專利名稱：一種消除外界環(huán)境因素影響的光纖環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域；特別涉及通過給光纖環(huán)增加隔熱層，消除由于外界溫度變化對于光纖環(huán)對稱性影響，從而實現(xiàn)提高光纖環(huán)質(zhì)量。
背景技術(shù)：
光纖環(huán)是光纖角度傳感器(又稱光纖陀螺)的核心部件，它的質(zhì)量好壞直接決定光纖陀螺的精度。目前，傳統(tǒng)的光纖環(huán)多是將光纖環(huán)繞制在金屬骨架上，然后將光纖環(huán)裝配到角度傳感器當中。角度傳感器通常包括一些有源器件，包括光源、調(diào)制器、光探測器等；這些器件在工作過程當中往往會散發(fā)熱量，這些熱量往往是局部的，不連續(xù)的不均勻的，這些熱量會在光纖環(huán)上產(chǎn)生局部溫度梯度，從而給光纖環(huán)產(chǎn)生非互易度，造成角度傳感器的精度降低。另外，整個角度傳感器在使用過程中，其整體使用環(huán)境溫度的變化，如在水下、外太空的低溫和高速飛行產(chǎn)生的高溫等，都可能會對光纖環(huán)的對稱性造成影響。光纖陀螺(Fiber Optic Gyro, FOG)的原理是基于Sagnac效應,也即當環(huán)形干涉儀旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個正比于旋轉(zhuǎn)速率的相位差。一束光進入光纖環(huán)的閉合光路中，被分成兩束在同一光路中沿閉合光路相向傳播，當光路不發(fā)生旋轉(zhuǎn)的時候，兩束光會同時回到光的初始注入點，這種情況下，光路的特性稱之為是具有互易性(光從兩個方向入射的效果是相同的)。在光路發(fā)生轉(zhuǎn)動的時候，與旋轉(zhuǎn)同向傳播的光會比反向傳播的光所經(jīng)歷的路程要長(這個時候的光路被稱之為具有非互易性)。從而產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)動角速度成正比的光程差。這個光程差可以通過干涉法測量來確定，這種光路中的相位變化可通過光電探測器將干涉光信號轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出來檢測。由于輸出信號與轉(zhuǎn)動引起的相位差呈余弦函數(shù)關(guān)系，為了獲得高靈敏度，需要調(diào)制來施加偏置，使之工作在一個響應斜率不為零的點。光纖環(huán)是光纖陀螺的傳感核心部件，它對光纖陀螺來說，既是提高精度的重要途徑，同時也是主要影響精度的因素。光纖環(huán)在繞制過程中需采用特殊的纏繞方式、精密的繞制技術(shù)，來保證光纖環(huán)具有高質(zhì)量的靜態(tài)特性(低的偏振串音、低的插入損耗等)和高質(zhì)量的瞬態(tài)特性(抗振動、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和磁場的影響)。光纖環(huán)在具體的應用中即會受到來自光纖陀螺應用環(huán)境中的機械張力、振動、沖擊和溫度梯度等因素引起的環(huán)境干擾，同時，光纖陀螺中的有源電路和光學器件也會產(chǎn)生熱量，這些環(huán)境干擾對相向傳播的兩束光信號影響不同時，會產(chǎn)生附加相位漂移誤差。這種瞬態(tài)效應會妨礙Sagnac相位差的精確檢測。光纖環(huán)繞制不對稱易產(chǎn)生熱致非互易性相移；光纖環(huán)繞制技術(shù)不完善除了會導致光纖環(huán)插入損耗增大和保偏光纖環(huán)出現(xiàn)消偏性以外，光纖環(huán)繞制過程中的應力(纏繞的壓應力、彎曲應力和扭曲應力等)會造成光纖環(huán)性能下降和應力產(chǎn)生的非互易性相移，等等。 這些均作為光纖環(huán)路中的光路缺陷，對傳輸于光纖環(huán)中光波相位產(chǎn)生影響，從而降低光纖陀螺的整體精度。