专利名称：用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构及绕制方法
技术领域：
本发明是一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构及绕制方法，涉及光纤传感、光纤陀螺、绕纤技术领域，特别适用于振动、温度条件苛刻的惯导技术应用领域。
背景技术：
光纤陀螺是一种用来检测载体运动角速率的传感器，利用光学上的萨格奈克效应与光纤传输原理，克服了机电陀螺与激光陀螺的一系列缺点，具有全固态、可靠性高、动态范围大、频带宽、体积小、振动性能好等优点，被广泛应用于航天、航空、航海、石油勘探等领域。光纤陀螺作为光机电一体化的传感器，在精度要求越来越高的情况下，振动与温度对性能的影响是不可忽视的。首先，作为敏感元件的光纤线圈，在振动条件下会产生内部应力，同时温度变化也会使内部温度分布不均匀，进而产生“非互易性”相移，导致陀螺输出误差；其次，光纤线圈的骨架结构也会随着振动条件与温度的变化发生变形，进而挤压到光纤线圈，从而产生误差。因此，对光纤陀螺中是光纤线圈技术进行研究与改进是保证光纤陀螺具有闻精度与闻稳定性的关键。目前的光纤线圈绕制多采用四极对称绕法，虽然在光纤长度上实现了光路互易， 但温变环境会产生空间的温度梯度，导致光路在温度调制下出现非互易误差。另外，固定线圈的光纤环骨架结构多是“工”字形结构，上下两边及中间的骨架结构会对光纤线圈产生约束，在振动条件与温度变化时，会对线圈产生挤压现象，导致光纤线圈内部产生应力；有些骨架结构采用去上沿的单边接触形式，虽然减小了热应力，却又产生了接触侧与非接触侧的热流密度差异，导致温度场分布不均匀，从而产生误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构及绕制方法。一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，包括光纤环骨架(I)，光纤环骨架(I)包括绕纤柱(101)、中间法兰(102)；绕纤柱(101)外围设有中间法兰(102)，中间法兰(102)上有过纤豁口 (110)，过纤豁口(110)的对称位置处，在绕纤柱(101)和中间法兰(102)上设有横向贯通的喇叭孔， 在中间法兰(102)上形成了出纤口(111)。一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制方法，包括以下几个步骤步骤一将光纤的中点位于光纤环的过纤豁口(110)处；步骤二 光纤绕制；将光纤的正方向通过过纤豁口(110)向上绕制，绕制两层后回到过纤豁口(110) 处，光纤的反方向通过过纤豁口(110)向下绕制，绕制两层后回到过纤豁口(110)，将两个方向的光纤在过纤豁口(110)处交叉，正方向光纤交换为向下绕制，绕制两层后回到过纤豁口(110)，反方向光纤交换为向上绕制，绕制两层后回到过纤豁口(110)，重复进行，直到光纤绕制完毕；步骤三将光纤引入出纤口(111)；最终，绕制完毕后，光纤的两端通过出纤口(111)引入光纤环的绕纤柱(101)内部。本发明的优点在于(I)相对光路中点对称的任意两处光纤始终在同一个圆柱侧面上。(2)相对光路中点对称的两侧光纤等长。(3)避免了四极绕法时每四层光纤的第一层向第四层的叠纤。(4)通过交叉，两侧线圈均含有相同长度的正反向光纤，从而使得轴向与径向的温度梯度对光纤产生的温度调制相等。(5)光纤线圈分为上下两部分，两部分均有一侧无结构约束，在振动与温度变化的条件下不会受到挤压。(6)两部分光纤线圈与骨架的中间法兰接触，使热流沿中间向两侧线圈传输，实现对称的温度梯度。(7)光纤环骨架结构部分设计了对称布局的四个凸耳，其中三个凸耳上有纵向通孔作为固定孔，另外一个凸耳有横向喇叭孔作为中间法兰的出纤口，出纤口外侧面向两边倒圆角，使得光纤线圈的正反两个方向的光纤经过圆角并汇合后从出纤口引出，无应力突变，且方便熔接。
图I是本发明的结构示意图2是本发明的光纤环骨架的结构图2A是图2的A向视图2B是图2的中间法兰位置的剖面图3是本发明的上下对称交叉绕制方法示意图。
图4是本发明的方法流程图中
I-光纤环骨架2-上层光纤线圈3-下层光纤线圈
101-绕纤柱102-中间法兰103-内壁
104-A凸耳105-B凸耳106-C凸耳
107-D凸耳108-A过纤斜面109-B过纤斜面
