具有绕匝间应力释放的封装陀螺传感器线圈的制作方法

专利名称：具有绕匝间应力释放的封装陀螺传感器线圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤陀螺仪。更具体地讲，本发明与一种包括绕匝间应力释放的封装传感器线圈有关。
一个干涉式光纤陀螺仪包括以下主要组件(1)一个光源，(2)两个满足“最小互逆构成”(S.Ezekiel and M.J.Arditty，光纤施转传感器，New York，Springer-Verlag p.2-261982)要求的分光器(光纤定向耦合器和/或光集成Y形连接器)，(3)一个由定极化(PM)光纤或低双折射(标准电信)光纤制造的光纤感应线圈，(4)一个偏振器(有时还包括一个或多个消偏振器)，和(5)一个检测器。环形分光器把来自光源的光分裂为在传感线圈中同向传播和反向传播的波。相关的电子器件测量从线圈的相反两端射出的两个干涉的反向传播光束之间的相位关系。由于已知的萨尼亚克(Sagnac)效应，两个光束所经历的相移之差与仪器所固着的平台的转速成正比。
环境因数可能影响测量的反向传播光束之间的相移差，因而导致系统误差。这种环境因数包括诸如温度，振动(声音的和机械的)和磁场这样的变量。这些环境因数一般是随时间而变化并且在整个线圈中是不均匀分布的。这些环境因数包括当每个反向传播的波通过线圈时它所遇到的光程的变化。这在两个波上引起的相移是不相等的，从而产生一个不期望的净相移，且该净相移不能与旋转感应信号相区别。
一种降低对环境因数敏感性的方法包括使用各种对称的线圈绕线结构。在这种线圈中，适当地安排绕组，使得线圈的几何中心位于最里层，而线圈的两端位于位于最外层。
N.Frigo在《光纤和激光传感器I》(Fiber Optics andLaser Sensors I，Proc.SPIE第412卷第268页(1983))中的“萨尼亚克干涉仪中的非互逆性线性光源的补偿(Compensationof Linear Sources of Non-Recipro-city in Sagnac Interferometers)”一文中提出了使用特殊绕组模型模式以补偿非互逆性。此外，在Bednarz的题目为“光纤传感线圈(Fiber Optic Sensing Coil)”的第4,793,708号美国专利中提出了一种由双极或四极绕组形成的对称光纤传感线圈。该专利中所述的线圈显示了比现有螺旋型绕组更优良的特性。
在Ivancevic的发明名称为“四极绕组光纤传感线圈及其制造方法(Quadrupole-Wound Fiber Optic Sensing CoilandMethod of Manufacture Thereof)”的第4,856,900号美国专利中提出了一种改进的四极绕组的线圈，这种线圈由于在连接层间使用同心绕制的匝壁以替代靠近端突缘的弹性纤维隔片，从而消除了由于隔片存在引起的纤维压缩和微弯曲。上述两个美国专利都归属于本发明的受让人。
尽管适当的线圈绕线技术可以把光纤陀螺仪输出中出现的一些系统误差减至最小，但它们不能消除所有这些偏差。特别是，陀螺传感器线圈的设计可以影响陀螺仪的随机游动，偏差稳定性，偏差温度灵敏度，偏差温度斜坡灵敏度，偏差振动灵敏度，偏差磁灵敏度，标度因数温度灵敏度和输入轴温度灵敏度。
另外，在共同发明人阿马多·科尔多瓦，唐纳德·J·比林斯基，塞缪尔·N·费什特，格伦·M·苏拉比安，约翰·D·怀尔德和保罗·A·欣曼的发明名称为“低偏差光纤陀螺仪的传感器线圈(SensorCoil For Low Bias Fiber Optic Gyroscope)”的第5,371,593号美国专利中披露了封装材料的成分可以对作为振动动态应变造成的光纤长度变化和折射率变化的结果的光纤陀螺仪的偏差振动灵敏性产生很大的影响。
