一种基于磁流体的无张紧力空芯微结构光纤环圈绕制方法与流程

1.本发明属于光纤陀螺技术领域，涉及光纤环圈的绕制方法，具体涉及一种基于磁流体的无张紧力空芯微结构光纤环圈绕制方法。


背景技术：

2.光纤陀螺具有精度潜力与可靠性高的优势，有望替代静电陀螺和激光陀螺成为大型水面舰船和潜艇用主流惯性元件。但在长航时高精度应用时，大纤长的光纤陀螺不得不采用多种技术措施(例如温度控制、多重磁屏蔽和密闭封装等)，以提升陀螺环境适应性，但降低了系统体积效率比。目前传统保偏光纤是光纤陀螺的核心原材料，其存在由传输介质决定的本征物理问题，例如环境敏感、光学噪声大等缺点，是高精度光纤陀螺不借助外部被动防护技术手段前提下，其环境适应性难以提升的根本原因。随着空芯微结构光纤技术的发展，开启了光纤传输介质颠覆性技术变革，为高精度光纤陀螺环境适应能力提升提供了新技术途径。相比传统光纤，空芯微结构光纤采用独特的周期微孔结构形成全新的导光机制，使光在理想介质空气中传输，展现出诸多性能优势，例如环境敏感性低、互易性噪声低等，是高精度光纤陀螺更为理想的传感材料。
3.空芯微结构光纤应用于光纤陀螺亟待解决的重要工程问题之一是匹配空芯微结构光纤力学特点的绕制成环方法。光纤环圈是光纤陀螺的核心敏感元件，广泛采用对称绕法例如四极绕法、八极绕法、十六极绕法等，以抑制温度梯度或温度变化率对光纤陀螺的输出影响，该热致非互易误差称之为shupe误差。对称绕法是从光纤的中点起绕，两侧光纤按照一定排布依次周期交替隔层绕制，四层为一周期即为四极对称绕法，八极和十六极对称绕法同理可得。对称绕法通过使相对光纤中点对称部分的光纤经历的温度变化相等，以有效地抑制温度漂移。这种绕制方法对光纤排布的位置精确性有着严格的要求，在绕制过程中必须配以一定的绕制张紧力将光纤精确地固定在预定设计位置，并保证绕制完成后整个环圈不松散。空芯微结构光纤内空气占比较高，其横截面内的二氧化硅微结构单元尺寸在几微米到几十微米量级，结构壁厚在几十纳米到几百纳米之间，这些微纳尺寸完整性在外力影响下极易遭到破坏或损伤。传统光纤环圈绕制方法中张紧力控制水平难以匹配空芯微结构光纤力学结构特性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可避免绕制过程对空芯微结构光纤微纳结构体的破坏，从而可保证空芯光纤环圈光传输特性的基于磁流体的无张紧力空芯微结构光纤环圈绕制方法。
5.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现:
6.一种基于磁流体的无张紧力空芯微结构光纤环圈绕制方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.步骤1、在光纤环圈绕制前将磁流体注入空芯微结构光纤内部以填充空气所占区
域；
8.步骤2、将填充磁流体后的空芯微结构光纤从中点处分成相等的a、b两段，在无张紧力状态下将a、b两段预先分别绕在两个供线轮上；然后在环圈绕制骨架轴心内设置磁力发生装置，通过磁力吸附空心微结构光纤中的磁流体，将空芯微结构光纤中点固定在绕制骨架的轮轴与一侧轮缘相交处，随后基于磁力导引按照预设对称绕法依次按顺序将空芯微结构光纤逐层堆叠，在磁力吸附空芯微结构光纤过程中对光纤涂覆固化胶体，直至整个环圈绕制完成；
9.步骤3、在环圈绕制完成后，排出空芯微结构光纤环圈内的磁流体，对空芯微结构光纤环圈进行固化处理。
10.进一步的：步骤1包括如下步骤：
11.1.1、首先将待绕空芯微结构光纤置于容器中，容器中盛装有磁流体，使待绕空芯微结构光纤全部浸入磁流体中；其中磁流体由磁体固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成；
12.1.2、将容器、磁流体和将待绕空芯微结构光纤整体至于压力容器中，压力容器上设置有抽真空接口和施压接口；
