專利名稱：無交叉光纖線圈傳感器和卷繞方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及光纖領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及巻繞光纖和光纖傳感器 的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖陀螺("FOG")利用光纖的帶巻長度來檢測(cè)微小的旋轉(zhuǎn)量。光源 的輸出被分割，由此形成兩個(gè)光束，并且指向光纖電纜的帶巻長度的相反 端。當(dāng)FOG被旋轉(zhuǎn)時(shí)，逆旋轉(zhuǎn)方向傳播的光束將經(jīng)歷比沿旋轉(zhuǎn)方向傳播的 光束短的光程，從而導(dǎo)致兩個(gè)光束之間的相移。這種相移可通過包括干涉 測(cè)量法的各種手段來測(cè)量，以確定FOG經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)量。
近來，F(xiàn)OG的發(fā)展集中在系統(tǒng)最小化和成本縮減上以便用于許多應(yīng)用， 包括戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。在不犧牲性能的情況下減小光纖陀螺 的大小要求對(duì)包括傳感器的一巻巻繞光纖給予相當(dāng)?shù)闹匾?。這是因?yàn)闇p 小使用常規(guī)巻繞配置制成的光纖線圈的大小會(huì)極大地增加"交叉"部位的數(shù) 目。在常規(guī)巻繞方案(即，光纖在一層上軸向巻繞在巻軸上，并且隨后將 后續(xù)層構(gòu)建在第一層上)中，交叉部位是一層上的光纖以對(duì)光纖施加應(yīng)力 的角度與下層光纖交叉的位置。這些交叉部位被發(fā)現(xiàn)在單模光纖線圈中導(dǎo) 致隨機(jī)偏振交叉耦合，這極大地降級(jí)光纖陀螺技術(shù)性能，從而在去偏振FOG
中導(dǎo)致偏振非互易("PNR")偏移誤差。
在過去，導(dǎo)航級(jí)性能FOG設(shè)計(jì)已要求使用相對(duì)昂貴的保偏("PM") 光纖。消除交叉允許廉價(jià)的單模("SM")光纖解決方案，這降低FOG的整 體成本。由于SM光纖的顯著成本優(yōu)勢(shì)，去偏振干涉測(cè)量FOG具有很大的 成本降低潛力。
關(guān)于常規(guī)FOG的另一個(gè)問題是存在時(shí)變熱梯度，它是較大的FOG誤 差源。時(shí)變熱梯度導(dǎo)致稱為Shupe效應(yīng)的現(xiàn)象，即由于線圈的不同段所經(jīng) 歷的時(shí)變溫度而導(dǎo)致的相移，并導(dǎo)致增加的偏移。減小變化的熱梯度要求 確保相移對(duì)稱且不導(dǎo)致偏移的復(fù)雜、成本高且耗時(shí)的巻繞模式。這些類型 的巻繞模式與自動(dòng)化高速巻繞系統(tǒng)不相兼容。
在Ruffin的美國專利No. 5，781,30 ("'301專利")中公開了巻繞光纖傳 感器線圈的無交叉且熱對(duì)稱方法。

圖1中給出了'301專利中公開的方法的 示例性例示。該方法通過在徑向上層疊的由外向內(nèi)和由內(nèi)向外的層上巻繞 光纖——替代按照慣例進(jìn)行的在重疊的層上軸向地巻繞——來消除傳統(tǒng)的 交叉。在'301專利公開的方法中，兩個(gè)饋送巻軸各自用光纖總長度的一半 用來巻繞，并且光纖的第一層是以從盤的內(nèi)徑到盤外徑的螺旋模式巻繞在 空心盤狀線圈架的平面?zhèn)壬?。用粘合劑將光纖固定到線圈架上。第二螺旋 層是第一層的鏡像，并且被應(yīng)用到線圈架的相反平面?zhèn)壬?。后續(xù)螺旋層被 巻繞成使得位于與光纖線圈的中心等距處的光纖環(huán)路為細(xì)空心盤的相反側(cè) 上的光纖環(huán)路的鏡像。這種技術(shù)旨在最小化徑向上的時(shí)變熱梯度。