上述美国专利公开了一种传感器线圈，它的设计结合了多种用于减小前述环境因数的特征。在这个专利中认识和论及的问题中提到了封装材料的弹性模量与振动引起的偏差之间存在的关系。一般地讲，通过利用具有高弹性模量(杨氏模量)的封装材料可显著地改善陀螺仪的性能(以振动特性而言)。但是，该弹性模量不能太高，以防止产生与陀螺仪在远离封装材料的固化温度下工作时有关的其它问题。这些问题包括与线圈断裂有关的温度，由PM光纤制造的线圈的h参数(偏振交叉耦合)恶化，和大偏差温度坡度灵敏性。同属本发明受让人的阿马多·科尔多瓦和格伦·M·苏拉比安的发明名称为“用于严格振动和热环境的封装光纤陀螺仪传感器线圈(Potted Fiber Optic Sensor Coil ForStringent Vibration and Thermal Environments)”的第5,546,482号美国专利公开了部分根据候选材料的玻璃点转变温度与陀螺仪的操作温度范围之间的关系选择聚合物封装材料。
属于本发明受让人的拉尔夫·A·帕特森的第08/526,725号未决美国专利申请和唐纳德·J·比林斯基，Gene H.Chin，阿马多·科尔多瓦和塞缪尔·N·费什特的，发明名称为“具有低摩擦衬套界面的陀螺仪传感器线圈(Gyro Sensor Coil With Low-Friction Hub Interface)”的第5,545,892号美国专利公开了设计克服与用来封装线圈的粘结剂材料的特性相关的其它问题的陀螺仪传感线圈的线圈管。一般可观察到在一个封装的封装传感器线圈的径向和轴向热膨胀特性之间存在着显著的差别。一个封装传感器线圈的径向热膨胀系数一般小于每摄氏度(℃)百万分之(ppm)十，而一个封装线圈的轴向热膨胀系数一般大于每摄氏度200ppm。一个封装线圈的热机械性能的这样大的各向异性来自于玻璃纤维(镀层和芯)与周围聚合物(特别是封装材料)的热膨胀性质之间存在的差异，以及纤维绕匝被封装粘结剂完全封闭旦没有在它们之间留下活动间隙的事实。其净结果是封装线圈的径向膨胀完全由低膨胀系数的硬玻璃纤维绕匝决定，而轴向膨胀则由高膨胀系数的较软封装材料确定。
上述的每个未决申请公开了一种包括一个单支撑凸缘的线圈管或线圈架。这与使用一对端凸缘的线圈管相反。单凸缘构造使得封装线圈不受轴向的限制，因此防止封装线圈上的额外热应力，以及由于温度变化对陀螺仪偏差造成的有害影响。否则由于在轴向上填充的线圈的膨胀程度大于线圈管，封装线圈易于受到这种额外应力。
阿其多·科尔多瓦的发明名称为“包括间隙的粘结光纤陀螺仪传感器线圈(Bonded Fiber Optic Gyro Sensor Coil IncudingVoids)”的第08/661,166号未决美国专利申请论述了封装陀螺传感器线圈的各向异性的热膨胀性质造成的问题。这个申请中提出了用减小使用的封装材料体积的方法来减小这种影响。公开了多种可以用作薄光纤涂层的封装材料。这些选择的材料具有足够的粘合强度以提供一个整体构造，而同时留下未填充的绕匝间间隙，因而减小了粘结剂封装材料的体积，并因此减小了封装线圈的各向异性的热膨胀特性的程度。
封装的陀螺仪传感器线圈中偏差的另一个根源来自于光纤的外套层材料与封装材料的热膨胀特性之间的失配。沿光纤长度方向的所谓“圆周应力”成正比地影响Shupe系统误差，而垂直于光纤轴的脱附应力产生“偏差尖峰信号”。这些尖峰信号反映了光纤外套层与封装材料之间的微小裂纹的张开与闭合。粘结条件中的组合突变产生了对应的Shupe偏差中的变化。
本发明针对现有技术的上述和其它不足与缺陷，在第一方面提供了一种用于光纤陀螺仪的传感器线圈。这种线圈包括一个具有第一热特性的外套层的连续光纤。光纤是以多个同轴圆筒形层形式安排的。每层包括包括多个以预定绕组模式排列的匝。该线圈被封装在一种具有第二热特性的预定成分的封装材料基质中，其中第一和第二热特性是不同的。并提供了用于减小外套层与封装材料之间由热引起的应力的构造。
在第二方面，本发明提供了一种形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法。这种方法是以向一个芯筒施加一层封装材料开始的。然后施加一个预定的润滑剂层，并在其后以预定的模式绕制一层光纤。接下来施加另一个预定润滑剂层。重复进行这一步骤序列，直到缠绕了预定长度的光纤。随后施加最后的封装材料层并固化绕制好的封装线圈。