在光纖環(huán)繞制中，目前普遍所采用多極對稱繞法，這種繞制方法雖然在一定程度上能改善光纖環(huán)瞬態(tài)特性。但因為這種繞制方法，操作復雜，不可避免地會在繞制中出現(xiàn)一些光纖爬升、塌陷、交叉等缺陷，會影響光纖環(huán)的性能。另外，以目前繞制工藝來說，繞制出來的光纖環(huán)，兩個干涉臂的長度無法保證其絕對的對稱性；即便是兩干涉臂光纖長度絕對一致，由于上述繞制缺陷，也會造成兩個干涉臂的等效不對稱。這種等效不對稱度的存在，當外界的溫度發(fā)生變化的時候，由于熱傳導的過程在光纖環(huán)當中產(chǎn)生溫度梯度，會使得這種不對稱度在光纖陀螺運行過程中產(chǎn)生非互易度，就會影響光纖陀螺角度傳感的測量精度；而且，這個溫度梯度越大，則非互易度就越大，光纖陀螺的精度偏差也就越大。在現(xiàn)實應用當中，外界溫度變化越劇烈，即快速升溫或者快速降溫，或者溫度在短時間內(nèi)發(fā)生周期性或非周期性的升溫降溫，都更會引起上述溫度梯度的加大。造成外界因素影響光纖環(huán)特性還有一個因素，就是目前光纖陀螺用光纖環(huán)普遍采用有骨架的結(jié)構(gòu)，而光纖環(huán)骨架通常是金屬材料制成。因為金屬材料熱脹系數(shù)和光纖的熱脹系數(shù)有很大的差別，當外界溫度發(fā)生變化時，由于兩者的膨脹變形不同，從而使得光纖的張緊度發(fā)生變化，也就使得光纖內(nèi)部的應力產(chǎn)生變化，進一步造成了光纖環(huán)的對稱度變化， 影響了光纖陀螺的正常運行。當前對于光纖陀螺受溫度影響產(chǎn)生誤差的認識還具有局限性，通常把這種誤差歸咎于光纖環(huán)外圍電路系統(tǒng)和其它器件的影響，而沒有將注意力放在溫度對于光纖環(huán)性能影響上，所以在從根本解決外界溫度變化對于光纖陀螺特性影響方面還做得不到位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足，提出一種消除外界環(huán)境因素影響的光纖環(huán)，實現(xiàn)制作出可以受外界溫度變化對光纖陀螺精度影響小的光纖環(huán)。甚至對于周期性短的溫度劇變，由于隔熱層的存在，在光纖環(huán)上呈現(xiàn)出沒有溫度梯度。本發(fā)明提出一種可消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，該消除外界因素影響的光纖環(huán)包括在一個繞制好的光纖環(huán)的上、下、環(huán)內(nèi)徑、環(huán)外徑都貼上隔熱材料；在以上基礎(chǔ)上，進一步可以包括使用硬質(zhì)材料外殼將貼上隔熱材料的光纖環(huán)封裝起來。在以上結(jié)構(gòu)中，要注意留出光纖環(huán)的尾纖的出口，保證尾纖在不受彎折的情況下順利引出。在以上方法中，所封裝的光纖環(huán)，既可以是帶有骨架一起封裝，也可以是繞制完成后去掉骨架再封裝。所使用的隔熱材料，既可以是保溫棉一類的材料，也可以是隔熱涂料。最后封裝用的硬質(zhì)材料主要有兩個功能，一個是將隔熱材料在光纖環(huán)周圍固定起來；另外一個功能是有利于封裝后的光纖環(huán)在裝配光纖陀螺中的時候容易和相關(guān)部件進行裝配；所以，必要的時候，需在硬質(zhì)材料外殼上預留安裝孔或者帶孔凸出“耳朵”。最后封裝用的硬質(zhì)材料殼體，既可以是金屬材料，如鋁合金，也可以是導熱率較低的硬質(zhì)材料，如工程塑料、玻璃鋼等；通常如保溫玻璃棉等一類的隔熱材料，由于其柔軟性和彈性，不能將光纖環(huán)在封裝硬質(zhì)材料課題中緊密固定，多少會有一些松動；為了防止這種松動的存在影響光纖環(huán)的工作特性，可在穿過隔熱材料在光纖環(huán)骨架和外殼之間加裝固定栓，為了防止固定栓的存在降低隔熱效果，固定栓的材料可以選用隔熱特性較好的材料，如玻璃鋼等；
