形绕法更优良的温度特性，但因实际绕制过程中非理想因素的影响，仍不能完全消除环境温度变化引起的误差。所以一方面要减少绕制过程中的非理想因素，另一方面除绕制方法外，还需仔细设计光纤陀螺线圈内部结构及材料以减小热应力的影响，从而提高光纤陀螺的温度性能。

此外，光线陀螺线圈绕制过程中的光纤扭转会在光纤中产生附加圆双折射，当其与环境磁场结合时，会由法拉第效应引起光纤陀螺的偏置磁场灵敏度，限制系统使用环境。所以，在线圈加工过程中必须控制光纤的扭转。现有的光纤陀螺线圈加工技术或尚未对扭转采取有效措施，或在线圈绕制的同时控制光纤的扭转。后者因与绕制同步进行，使用光学手段很难实时监测实时有效控制圆形截面光纤的扭转量。所以，要想解决线圈中光纤的扭转问题，还需对线圈加工过程进行改善。

最后，由于光纤的圆形截面，在光纤陀螺线圈绕制过程中经常会发生“凹陷”现象，即上层光纤某段陷入下层光纤缝隙中。这种现象对四极子绕法等各种对称绕法的影响是巨大的，因为“凹陷”的发生破坏了对称段光纤的环境一致性，大大削弱了各种对称绕法带来的好处。此外，“凹陷”的发生还会引起局部应力突变，与环境因素结合进一步恶化光线陀螺线圈的环境性能。现有的解决该问题的方法为在绕制每层光纤后即涂胶固化，但因工作效率低下而得不到广泛应用。因此，为高效解决线圈绕制过程中的“凹陷”问题，同样需要对绕制过程的改进设计。

总之，光纤陀螺线圈的振动、温度、磁场等环境性能是制约光纤陀螺应用的主要因素，绕制过程中的光纤扭转及“凹陷”进一步恶化了其环境性能。目前有各种改善上述性能的方法存在，但尚未将问题完全解决，且尚无能对光纤陀螺线圈的振动、温度、磁场性能同时提高的有效方法。例如为提高线圈振动性能采用的高杨氏模量的封装材料因其低线膨胀系数，将通过热应力对线圈的温度性能有显著影响。所以，寻找一种能同时改善线圈的振动温度性能且能有效控制线圈中光纤扭转及“凹陷”的方法是非常重要的。

发明内容