在第三方面，本发明提供了一种形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法。这种方法是以施加一层可用紫外线固化的封装材料开始的。通过在一段预定时间周期施加预定强度的紫外线能固化封装材料。然后施加一个预定润滑剂层，并在其后以预定模式绕制光纤层。施加另一个预定润滑剂层。重复进行这一过程，直到绕完预定长度的光纤。接下来施加可用紫外线固化的封装材料层，并通过在预定时间周期施加预定强度的紫外线以使其固化。
在第四方面，本发明提供了一种形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法。这种方法从向光纤施加预定润滑剂涂层开始，把光纤缠绕成多个同轴层，每一层包括多个绕匝，每绕完一层施加一层封装材料，并固化封装材料。
在最后一方面，本发明提供了一种形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法。这种方法从以四极模式缠绕光纤层和随后施加封装层开始。重复进行这一步骤，直到形成包括四个光纤层的四极。接着施加预定的润滑剂涂层。重复进行这种过程，直到绕完并封装了预定长度的光纤。固化封装材料。
从下面的详细说明中可以更清楚地了解本发明的上述和其它特征和优点。说明书附带一组附图。对应于书写内容的附图标号指出本发明的各种特征，在整个附图中相同的特征用相同的标号表示。


图1(a)和1(b)分别是根据现有技术的封装传感器线圈的局部剖视图和沿图1(a)的1(b)-1(b)线的光纤的放大剖视图；图2是根据本发明的封装陀螺仪传感器线圈的局部剖视图；图3是根据本发明的封装陀螺仪传感器线圈的一个替代实施例的剖视图；和图4是根据本发明的一个第二替代实施例的陀螺仪传感器线圈的剖视图。
图1(a)是根据现有技术的封装陀螺仪传感器线圈1 0的局部剖视图。如图所示，封装陀螺仪传感器线圈10的这一部分位于邻接线圈架的凸缘12和芯筒14的交界处的区域。如上所述，线圈架或线圈管可以包括单端凸缘12或一对这样的凸缘。
该线圈包括以预定缠绕模式绕制的单根连续光纤16形成的多个绕匝。如上所述，最好利用能够将由于局部环境因数造成的偏差效应减至最小的方法进行缠绕。形成陀螺仪传感器线圈的较好的缠绕模式中包括四极和正交循环模式。
缠绕好的线圈镶嵌和封装在一种适当的粘结剂封装材料18中封装材料18的基质的使用增加了抵抗振动引起的偏差效应以及类似的效应的刚性。如上所述，必须慎重地选择封装材料18的成分，以尽可能地减小像温度之类的环境因数的变化对陀螺仪偏差的影响。
图1(b)是封装材料18的基质中的一匝光纤16的沿图1(a)中的1(b)-1(b)线的放大的剖视图。可以看到，光纤16包括一个由一个一般为硅酮或丙稀酸酯组合物的内套层22所包围的玻璃内芯和镀层20；和一个作为保护外套的一般为丙烯酸酯的外套层24。可以使用许多种类的粘结剂封装材料。由于外套层24和封装材料18的成分一般是不同的，所以封装光纤线圈的这些相邻结构的热膨胀特性之间会存在差异。由于外套层24与封装材料18之间的界面处微小脱附的结果造成的沿光纤长度的圆周应力和偏差尖峰信号，这种失配可能导致出现Shupe误差。
本发明通过插入一个预选成分的润滑剂材料的薄层，减轻了在绕制光纤的外套层24与封装材料18之间的交界面处由于相邻的粘合材料的失配而产生的应力。申请人发现合适的润滑剂材料包括高真空硅酮润滑脂(一种膏)，硅油和脱模剂(一种碳氟化合物)。通过将润滑剂材料层做得很薄，可以保持线圈的整体性，因而振动的存在实际上不会损害陀螺仪的精度。
如上所述，在外套层24与封装材料18之间的交界面上存在的热应力可以产生脱附，并产生成正比地影响Shupe偏差的圆周应力。尽管在一个小的(200米或更小的)陀螺仪线圈中偏差尖峰信号不代表一个较大的误差因数，但是在更大的线圈中(例如，直径3英寸，一千米光纤长度)，这个因数对陀螺误差构成重大影响。
