一种多极化光纤陀螺环圈绕制方式及结构的制作方法

本发明涉及光纤陀螺
技术领域：
，尤其是一种多极化光纤陀螺环圈绕制方式及结构。
背景技术：
：光纤陀螺作为新型的光学陀螺仪表，具有可靠性高、耐冲击振动、寿命长、启动速度快等优点，已被广泛的应用于多个军用及民用领域中。但当光纤陀螺工作环境的温度发生变化时，在光纤陀螺核心部件光纤环形传感器(简称：光纤环圈)中将产生热致非互异性相位噪声，即shupe误差。这种误差与光纤陀螺感知地球转速的sagnac效应无法区分，严重降低了光纤陀螺的实际探测精度。现国内外对光纤环形传感器的此种传热性能进行了大量的理论研究，分别利用四极对称绕法、八极对称绕法及十六极对称绕法对光纤环圈进行绕制，以降低光纤环圈的温度误差，且这些绕制方案全部于国内外申请了相关的专利，但即使采用现有最为优化的十六极对称绕制方案(unitedstatespatent,us005475774)，光纤环圈中残余的温度误差仍然很大，严重影响高精度光纤陀螺的温度性能。特别是在非对称温度环境中，上述方法的温度误差抑制作用大打折扣。因此需要进一步优化设计降低光纤环圈温度误差，特别是在非对称温度条件下有效降低陀螺温度误差，是高精度光纤陀螺研制过程中的关键技术所在。技术实现要素：本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种将光纤环圈温度误差的离散数学模型与有限元传热模型相结合，找出了较十六极对称绕制方法更好的抑制光纤环圈温度误差的绕制方案。本发明的目的是通过以下技术手段实现的：一种多极化光纤陀螺环圈的绕制方式，其特征在于：包括以下步骤：⑴、绕制一个四极结构；⑵、利用一个正向四极结构和一个反向四极结构绕制出一个八极结构；⑶、利用一个正向八极结构和一个反向八极结构绕制出一个十六极结构；⑷、利用一个正向十六极结构和一个反向十六极结构绕制出一个三十二极结构。而且，步骤⑴所述的绕制一个四极结构的具体方法为：一根连续的光纤从其中点开始，两侧的光纤被分别绕制在两个不同的分纤轮上，分纤轮a上的光纤用于绕制环圈中第一层的各匝，分纤轮b上的光纤用于绕制环圈的第二层，第二层与第一层的方向相同，第二层绕制完成后，仍利用此分纤轮b上的光纤，再沿相反方向绕制第三层光纤；随后，再利用分纤轮a上的光纤，绕制此环圈的第四层，其绕制方向与第三层相同，这样，光纤中点一侧的光纤用于完成第一层和第四层的各匝光纤的绕制，而另一侧的光纤用于完成二、三两层的绕制，按这种方法绕制的四层光纤通常被称为一个“四极”，如果用“+”和“-”分别表示光纤中点两侧的光纤，则此四极的结构为“+--+”，四极对称绕法以此一个四极单位为基础，重复多个四极的绕制即可。而且，步骤⑵所述的绕制一个八极结构的具体方法为：引入逆向四极结构，其中逆向四极结构，其排布与步骤⑴所述的四极结构排布相反，为“-++-”；以一个正向四极及一个逆向四极组成最基本的八极单元“+--+-++-”，重复多个此八极单元的绕制即可完成八极对称绕制。而且，步骤⑶所述的绕制一个十六极结构的具体方法为：引入逆向八极结构，其中逆向八极结构，其排布与步骤⑵所述的八极结构排布相反，为“-++-+--+”，以一个正向八极及一个逆向八极组成最基本的十六极单元“+--+-++--++-+--+”，重复多个此十六极单元的绕制即可完成十六极对称绕制。而且，步骤⑷所述的绕制一个三十二极结构的具体方法为：引入逆向十六极结构，其中逆向十六极结构，其排布与步骤⑶所述的十六极结构排布相反，为“-++-+--++--+-++-”，以一个正向十六极及一个逆向十六极组成最基本的三十二极单元“+--+-++--++-+--+-++-+--++--+-++-”，重复多个此三十二极单元的绕制即可完成三十二极对称绕制。而且，步骤⑷所述的三十二极结构由多个带有温度误差自我补偿作用的微元组成，该微元为交叉排布方式。一种采用权利要求1所述的多极化光纤陀螺环圈的绕制方式的多极化光纤陀螺环圈绕制结构，其特征在于：包括多个基本三十二极单元，每个三十二极单元均由一个正向十六极结构和一个逆向十六极结构构成，其结构排布为“+--+-++--++-+--+-++-+--++--+-++-”。而且，所述的三十二极结构利用交叉排布方式将光纤环圈分割为多个带有温度误差自我补偿作用的微元。