110-过纤豁口111-出纤口
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，如图I、图2所示， 包括光纤环骨架I。光纤环骨架I如图2、图2A、图2B所示，包括绕纤柱101、中间法兰102、A凸耳104、B凸耳105、C凸耳106和D凸耳107。绕纤柱101外围设有中间法兰102，中间法兰102上设有A过纤斜面108和B过纤斜面109，A过纤斜面108和B过纤斜面109之间形成过纤豁口 110。绕纤柱101的内壁103上均布3个凸耳，分别为A凸耳104、B凸耳105和C凸耳 106，三个凸耳呈120度分布，B凸耳105位于内壁103对应过纤豁口 110位置，A凸耳104、 B凸耳105和C凸耳106上设有纵向通孔，分别为A通孔112、B通孔113、C通孔114，作为固定孔。在A凸耳104、C凸耳106中间设有D凸耳107，D凸耳107内部设有横向喇叭孔， 横向喇叭孔的出口设置在中间法兰102上，在中间法兰102上形成了出纤口 111，出纤口 111外侧面向两边倒圆角，使得光纤线圈的正反两个方向的光纤经过圆角并汇合后从出纤口 111引出至绕纤柱101内部，无应力突变，且方便熔接。如图3所示(图3为示意图，绕制的匝数根据光纤长度由用户确定)，光纤的中点位于过纤豁口 110，光纤的正方向通过过纤豁口 110向上绕制两层后回到过纤豁口 110(图中，白色线圈表示正向光纤，正向第I匝光纤至图中正向第16匝光纤为绕制两层后回到过纤豁口 110)，光纤的反方向通过过纤豁口 110向下绕制两层后回到过纤豁口 110(图中，黑色线圈表示反向光纤，反向第I匝光纤至图中反向第16匝光纤为绕制两层后回到过纤豁口 110)，两个方向的光纤在过纤豁口 110交叉，正方向光纤交换为向下绕制，反方向光纤交换为向上绕制，重复进行，光纤的两端通过出纤口 111引入绕纤柱101内部，中间法兰102上端的光纤形成上层光纤线圈2，中间法兰102下端的光纤形成下层光纤线圈3。光纤环骨架I将光纤线圈分为上层光纤线圈2、下层光纤线圈3两部分，两部分均有一侧端面与骨架的中间法兰102结构接触，而另外一侧无结构约束，呈自由状态，在振动与温度变化的条件下不会受到挤压。中间法兰102与两部分线圈接触，在起到固定支承作用的同时，使温度梯度在两部分线圈对称分布。结合上下对称的交叉绕法，使光路不但实现长度的对称，还实现了温度梯度的对称。由理论分析及实验测试可知，这种光纤线圈的性能优异。本发明的一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制方法，流程如图4所示，包括以下几个步骤步骤一将光纤的中点位于光纤环的过纤豁口 110处；步骤二 光纤绕制；将光纤的正方向通过过纤豁口 110向上绕制，绕制两层后回到过纤豁口 110处，光纤的反方向通过过纤豁口 110向下绕制，绕制两层后回到过纤豁口 110，将两个方向的光纤在过纤豁口 110处交叉，正方向光纤交换为向下绕制，绕制两层后回到过纤豁口 110，反方向光纤交换为向上绕制，绕制两层后回到过纤豁口 110，重复进行，直到光纤绕制完毕；步骤三将光纤引入出纤口 111 ;最终，绕制完毕后，光纤的两端通过出纤口 111引入光纤环的绕纤柱101内部。光纤引入内壁103后，与内部的集成光学调制器连接。两端光纤通过出纤口 111后，两端合在一起，然后同时并同向的盘绕余下的两根尾纤，与集成光学调制器的两端进行熔接，可以保证两根尾纤长度相同，保证正向与反向的尾纤受到同样的温度与振动影响，从而提高陀螺精度。
权利要求
1.一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，其特征在于，包括光纤环骨架(I)，光纤环骨架(I)包括绕纤柱(101)、中间法兰(102)；绕纤柱(101)外围设有中间法兰(102)，中间法兰(102)上有过纤豁口(110)，过纤豁口(110)的对称位置处，在绕纤柱(101)和中间法兰(102)上设有横向贯通的喇叭孔，在中间法兰(102)上形成了出纤口(111)。
2.根据权利要求I所述的一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，其特征在于，所述的中间法兰(102)上设有A过纤斜面(108)和B过纤斜面(109)，A过纤斜面 (108)和B过纤斜面(109)之间形成过纤豁口(110)。