'301專利中公開的發(fā)明也提供用于成對(duì)巻繞光纖層，并順序地交替成 對(duì)的層，這些層是由從兩個(gè)光纖饋送巻軸牽拉出的、繞過細(xì)線圈架的每側(cè) 的光纖形成，以最小化軸向上的時(shí)變熱梯度。每個(gè)光纖螺旋對(duì)具有從內(nèi)到 外巻繞的層，以及從外到內(nèi)巻繞的另一層。結(jié)果線圈由此提供熱對(duì)稱性， 這極大地減小時(shí)變熱梯度的徑向和軸向分量。盡管'301專利中公開的巻繞方法和光纖線圈是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，但 是存在對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)的可能性。'301專利中公開的巻繞方法的 一個(gè)缺點(diǎn)在于，線圈第一層之后在線圈架的任一側(cè)上的后續(xù)層直接位于先 前層之上，實(shí)際上將導(dǎo)致光纖的滑落和松弛。另外，由于各層位于彼此之 上，因此每一巻光纖中的接觸層之間存在類似于常規(guī)巻繞方案中的交叉部
位、但未受到比這些交叉點(diǎn)更小的應(yīng)力的"接觸點(diǎn)"。(參見'301專利，第4 巻，第13-30行)。然而，如果沒有此類交叉或接觸點(diǎn)，則會(huì)是合需的。 此外，巻繞模式中的誤差隨著層數(shù)的增加快速增加，因?yàn)槊恳粋€(gè)先前層直 接影響后續(xù)層的定位。
另外，'301專利中公開的過程始于最初通過線圈架的中心巻繞光纖， 并且在線圈架的兩側(cè)上巻繞是從內(nèi)到外執(zhí)行的。為了在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)這種情 況，將需要或者通過線圈架的中心孔將光纖纏繞在巻繞機(jī)上或者在線圈架 中切出從外徑到內(nèi)徑的通道，以使得預(yù)纏繞的光纖能夠從線圈架主體通到 中心。當(dāng)使用自動(dòng)化巻繞配置時(shí)，通過中心孔纏繞光纖從制造觀點(diǎn)看來， 并不實(shí)際，并且在線圈架中切出通道損害線圈架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和對(duì)稱性。 因此，期望具有無需將預(yù)纏繞的光纖穿過線圈架的中心的巻繞方法。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本公開針對(duì)無交叉光纖線圈傳感器及其巻繞方法，它們基本 上避免了由相關(guān)領(lǐng)域的限制和缺陷導(dǎo)致的諸問題中的一個(gè)或多個(gè)。
在以下描述中將闡述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)，并且根據(jù)本公開，或 通過本發(fā)明的實(shí)踐的示教，部分將變得顯而易見。本發(fā)明的目的和其它優(yōu) 點(diǎn)可通過所撰寫的說明書——包括本文所包含的任何權(quán)利要求和附圖—— 中特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種徑向巻繞的疊層光纖線圈，以及一種 便于經(jīng)由自動(dòng)化巻繞工藝來制造的用于巻繞光纖線圈的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種徑向巻繞的光纖線圈，以及一種基本上 消除了光纖之間的交叉部位或接觸點(diǎn)的、用于巻繞光纖線圈的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種巻繞的光纖線圈，以及一種無需將預(yù)巻繞光纖穿過線圈架的中心的、用于巻繞光纖線圈的方法。
本發(fā)明的又一目的是提供一種巻繞的光纖線圈，以及減小時(shí)變熱梯度 的巻繞方法。