本結(jié)構(gòu)當中，還包括在隔熱材料當中增加磁屏蔽材料，從而可以降低外界磁場變化對光纖環(huán)的對稱性產(chǎn)生的影響。本發(fā)明的主要特點及有益的效果本發(fā)明提出的方法是通過將光纖環(huán)進行對外隔熱，從而減小內(nèi)部存在溫度梯度或其他瞬態(tài)環(huán)境變化使得光纖陀螺角度傳感輸出誤差顯現(xiàn)出來的不對稱性。從原理上說，由于光纖環(huán)采用了對稱繞法，當它內(nèi)部存在溫度梯度分布或其他瞬態(tài)環(huán)境變化的情況下，由于對稱繞法的Shupe效應相互抵消，其輸出不會產(chǎn)生誤差。亦即在光纖環(huán)沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)的時候，不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的信息輸出。但是由于光纖環(huán)繞制過程中，兩臂的長度會有差別，即便是沒有差別或者差別很小，由于繞制過程中工藝問題產(chǎn)生的應力不均勻(如光纖的疊加、扭轉(zhuǎn)、拉伸等)，使得其等效對稱度發(fā)生偏離，這時候在光纖環(huán)存在溫度梯度的情況下， Shupe效應得不到抵消，其輸出就會產(chǎn)生偏差。而且這種等效不對稱度越大，輸出的偏差也會越大。本發(fā)明就是通過將上述增加隔熱材料，使得光纖環(huán)的溫度梯度減小，因而等效不對稱度也就降低，從而提高光纖環(huán)整體的質(zhì)量。本發(fā)明還提出使用非金屬骨架的光纖環(huán)。本發(fā)明除了主要針對光纖陀螺用的光纖環(huán)，還可用于對其他傳感領(lǐng)域的光纖環(huán)質(zhì)量的提升。


圖I 一個消除外界因素影響的光纖環(huán)方案結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 —個消除外界因素影響的光纖環(huán)方案的剖面圖；圖3 —個加裝了磁屏蔽材料的光纖環(huán)封裝方案剖面圖；圖4 一個加裝了固定柱的光纖環(huán)封裝方案；圖5 —個無骨架光纖環(huán)的封裝方案；圖6封裝前后光纖環(huán)性能測試曲線圖；圖7是采用非金屬骨架的光纖環(huán)和采用金屬骨架的光纖環(huán)性能測試曲線；
具體實施例方式本發(fā)明提出的方法結(jié)合附圖及實施例說明如下圖I是一個實施例封裝光纖環(huán)(作為光纖陀螺用光纖環(huán))拆分示意圖，其中101和 102是一對鋁合金封裝外殼；111是光纖環(huán)骨架，在實際應用中，骨架上繞制光纖；103、104、 107、109、110為隔熱材料層，分別在光纖環(huán)內(nèi)徑孔、外圓周、軸向兩端將整個光纖環(huán)包裹， 本實施例采用具有納米微孔的纖維材料保溫棉作為保溫隔熱材料層，這種納米微孔材料， 由于納米微孔的存在可以更好地起到隔熱作用；目前市場上已經(jīng)有一些各種形式的商品銷售，包括隔熱板(如上海納威信保溫節(jié)能材料有限公司生產(chǎn)的納米孔超級絕熱板)、隔熱氈 (如天津南極星隔熱材料有限公司生產(chǎn)的納米孔隔熱纖維氈)、納米孔硅質(zhì)隔熱材料等。在實際應用中還可使用玻璃保溫棉作為保溫隔熱材料層；隔熱材料的厚度要根據(jù)光纖陀螺的適用環(huán)境，一般厚度在3到5毫米即可，通常只需一層。在保溫棉和光纖環(huán)之間，還采用隔磁薄膜材料層(本實施例采用坡莫合金材料層)進行防磁處理(105、106、107、108)，隔磁材料的厚度也要根據(jù)光纖陀螺的適用環(huán)境，一般厚度在O. I到O. 5毫米即可，形狀分別是兩個筒形保溫材料(110、109)包裹在光纖環(huán)內(nèi)徑孔和外圓柱面上、兩個筒形防磁薄膜材料層 (107、108)包裹在兩個筒形保溫棉(110、109)的內(nèi)外表面，兩個圓環(huán)保溫棉(103、104)和兩個圓環(huán)隔磁薄膜材料層(105、106)在依次軸向蓋住光纖環(huán)；或隔磁薄膜材料層(105、106) 放在金屬外殼(101、102)和隔熱材料層(103、104)之間；所有部件按照圖I所示意的順序組裝起來，成為如100 —樣的一個整體。