根据本发明，上述用于减小缠绕光纤的外套层与封装材料之间的交界面上的热引起的应力的润滑剂层可以有各种配置。这些配置反映了在线圈生产中引入润滑层的各种选择。
图2是根据本发明的封装陀螺仪传感器线圈的局部剖视图。可以看到，包围光纤28缠绕层的绕匝的润滑材料32和34使光纤28绕制的传感器线圈的外套层的表面26与周围的封装材料30隔离。
通过把预定的润滑剂材料的施加与正常的线圈缠绕加工结合可以获得图2的结构。封装材料30的性质也影响线圈的生产过程。在使用热固性粘结剂封装材料的情况下，在固化之前缠绕和封装整个传感器线圈。作为替代，如果使用紫外线固化封装材料，可以一层接一层地固化封装线圈。这可以大大地减少诸如“塌陷”这类的绕组缺陷，“塌陷”是在一层绕组的一个绕匝或多个绕匝滑落到较低层中时发生的。当然，这可能损害在其它方面精心选择的缠绕模式的精度。
为获得图2的结构，使用了缠绕、润滑剂施加和封装交替进行的方法。在使用热固性封装材料的场合，加工过程如下进行首先将封装材料30施加到支撑芯筒的顶部。然后在封装材料上喷涂或刷涂一层润滑剂材料34，并缠绕一层光纤28。此后，在新缠绕的光纤层上刷涂或喷涂上润滑剂材料层32，并随后施加另一层封装材料36。在光纤28下面施加层34并在光纤28之上施加层32，使得光纤28与周围的封装材料层30，36润滑地隔离。
如上所述，在使用热同性成分的封装材料的场合，连续进行上述过程直到完成传感器线圈的缠绕和封装。然后，在适当的温度下把缠绕好并封装了的线圈烘烤一段预定时间，使其固化。作为选择，在使用紫外线固化封装材料的场合，封装材料是在一层接一层的基础上，在其施加之后随即固化的。在缠绕了一层光纤并刷涂或喷涂了润滑剂材料覆盖层之后，施加封装材料并随后在一段预定的时间中施加预定强度的紫外线能使其固化。
图3是根据本发明的一个替代实施例的传感器线圈的局部剖视图。可以看到，与图2的实施例相反，光纤38的绕匝由一润滑剂薄层40覆盖，并且该润滑剂薄层40插在光纤38和周围的封装材料42之间。这个实施例可以通过某种与用来形成图2的传感器线圈的不同方法形成。当光纤38从一个供料卷筒向一个该光纤38以预定模式缠绕于其上的收线线圈筒前进时，光纤38在穿过一个润滑剂材料槽的过程中，润滑剂材料薄层40连续地粘附在光纤38的外表面，因而涂覆了一层润滑剂材料40。
在每一层缠好后，施加封装材料42。像前面一样，在使用热固性封装材料42的场合，缠绕并封装好整个传感器线圈。然后在适当的温度下将其烘烤一段预定的时间，以固化封装材料和完成线圈的制造。作为替代，当使用紫外线固化封装材料时，可以在施加了每一层封装材料之后立即固化。通过这样施加紫外线固化封装材料也可以实现包括基本上消除塌陷缺陷的许多利益。
图4是本发明的又一个替代实施例的剖视图。本实施例假设是一个四极绕组模型模式。在这样的绕制模式中，光纤44从其中央向两个方向(即，顺时针方向(c.w.)和逆时针方向(c.c.w.))缠绕，并且每四层绕匝上缠绕重复的模型模式。第一和第四层绕匝以这两个方向中的一个方向(例如，c.w.)缠绕，而第二和第三层绕匝以相反的方向缠绕。
在图4的实施例中，包括四个绕线层的顺序四极用一个预定润滑剂层46相互润滑地隔离。根据现有的技术缠绕和封装每个四层。此后，插入一个润滑剂材料层46，并开始缠绕和封装另一个四极的过程。隔离每个四极部分的润滑层46的存在，提供了应力释放。润滑层46的存在限制了可能发生应力积累的程度，因为它定期地释放整个线圈的应力。
因此，可以看到，本发明提供了一种用于光纤陀螺仪的改进的封装传感器线圈。通过使用本发明的技术，由于减小和基本上消除了纵向圆周应力和横向脱附应力，可以获得较低的陀螺误差。
尽管本发明是通过参考它的当前优选实施例说明的，但它并不限于此。本发明仅受以下的权利要求定义的范围的限制，并且在其范围中包括所有的等价物。
权利要求