在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于巻繞無交叉光纖線圈傳感器的 方法，包括將光纖電纜巻繞到第一供應(yīng)巻軸和第二供應(yīng)巻軸上；將光纖 電纜附連到線圈架的外邊緣，其中該線圈架包括第一側(cè)和第二側(cè)；使用第 一巻繞頭來在線圈架的第一側(cè)上形成第一由外向內(nèi)線圈層，其中第一供應(yīng) 巻軸向第一巻繞頭提供光纖電纜；將第一由內(nèi)向外分隔器附連到第一由外 向內(nèi)線圈層之上；使用第一巻繞頭來在第一由內(nèi)向外分隔器上形成第一由 內(nèi)向外線圈層，其中第一供應(yīng)巻軸向第一巻繞頭提供光纖電纜；使用第二 巻繞頭來在線圈架的第二側(cè)上形成第二由外向內(nèi)線圈，其中第二供應(yīng)巻軸 向第二巻繞頭提供光纖電纜；將第二由內(nèi)向外分隔器附連到第二由外向內(nèi) 線圈層之上；以及使用第二巻繞頭來在第二由內(nèi)向外分隔器上形成第二由 內(nèi)向外線圈層，其中第二供應(yīng)巻軸向第二巻繞頭提供光纖電纜。
在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于巻繞無交叉光纖線圈傳感器的 方法，還包括將第一由外向內(nèi)分隔器附連到所述第二由內(nèi)向外線圈層之 上；使用第一巻繞頭來在第一由外向內(nèi)分隔器上形成第三由外向內(nèi)線圈層， 其中第一供應(yīng)巻軸向第一巻繞頭提供光纖電纜；將第三由內(nèi)向外分隔器附 連到第三由外向內(nèi)線圈層之上；以及使用第一巻繞頭來在第三由內(nèi)向外分 隔器上形成第三由內(nèi)向外線圈層，其中第一供應(yīng)巻軸向第一巻繞頭提供光 纖電纜。
在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于巻繞無交叉光纖線圈傳感器的 方法，還包括將第二由外向內(nèi)分隔器附連到所述第一由內(nèi)向外線圈層之 上；使用第二巻繞頭來在第二由外向內(nèi)分隔器上形成第四由外向內(nèi)線圈層， 其中第二供應(yīng)巻軸向第二巻繞頭提供光纖電纜；將第四由內(nèi)向外分隔器附 連到第四由外向內(nèi)線圈層之上；以及使用第二巻繞頭來在第四由內(nèi)向外分 隔器上形成第四由內(nèi)向外線圈層，其中第二供應(yīng)巻軸向第二巻繞頭提供光 纖電纜。
在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種無交叉光纖線圈傳感器，包括線圈架，其中線圈架包括第一側(cè)、第二側(cè)和外邊緣；包括第一光纖部分和第 二光纖部分的光纖電纜，其中該光纖電纜的至少一部分被附連到線圈架的 外邊緣；第一由外向內(nèi)線圈層，其形成于線圈架的第一側(cè)上，其中第一由 外向內(nèi)線圈層是由第一光纖部分形成的；第一由內(nèi)向外分隔器，其被附連 到第一由外向內(nèi)線圈層之上；第一由內(nèi)向外線圈層，其形成于第一由內(nèi)向 外分隔器上，其中第一由內(nèi)向外線圈層是由第一光纖部分形成的；第二由 外向內(nèi)線圈層，其形成于線圈架的第二側(cè)上，其中第二由外向內(nèi)線圈層是 由第二光纖部分形成的；第二由內(nèi)向外分隔器，其被附連到第二由外向內(nèi) 線圈層之上；以及第二由內(nèi)向外線圈層，其形成于第二由內(nèi)向外分隔器之 上，其中第二由內(nèi)向外線圈層是由第二光纖部分形成的。
在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種無交叉光纖線圈傳感器，還包括 第一由外向內(nèi)分隔器，其被附連到第二由內(nèi)向外線圈層之上；第三由外向 內(nèi)線圈層，其形成于第一由外向內(nèi)分隔器之上，其中該第三由外向內(nèi)線圈 層是由第一光纖部分形成的；第三由內(nèi)向外分隔器，其被附連到第三由外 向內(nèi)線圈層之上；第三由內(nèi)向外線圈層，其形成于第二由內(nèi)向外分隔器上， 其中第三由內(nèi)向外線圈層是由第一光纖部分形成的；第二由外向內(nèi)分隔器， 其被附連到第一由內(nèi)向外線圈層之上；第四由外向內(nèi)線圈層，其形成于第 二由外向內(nèi)分隔器上，其中第四由外向內(nèi)線圈層是由第二光纖部分形成的； 第四由內(nèi)向外分隔器，其被附連到第四由外向內(nèi)線圈層之上；以及第四由 內(nèi)向外線圈層，其形成于第四由內(nèi)向外分隔器上，其中該第四由內(nèi)向外線 圈層是由第二光纖部分形成的。