本发明的优点和积极效果是：1、本发明在前人研究的基础上，进一步完善了光纤环圈温度误差的离散数学模型，与此同时利用ansys有限元分析软件建立了光纤环圈传热模型相结合，将这两种模型进行了精确的结合，对各种不同绕制方案进行了对比，根据理论分析结果验证了本智力成果发明的绕法较十六极对称绕制方法更好的抑制光纤环圈温度误差。而且此方案有别于以往的对称绕制方案，可以根据实际非对称温度环境进行针对性光纤排布设计，因此更具实际应用价值。2、本智力成果在前人关于“十六极”对称绕制的基础上，首次引入逆向“十六极”的概念，并运用“交叉排布”方式将光纤环圈分割为多个带有温度误差自我补偿作用的微元，并通过改变微元的排布可以有效的提升光纤环圈在非对称温度环境中的误差抑制能力。而且在已知特定的温度环境中，利用matlab与ansys两款辅助设计软件，可进一步有针对性的改变微元排布，降低光纤环圈的温度误差。附图说明图1是光纤环圈由光纤中点开始绕制示意图；图2是四极对称绕制示意图；图3是八极对称绕制示意图；图4是十六极对称绕制示意图；图5是由两个互逆排布组成的三十二极示意图；图6是带有温度补偿微元的对称绕制示意图。具体实施方式下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。为了便于理解本发明，首先对传统的四极对称绕制法、八极对称绕制法以及十六极对称绕制法进行说明：在光纤环圈中，一根较长的光纤被绕制成为多层的线圈形式，其中每一层绕制完成的环圈由若干匝光纤构成。目前这种光纤环圈通常都采用四极对称方法进行绕制。为了形成一个四极形式的光纤环圈，一根连续的光纤从其中点开始，如图1，两侧的光纤被分别绕制在两个不同的分纤轮上。分纤轮a用于绕制环圈中第一层的各匝，分纤轮b上的光纤用于绕制环圈的第二层，第二层绕制完成后，仍利用此分纤轮上的光纤，再沿相反方向绕制第三层光纤。随后，在利用分纤轮a上的光纤，绕制此环圈的第四层，其绕制方向与第三层相同。这样，光纤中点一侧的光纤用于完成第一层和第四层的各匝光纤的绕制，而另一侧的光纤用于完成二、三两层的绕制。按这种方法绕制的四层光纤通常被称为一个“四极”。如果用“+”和“-”分别表示光纤中点两侧的光纤，则此四极的结构为“+--+”，四极对称绕法以此一个四极单位为基础，重复多个四极的绕制。如图2所示，图中不同颜色代表分居光纤中点两侧的光纤。八极对称绕制方案是在此基础上引入逆向四极结构，其中逆向四极结构，其排布与上述“四极”结构排布相反，为“-++-”。以一个正向四极及一个逆向四极组成最基本的八极单元“+--+-++-”，重复多个此八极单元的绕制即可完成，采用八极对称绕制方案的环圈如图3所示，图中不同颜色代表分居光纤中点两侧的光纤。较传统的四极对称绕制，八极绕制可以更好的提升光纤环圈的温度性能。在此基础上，美国学者于1994年，再次引入逆向“八极”的概念，进一步升级为“十六极”绕制，并成功申请专利us005475774，其结构为“+--+-++--++-+--+”，其示意图如图4所示。图中不同颜色代表分居光纤中点两侧的光纤。随着光纤陀螺精度的不断提高，现有光纤环圈的温度性能已经无法满足市场对高精度光纤陀螺的需求，因此需要进一步提升光纤环圈的温度性能。本智力成果具体发明的绕制方案如下：宏观上在“十六极”绕制的基础上引入“逆向十六极”，进一步降低温度误差对光纤环圈温度性能的影响，并在此基础上运用“交叉排布”方式将光纤环圈分割为多个带有温度误差自我补偿作用的微元，并通过改变微元的排布可以有效的提升光纤环圈在非对称温度环境中的误差抑制能力。示意图如图6所示。本发明研制了一种多极化光纤陀螺环圈绕制结构，包括多个基本三十二极单元，每个三十二极单元均由一个正向十六极结构和一个逆向十六极结构构成，其结构排布为“+--+-++--++-+--+-++-+--++--+-++-”。所述的三十二极结构利用交叉排布方式将光纤环圈分割为多个带有温度误差自我补偿作用的微元。上述多极化光纤陀螺环圈结构的绕制方式，包括以下步骤：⑴、绕制一个四极结构；一根连续的光纤从其中点开始，两侧的光纤被分别绕制在两个不同的分纤轮上，分纤轮a上的光纤用于绕制环圈中第一层的各匝，分纤轮b上的光纤用于绕制环圈的第二层，第二层与第一层的方向相同，第二层绕制完成后，仍利用此分纤轮b上的光纤，再沿相反方向绕制第三层光纤；随后，再利用分纤轮a上的光纤，绕制此环圈的第四层，其绕制方向与第三层相同，这样，光纤中点一侧的光纤用于完成第一层和第四层的各匝光纤的绕制，而另一侧的光纤用于完成二、三两层的绕制，按这种方法绕制的四层光纤通常被称为一个“四极”，如果用“+”和“-”分别表示光纤中点两侧的光纤，则此四极的结构为“+--+”，四极对称绕法以此一个四极单位为基础，重复多个四极的绕制即可。