13.1.3、通过压力容器上的抽真空接口对压力容器内部抽真空处理，将空芯微结构光纤内的空气抽出，实现真空状态；
14.1.4、最后通过压力容器上的施压接口通入高压空气，使磁流体充分进入空芯微结构光纤内部，以填充空气所占区域。
15.进一步的：步骤3中排出空芯微结构光纤环圈内的磁流体所采用的方式为：对空芯微结构光纤环圈尾纤一端充气，通过气压将空芯微结构光纤内的磁流体排出。
16.本发明具有的优点和积极效果：
17.本发明提出一种基于磁流体的无张紧力空芯微结构光纤环圈绕制方法，利用磁力发生装置的磁力吸附填充磁流体的空芯微结构光纤，使其按预定位置要求精密排纤完成整环绕制，避免了在绕制过程中施加在空芯微结构光纤上的张紧力，从而避免了传统绕制方法中张紧力对空芯微结构光纤微纳结构体的破坏。空芯微结构光纤绕制完成后磁流体可完全取出，不影响环圈光学性能，进而保证了空芯光纤环圈光传输特性。
附图说明
18.图1是空芯微结构光纤的横截面示意图；
19.图2是本发明空芯微结构光纤磁流体注入结构示意图；
20.图3是本发明基于磁流体的空芯微结构光纤无张紧力绕制结构示意图。
具体实施方式
21.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
22.图1是一种空芯微结构光纤的横截面示意图，图中白色区域是空气占比，黑色区域表示二氧化硅微结构体，内部微结构单元壁厚为纳米量级，其通过单点连接方式与外部大二氧化硅结构体包层固连。由横截面示意图可见，空芯微结构光纤具有两个明显特点：一是
光纤内部空气占比大；二是微结构单元与包层连接机械强度较为薄弱。
23.图2是空芯微结构光纤磁流体注入结构示意图，首先将待绕空芯微结构光纤1.5全部浸入容器1.3中的磁流体1.4中，其中待绕空芯微结构光纤绕在出厂的绕纤轮上。其中，磁流体是一种新型的功能材料，其既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。具体的，在本实施例中，采用ferrotec公司的mpg2100型油基纳米级磁流体。
24.随后将载有磁流体和待绕空芯微结构光纤至于压力容器1.2中，先通过压力容器上的抽真空接口1.1对压力容器内部抽真空处理，将空芯微结构光纤内的空气抽出，实现真空状态；最后通过压力容器上的施压接口通入高压空气，一般压力达到0.5mpa，使磁流体充分进入空芯微结构光纤内部，以填充空气所占区域。
25.图3是基于磁流体的空芯微结构光纤无张紧力绕制过程示意图，将填充磁流体后的空芯微结构光纤从中点处分成相等的a、b两段，预先分别绕在两个供纤轮上，两个供纤轮分别为2.1和2.4(其中一个供纤轮采用出厂的绕纤轮)，环圈绕制骨架2.2的轴心内设有磁力发生装置2.3，磁力发生装置可采用永磁体或电磁发生器，通过磁力吸附空心微结构光纤中的磁流体将空芯微结构光纤中点固定在绕制骨架的轮轴与一侧轮缘相交处，随后基于磁力导引按照预设对称绕法(例如四极绕法、八极绕法和十六极绕法等)依次按顺序将空芯微结构光纤逐层堆叠，磁力吸附空芯微结构光纤过程中对光纤涂覆固化胶体，可采用热固化或紫外固化胶体，直至整个环圈绕制完成。整个环圈绕制完成后，排出空芯微结构光纤环圈内的磁流体，对空芯微结构光纤环圈进行固化处理。其中，排出磁流体可采用的方式为：对空芯微结构光纤环圈尾纤一端充气，通过气压将空芯微结构光纤内的磁流体排出，最终在无绕制张紧力下完成了空芯微结构光纤环圈的绕制。
26.本发明将磁流体巧妙的应用于空芯微结构光纤环圈的绕制过程中，通过环圈绕制骨架轴心内设置的磁力发生装置产生外加磁场，使填充于空芯微结构光纤内部的磁流体产生磁性，通过磁性实现环圈绕制过程中的每圈的定位，避免了采用施加在空芯微结构光纤的张紧力来实现定位，这样，实现了在无张紧力状态下的绕制，从而避免了对空芯微结构光纤的破坏或损伤。
27.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。