應(yīng)當(dāng)理解，前述一般描述和以下詳細(xì)描述兩者皆是示例性和說明性的， 并且旨在提供對(duì)所公開的無交叉光纖線圈傳感器和巻繞方法的進(jìn)一步解 釋。
附圖簡述
在被包括以提供對(duì)所公開的無交叉光纖線圈傳感器和巻繞方法的進(jìn)一 步理解且被納入本說明書并構(gòu)成其一部分的附圖，例示了各個(gè)實(shí)施例，并 連同描述用于解釋所公開的無交叉光纖傳感器和巻繞方法的至少一個(gè)實(shí)施例的原理。
在附圖中
圖1是示出了涉及美國專利No. 5,781,301公開的巻繞方法中的步驟的示圖。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖傳感器的制造的示圖。 圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制造的部分光纖傳感器線圈的分解 圖的示圖。
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制造的部分光纖傳感器線圈的分解 圖的示圖。
圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、在多巻光纖之間具有分隔片的 光纖傳感器線圈的部分分解圖的示圖。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于制造光纖傳感器的裝置的示意性 例示。
圖6B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示意巻繞頭的示圖。 圖7是根據(jù)體現(xiàn)本發(fā)明的方法制造的光纖線圈層的圖示。 圖8和9是分發(fā)光纖電纜以形成根據(jù)本發(fā)明的光纖線圈層的巻繞頭的 圖示。
圖10和11是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于制造光纖傳感器的裝 置的總體圖的圖示。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖線圈層以及用于其間的裂開的分 隔片的圖示。
圖13是圖3的部分光纖傳感器線圈的尺寸圖。
本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述
現(xiàn)在詳細(xì)參照所公開的無交叉光纖線圈傳感器和巻繞方法的實(shí)施例， 在附圖中例示了這些實(shí)施例的示例。
圖2是示出了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的示圖，其中線圈架ll (類似于平 坦環(huán)狀墊圈)提供了對(duì)光纖線圈10的結(jié)構(gòu)支承。光纖線圈IO包括由從第 一供應(yīng)巻軸17和第二供應(yīng)巻軸19分別提供的光纖電纜1形成的多個(gè)線圈層12a到12e以及14a到14e。
在某些實(shí)施例中，光纖線圈IO的巻繞是通過將光纖電纜巻繞到第一供 應(yīng)巻軸17和第二供應(yīng)巻軸19上開始的。在優(yōu)選實(shí)施例中，光纖電纜的巻 繞到光纖第一供應(yīng)巻軸17上的量和光纖電纜巻繞到第二供應(yīng)巻軸19上的 量在長度上基本相同。光纖電纜的巻繞到第一供應(yīng)巻軸17上的量和光纖電 纜巻繞到第二供應(yīng)巻軸19上的量在長度上可以不同而不背離本發(fā)明的精神 和范圍。光纖電纜可包括單條連續(xù)的光纖電纜或者由多個(gè)光纖電纜段構(gòu)成。 在某些實(shí)施例中，光纖電纜可包括單模光纖電纜。合適的單模光纖電纜包 括例如由GA的Norcross的OFS制造的GyroSil Clearlite BF06158，當(dāng)然， 可使用任何單模光纖電纜或保偏光纖電纜，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