⑵、利用一个正向四极结构和一个反向四极结构绕制出一个八极结构；引入逆向四极结构，其中逆向四极结构，其排布与步骤⑴所述的四极结构排布相反，为“-++-”；以一个正向四极及一个逆向四极组成最基本的八极单元“+--+-++-”，重复多个此八极单元的绕制即可完成八极对称绕制。⑶、利用一个正向八极结构和一个反向八极结构绕制出一个十六极结构；引入逆向八极结构，其中逆向八极结构，其排布与步骤⑵所述的八极结构排布相反，为“-++-+--+”，以一个正向八极及一个逆向八极组成最基本的十六极单元“+--+-++--++-+--+”，重复多个此十六极单元的绕制即可完成十六极对称绕制。⑷、利用一个正向十六极结构和一个反向十六极结构绕制出一个三十二极结构，如图5所示。引入逆向十六极结构，其中逆向十六极结构，其排布与步骤⑶所述的十六极结构排布相反，为“-++-+--++--+-++-”，以一个正向十六极及一个逆向十六极组成最基本的三十二极单元“+--+-++--++-+--+-++-+--++--+-++-”，重复多个此三十二极单元的绕制即可完成三十二极对称绕制。图6为本智力成果发明的新型光纤环圈绕制方案示意图。该三十二极结构由多个带有温度误差自我补偿作用的微元组成，该微元为交叉排布方式。图中两种颜色的圆圈分别代表分居光纤中点两侧的光纤。此种只列出32层的示意图。从宏观上看32层由两个排布相反的“十六极”单元组成，图6下方的“+、-”号表征两个十六极单元的排布。微观上更由许多带有补偿功能的微元构成。(图中左上方虚线所圈定的区域为此微元)。此微元的排布方式还可根据具体非对称温度场进行调整。为验证本智力成果对光纤环圈温度误差的抑制作用，首先细化了离散的光纤环圈温度shupe误差的数学模型。通用的光纤环圈shupe误差离散数学模型当环境温度发生改变时，光纤环圈会产生热致非互易性shupe效应，当光束以传播常数β(z)通过长为l的光纤产生的相位延迟为：其中β0＝2π/λ0是真空中的传播常数，n(z)表示距光纤起始端长度为z的折射率。当环境温度变化时，光纤纤芯材料的折射率及媒质的热膨胀系数会发生改变，从而影响光波传播的相位：式(2)中n为光纤的有效折射率，是折射率的温度系数其大小为1.35×10-5，α是折射率膨胀系数，△t(z)表示沿光纤并且距其起始端距离为z处的点的温度分布变化量。因为α·n比小一至二个数量级，往往忽略α·n的影响。光纤陀螺中由于shupe误差引起的热致非互易性角速率误差为：式中，d为光纤环圈的平均直径；l为光纤的总长度；n表示光纤环圈的本地折射率；表示光纤z点在t时刻的变温速率；l-2z则表示z点光纤相对于光纤环圈中点的位置因子。设光纤环圈共有p层，每层匝数为q匝，因此长度为l的光纤环圈可以等效为共由p·q匝光纤构成。设第i匝光纤起点位置相对光纤环圈一端(设a端)起始点的坐标长度为li，第i匝光纤的长度为dli，则第i匝光纤的结束点距光纤环圈a端的坐标位置为li+dli，分别将第i匝光纤的起始点坐标代入式(3)，可以得到精确到匝的shupe误差热致输出角速率误差表达式：上式中(l-2li-dli)dli表示此匝光纤的位置因子。通过式(4)可知，光纤环圈中各匝光纤位置因子的差异主要取决于环圈绕制方法的不同。在此同时建立了光纤环圈有限元传热模型其模型中各组分参数如下表所示。表1仿真用光纤环圈各组份传热学参数将光纤环圈温度误差的离散数学模型与物理模型进行结合既可以得出在相同的温度条件下，不同绕制方案的光纤环圈对温度误差的抑制效果。仿真结果如表2所示。绕制方案温度误差的仿真归一化结果四极对称绕法1八极对称绕法50％十六极对称绕法20％本发明专利带有补偿微元的绕法5％从表2可以看出采用本智力成果发明的带有补偿微元的新型绕法可以更有效的提升光纤环圈的对温度误差的抑制效果。而且由于可以随意改变微元的排布顺序，可以针对性的对非对称热场进行光纤环圈内部光纤排布设计，可以更大限度的提升光纤环圈在非对称温度场条件下的温度性能。当前第1页1 2 3