3.根据权利要求I所述的一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，其特征在于，所述的光纤环结构还包括A凸耳(104)、B凸耳(105)、C凸耳(106)和D凸耳(107)；绕纤柱(101)的内壁(103)上均布3个凸耳，分别为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)上设有纵向通孔，分别为A通孔 (112)、B通孔(113)、C通孔(114)，作为固定孔，B凸耳(105)位于内壁(103)对应过纤豁口(110)位置，在A凸耳(104)、C凸耳(106)中间设有D凸耳(107)，D凸耳(107)内部设有横向通孔，D凸耳(107)、内壁(103)、中间法兰(102)连通形成横向喇叭孔，横向喇叭孔的出口设置在中间法兰(102)上，形成过纤豁口(110)。
4.根据权利要求I或者3所述的一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构， 其特征在于，所述的出纤口(111)外侧面向两边倒圆角，使得光纤线圈的正反两个方向的光纤经过圆角并汇合后从出纤口(111)引出。
5.根据权利要求I所述的一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，其特征在于，所述的中间法兰(102)上端形成上层光纤线圈(2)，中间法兰(102)下端形成下层光纤线圈(3)，具体为光纤的中点位于过纤豁口(110)，光纤的正方向通过过纤豁口(110)向上绕制两层后回到过纤豁口(110)，光纤的反方向通过过纤豁口(110)向下绕制两层后回到过纤豁口(110)，两个方向的光纤在过纤豁口(110)交叉，正方向光纤交换为向下绕制， 反方向光纤交换为向上绕制，重复进行，光纤的两端通过出纤口(111)引入绕纤柱(101)内部，中间法兰(102)上端的光纤形成上层光纤线圈(2)，中间法兰(102)下端的光纤形成下层光纤线圈(3)。
6.根据权利要求5所述的一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，其特征在于，所述的光纤绕制的匝数根据光纤长度由用户确定。
7.一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤一将光纤的中点位于光纤环的过纤豁口(110)处；步骤二 光纤绕制；将光纤的正方向通过过纤豁口(110)向上绕制，绕制两层后回到过纤豁口(110)处， 光纤的反方向通过过纤豁口(110)向下绕制，绕制两层后回到过纤豁口(110)，将两个方向的光纤在过纤豁口(110)处交叉，正方向光纤交换为向下绕制，绕制两层后回到过纤豁口 (110)，反方向光纤交换为向上绕制，绕制两层后回到过纤豁口(110)，重复进行，直到光纤绕制完毕；步骤三将光纤引入出纤口(111)；最终，绕制完毕后，光纤的两端通过出纤口(111)引入光纤环的绕纤柱(101)内部。
全文摘要
本发明公开了一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤环结构，包括光纤环骨架，光纤环骨架包括绕线柱、中间法兰；绕线柱外围设有中间法兰，中间法兰上有过纤豁口，过纤豁口的对称位置处，在绕线柱和中间法兰上设有横向贯通的喇叭孔，在中间法兰上形成了出纤口。一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制方法，包括以下几个步骤步骤一将光纤的中点位于光纤环的过纤豁口处；步骤二光纤绕制；步骤三将光纤引入出纤口。本发明中，光纤线圈分为上下两部分，两部分均有一侧无结构约束，在振动与温度变化的条件下不会受到挤压；通过交叉，两侧线圈均含有相同长度的正反向光纤，从而使得轴向与径向的温度梯度对光纤产生的温度调制相等。
文档编号G01C19/72GK102607548SQ20121004389
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者宋凝芳, 李彦, 贾明 申请人:北京航空航天大学
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