在某些實(shí)施例中，光纖電纜的一部分在隨后被附連到線圈架11的外邊 緣。在某些實(shí)施例中，光纖電纜附連到線圈架的外邊緣的部分可以是光纖 電纜的中心15。線圈架11還包括第一側(cè)、第二側(cè)和內(nèi)部小孔20，如圖3 中所示。線圈架ll可由剛性材料形成以向光纖線圈提供機(jī)械強(qiáng)度。線圈架 11還可包括諸如銅的導(dǎo)熱材料以提供增強(qiáng)的熱特性。當(dāng)然，線圈架11可由 其它材料形成而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
在某些實(shí)施例中，如圖13中所示的，內(nèi)部小孔20的直徑可為15毫米。 線圈架11的直徑可為80毫米，而厚度可為1.2毫米。當(dāng)然，這些尺寸可根 據(jù)光纖線圈IO的期望性能特性顯著變化，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
在某些實(shí)施例中，使用第一巻繞頭在線圈架11的第一側(cè)上形成第一由 外向內(nèi)線圈層12a。第一供應(yīng)巻軸17向第一巻繞頭提供光纖電纜。術(shù)語"由 外向內(nèi)"指示線圈層從線圈架11的外邊緣開始并向線圈架11的內(nèi)部小孔20 巻繞。相反，"由內(nèi)向外"指示線圈層從線圈架11的內(nèi)部小孔20開始并向 線圈架11的外邊緣巻繞。第一由外向內(nèi)線圈層12a是由第一巻繞頭形成的， 該巻繞頭將由第一供應(yīng)巻軸17提供的光纖電纜精確地定位到線圈架11的 表面上，成為一系列緊密巻繞的螺旋環(huán)路，以使得線圈架11的中心與這些 環(huán)路的中心相一致。第一由外向內(nèi)線圈層12a是使用低張力巻繞方案來形 成的，該低張力巻繞方案要求光纖電纜如同敷設(shè)在線圈架11上那樣被"附 加"到位置上。因此，在形成線圈層之前施加粘合劑22。合適的粘合劑包括諸如由MN的St.Paul的3M公司制造的部件444的雙面粘合帶。當(dāng)然，可 使用其它粘合劑而不背離本發(fā)明的精神和范圍。圖3示意性示出了使用粘 合層22將兩個(gè)熱對(duì)稱線圈層12a、 14a固定到線圈架11。在一個(gè)實(shí)施例中， 第一由外向內(nèi)線圈層12a是通過第一巻繞頭在線圈架11的第一側(cè)上形成 的，而第二由外向內(nèi)線圈層14a是通過第二巻繞頭在線圈架11的第二側(cè)上 形成的。每個(gè)由外向內(nèi)線圈層有益地與由內(nèi)向外線圈層相組合，如以下詳 述的。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有四個(gè)熱對(duì)稱層(線圈架11的每側(cè)兩 個(gè))的光纖線圈傳感器的示意性分解圖。在某些實(shí)施例中，第一由內(nèi)向外 分隔器23被附連到第一由外向內(nèi)線圈層12a之上。第一由內(nèi)向外分隔器23 可包括前半部和后半部以改進(jìn)光纖線圈IO的可制造性。第一由內(nèi)向外分隔 器23可包括導(dǎo)熱材料，例如銅，以改進(jìn)光纖線圈IO的熱平衡。使用第一 巻繞頭在第一由內(nèi)向外分隔器23之上形成第一由內(nèi)向外線圈層12b。第一 由內(nèi)向外線圈層12b可通過裂開的粘合片24粘合到第一由內(nèi)向外分隔器。 裂開的粘合片24可包括諸如由MN的St. Paul的3M公司制造的部件444 的雙面粘合帶。(當(dāng)然，還可使用其它粘合劑，而不背離本發(fā)明的精神和 范圍。)在一實(shí)施例中，在形成線圈層12b之后，將線圈架翻轉(zhuǎn)，并且使 用第二巻繞頭形成第二由外向內(nèi)線圈層14a。使用粘合層22將線圈層14a 粘合到線圈架11的第二側(cè)。第二由內(nèi)向外分隔器23在隨后被放置在線圈 層14a上；該分隔器較佳地分成前半部和后半部，以使得光纖電纜可通過 其中心小孔。然后，第二由內(nèi)向外線圈層14b形成于分隔器上，并通過另 一裂開的粘合片24粘合于此。隨后，將線圈架ll再次翻轉(zhuǎn)，以在線圈架 的第一側(cè)上形成附加線圈層。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)，可通過重復(fù)上述步驟制造所要求 那么多的熱對(duì)稱線圈層。