1.一种用于光纤陀螺仪的传感器线圈，包括a)一个具有一个第一热特性的外套层的连续光纤；b)所述光纤排列成多个同轴圆筒形的层；c)每个所述层包括多个以预定缠绕模式排列的绕匝；d)所述缠绕的线圈封闭在一个具有第二热特性的预定成分的封装材料的基质中，其中所述第一和第二热特性是不同的；和e)用于减小所述外套层和所述封装材料之间的由热引起的应力的构造。
2.如权利要求1所述的传感器线圈，其中所述构造还包括用于使所述外套层与所述封装材料之间的交界面润滑的构造。
3.一种用于形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法，包括步骤a)对一个芯筒施加一层封装材料；然后b)施加一层预定润滑剂；然后c)以预定的模式缠绕一层光纤；然后d)施加一层预定的润滑剂；然后e)重复步骤a至d，直到缠绕了预定长度的光纤；然后f)施加最后一层封装材料；并随后g)固化所述封装线圈。
4.一种如权利要求3所述的方法，其中所述封装材料是热固性的。
5.一种如权利要求4所述的方法，其中固化步骤包括在一个预定温度下把所述线圈加热一段预定的时间。
6.一种用于形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法，包括步骤a)施加一层紫外线固化封装材料；然后b)通过施加一段预定时间的预定强度的紫外线能固化所述封装材料；然后c)施加一层预定的润滑剂；然后d)以预定的模式缠绕一层光纤；然后e)施加一层预定的润滑剂然后f)重复步骤a至e，直到缠绕了预定长度的光纤；然后g)施加最后一层紫外线固化封装材料；并随后h)通过施加一段预定时间的预定强度的紫外线能固化所述封装材料。
7.一种用于形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法，包括步骤a)向一个光纤施加一个预定润滑剂的涂层；和b)把所述光纤缠绕成多个同轴层，每个所述层包括多个绕匝；和c)每次缠绕好一个完整的层施加一层封装材料；和d)固化所述封装材料。
8.一种如权利要求7所述的方法，其中a)所述封装材料是热固性的；和b)所述材料是在缠绕完预定长度的光纤之后固化的。
9.一种如权利要求8所述的方法，其中所述线圈是通过在预定的温度下把所述线圈加热一段预定的时间固化的。
10.一种如权利要求7所述的方法，其中a)所述封装材料是紫外线固化的；和b)每一层所述封装材料在施加之后就进行固化。
11.一种如权利要求10所述的方法，其中每一所述层是通过施加一段预定时间的预定强度的紫外线能而固化的。
12.一种用于形成预定尺寸的光纤陀螺仪的封装传感器线圈的方法，包括步骤a)以四极模型模式缠绕一层光纤；然后b)施加一层封装材料；然后c)重复步骤a和b，直到形成一个包括四层光纤的四极；然后d)施加一层预定的润滑剂涂层；然后e)重复步骤a至d，直到缠绕和封装完预定长度的光纤；和f)固化所述封装材料。
13.一种如权利要求12所述的方法，其中a)所述封装材料是紫外线固化的；和b)封装材料是在施加之后就固化的。
14.一种如权利要求13所述的方法，其中所述封装材料是通过施加一段预定时间的预定强度的紫外线能固化的。
15.一种如权利要求12所述的方法，其中a)所述封装材料是热固性的；和b)所述封装材料是在缠绕和封装所述线圈之后固化的。
16.一种如权利要求15所述的方法，其中所述封装材料是通过在预定温度下把所述线圈加热一段预定时间固化的。
全文摘要
一种用于光纤陀螺仪的封装传感器线圈包括一个润滑材料的层间应力释放层。线圈缠绕成已知的模式。可以实现各种线圈构造,其中一个润滑剂涂层释放光纤的外套层与线圈封装材料之间的交界面上的应力。
文档编号G01C19/72GK1187617SQ97120179
公开日1998年7月15日 申请日期1997年11月18日 优先权日1997年11月18日
发明者阿马多·科尔多瓦, 罗伯特J·胡佛, 托马斯·麦克林, 拉尔夫A·帕特森, 约翰P·拉恩 申请人:利顿系统有限公司