保溫棉104上的兩個缺口是用來導出光纖環(huán)尾纖的。上述隔熱材料層還可采用隔熱涂料層或隔熱膠層。因為隔磁材料(坡莫合金)本身的硬度和一般制作外殼的金屬材料差不多，所以也可以使用防磁材料制作整體外殼101和102，這樣就可以省去105、106、107、108防磁材料。本發(fā)明還進一步可在外殼內(nèi)部抽真空，形成真空狀態(tài)，用于提高隔熱效果。如果在一些場合不需要考慮光纖環(huán)防磁的應用，也可以不裝隔磁材料層。圖2是組裝后的沒有加隔磁材料層的封裝光纖環(huán)的剖面圖，201的位置是繞制的光纖。圖3是在圖2的基礎(chǔ)上，增加了防磁材料。圖3的防磁材料107安裝的位置和圖 I有所不同，是安裝在外殼和隔熱材料之間。本實施例采用坡莫合金薄片(厚度O. I毫米) 作為隔磁材料，裝在了外殼和隔熱材料之間；隔磁材料也可以加裝在隔熱材料和光纖環(huán)之間，或者直接用隔磁材料作為外殼。由于隔熱材料通常都是較為柔軟容易被壓縮的材料，在光纖環(huán)整體使用的時候， 會因為外界震動、翻轉(zhuǎn)等情況，使得光纖環(huán)骨架在外殼當中有相對的位移，從而光纖環(huán)的光纖會受到不同方向的壓力變化，或者因為震動產(chǎn)生相對移動，影響光纖環(huán)的對稱性。因此， 本發(fā)明設(shè)計了使用剛性材料將光纖環(huán)骨架和封裝外殼進行固定的工藝。圖4是一個使用了剛性材料固定的封裝光纖環(huán)的剖面示意圖；其中401為一個剛性材料制成的固定柱。固定柱一頭和金屬外殼101相連接，另一頭和光纖環(huán)骨架111相連接。一般剛性固定柱的直徑以不超過光纖環(huán)總體直徑1/10，不小于1/20，每一側(cè)3支為好。剛性固定柱需要選擇導熱性差的材料，以避免從固定柱的位置將外界熱量傳導到光纖環(huán)上，影響整個封裝效果；本實施例剛性固定柱選用隔熱性較好的玻璃鋼棒。目前光纖環(huán)普遍采用的是金屬骨架，由于金屬骨架的熱脹系數(shù)和光纖的差距較大，所以在溫度變化的時候，骨架的膨脹和收縮會對光纖的應力造成影響，從而影響到光纖環(huán)的質(zhì)量，因此，在本發(fā)明的一個實施例中，還使用了熱脹系數(shù)小的非金屬骨架。非金屬骨架可用于上述實施例中，也可單獨使用，即在不采用隔熱材料包裹封裝的情況下使用，與金屬骨架的光纖環(huán)相比，同樣也能夠一定程度上消除外界溫度變化對光纖環(huán)質(zhì)量影響；本實施例采用了碳纖維基材的樹脂板制成的骨架(采用與常規(guī)金屬骨架相同的尺寸)，具體工藝采用精密切割后膠合制成。除了膠合的方案，也可以采用整體模壓的方法，一次成型碳纖維基材光纖環(huán)骨架。在實際應用中，有時還會使用到無骨架的光纖環(huán)，圖5是一個設(shè)有外殼101保溫層 109和隔磁層107的無骨架光纖環(huán)封裝方案。對上述無骨架光纖環(huán)封裝方案在封裝前后的光纖環(huán)進行了溫度變化狀態(tài)下的性能測試，如圖6所示，圖A是封裝后的光纖環(huán)的角速度誤差測試曲線，在溫度激勵的情況下， 隨時間變化過程中性能變化起伏不大。圖B是封裝前的光纖環(huán)的角速度誤差測試曲線，在溫度激勵情況下，隨著時間的變化，有較大的起伏，角度誤差很大。圖7是使用金屬材料骨架和非金屬材料骨架的兩種無封裝光纖環(huán)的性能對比圖，從圖中可以看出，隨著溫度的變化，金屬骨架的光纖環(huán)性能(A)波動與非金屬骨架光纖環(huán)性能(B)相比要大很多。
權(quán)利要求
1.一種消除外界因素影響的光纖環(huán)，該光纖環(huán)包括由光纖繞制成的主體，其特征在于， 還包括在該主體的表面包裹隔熱層，用于消除外界因素影響。
2.如權(quán)利要求I所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，該光纖環(huán)還進一步包括在隔熱層外面加裝外殼，用于方便光纖環(huán)的安裝。
3.如權(quán)利要求I所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，所述隔熱材料層是納米孔隔熱材料層或玻璃纖維棉層或隔熱涂料層或隔熱膠層。
4.如權(quán)利要求I所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，所述光纖環(huán)為光纖陀螺用光纖環(huán)。
5.如權(quán)利要求I所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，該光纖環(huán)還進一步包括在隔熱材料層和光纖環(huán)主體之間或者在隔熱層之外加裝隔磁材料層，用于消除外界磁場影響。
6.如權(quán)利要求5所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，所述隔磁材料層為坡莫合金材料層。
7.如權(quán)利要求2所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，所述外殼為金屬外殼或塑料外殼或防磁材料外殼。
8.如權(quán)利要求2所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，還進一步包括外殼內(nèi)部形成真空狀態(tài)，用于提高隔熱效果。
9.如權(quán)利要求I所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，所述主體帶有骨架。
10.如權(quán)利要求9所述光纖環(huán)，其特征在于，所述骨架是采用非金屬材料制成的骨架， 用于與光纖熱脹系數(shù)相匹配。
11.如權(quán)利要求10所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，所述骨架是使用碳纖維材料為基材制成的骨架。
12.如權(quán)利要求9所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，還包括連接所述外殼和骨架的固定柱。
13.如權(quán)利要求12所述光纖環(huán)，其特征在于，所述固定柱是采用玻璃鋼材料或塑料材料制成的固定柱。
14.一種消除外界因素影響的光纖環(huán)，該光纖環(huán)主要由主體骨架及繞制在該主體骨架上的光纖構(gòu)成，其特征在于，該主體骨架采用非金屬材料制作成的主體骨架，用于與光纖熱脹系數(shù)相匹配。
15.如權(quán)利要求14所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，主體骨架為碳纖維材料為基材制成的主體骨架。
16.如權(quán)利要求15所述消除外界因素影響的光纖環(huán)，其特征在于，所述主體骨架是采用碳纖維基材板精密切割后膠合制成，或采用一次性模壓成型制成的主體骨架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種消除外界環(huán)境因素影響的光纖環(huán)，屬于光學測量、光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該光纖環(huán)包括由光纖繞制成的主體，其特征在于，還包括在該主體的表面包裹隔熱層，用于消除外界因素影響。還包括光纖環(huán)骨架采用非金屬材料制作成的骨架，用于與光纖熱脹系數(shù)相匹配，使得光纖環(huán)在外界溫度發(fā)生變化的時候，降低光纖陀螺由于光纖環(huán)因溫度變化引起的等效不對稱度而產(chǎn)生的精度偏差。本光纖環(huán)還包括在光纖環(huán)外增加磁屏蔽材料層，以減小或消除外界磁場對于光纖環(huán)角度傳感器的影響。
文檔編號G01C19/72GK102589541SQ201210024330
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月6日
發(fā)明者姚曉天 申請人:蘇州光環(huán)科技有限公司