重復(fù)由外向內(nèi)和由內(nèi)向外線圈巻繞，連同使用粘 合層和分隔器，確保了已完成的光纖線圈傳感器是無交叉、熱對(duì)稱的且在 結(jié)構(gòu)上是穩(wěn)定的。如圖4中所示，體現(xiàn)本發(fā)明的光纖線圈傳感器在線圈架 的第一側(cè)上具有一組線圈層，而在線圈架的第二側(cè)上具有第二組線圈層； 第一組和第二組具有相等數(shù)目的層以及基本相等的光纖電纜長度。應(yīng)當(dāng)注 意，第一組和第二組之間的光纖電纜連接僅位于線圈架的圓周的外部；艮口，沒有電纜穿過線圈架的中心小孔。
線圈架和分隔器可包括用于將線圈層保持在適當(dāng)位置的法蘭，如圖5 中所示的。在圖5中所示的實(shí)施例中，線圈架11在其外邊緣具有法蘭llf，
以使得第一由外向內(nèi)線圈層12a適配于法蘭內(nèi)部。第一由內(nèi)向外分隔器23 具有圍繞中心小孔的法蘭23f;繞法蘭23f形成第一由內(nèi)向外線圈層12b。 附加的由外向內(nèi)分隔器25在其圓周處具有法蘭25f，以使得第三由外向內(nèi) 線圈層12c適配于法蘭25f內(nèi)部。
在其它實(shí)施例中，第一由內(nèi)向外分隔器23可包括孔眼。灌封材料可被 應(yīng)用于第一由外向內(nèi)線圈層12a。合適的灌封材料包括例如可從Master Bond購買到的EP29LPSP環(huán)氧樹脂。當(dāng)然，可使用另一灌封材料而不背離 本發(fā)明的精神和范圍。當(dāng)?shù)谝挥蓛?nèi)向外分隔器23包括孔眼時(shí)，來自第一由 外向內(nèi)線圈層12a的過剩的灌封材料將通過孔眼，并在形成第一由內(nèi)向外 線圈層12b期間充當(dāng)粘合劑，從而導(dǎo)致裂開分隔片24變得多余。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于形成光纖線圈傳感器的裝置的示 意性例示。連續(xù)光纖電纜1可從兩個(gè)巻繞頭61-1、 61-2的任一個(gè)饋送出。 每個(gè)巻繞頭包括光纖巻軸63和用于通過光纖施放器部分71將光纖電纜從 巻軸饋送出的饋送電機(jī)62。線圈架11安置于支承面(未示出)上，而巻繞 頭使用機(jī)械平臺(tái)(未示出)相對(duì)于線圈架移動(dòng)。圖6A將巻繞頭61-1示為 其在由箭頭所示的方向上以基本為平面螺旋的方式將電纜1饋送到線圈架 11 (較佳地在其表面上已具有粘合層22)上，以形成第一由外向內(nèi)線圈層 12a。在線圈架被翻轉(zhuǎn)之后，巻繞頭61-2被用于在線圈架11的另一側(cè)上形 成線圈層。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)，通過使用兩個(gè)巻繞頭饋送連續(xù)光纖電纜，允許形成 穩(wěn)定的熱對(duì)稱線圈傳感器而沒有交叉或電纜折斷。
替換地，可按照可同時(shí)訪問線圈架的兩個(gè)平面表面的方式來支持線圈 架。在一實(shí)施例中，巻繞頭61-1在一個(gè)表面上形成線圈層，而巻繞頭61-2 在相反表面上形成另一線圈層。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，機(jī)械平臺(tái)可被 配置成使得每個(gè)巻繞頭可從線圈架的一側(cè)移至另一側(cè)而無需翻轉(zhuǎn)線圈架。
在圖6B中示意性地例示了巻繞頭61的某些細(xì)節(jié)；根據(jù)本發(fā)明的各個(gè) 實(shí)施例，巻繞頭61可被用作第一巻繞頭和第二巻繞頭。巻繞頭61包括饋送電機(jī)62、光纖巻軸63、光纖張緊輪64、光纖長度編碼器65、空轉(zhuǎn)輪66、 光纖導(dǎo)桿67、光纖施放器68、相機(jī)69、高度傳感器70。光纖巻軸63由饋 送電機(jī)62來驅(qū)動(dòng)。光纖電纜通過光纖張緊輪64從光纖巻軸63饋送出、隨 后在光纖長度編碼器與空轉(zhuǎn)輪66之間饋送。當(dāng)從光纖巻軸63饋送光纖電 纜，光纖張緊輪64向該光纖電纜提供例如小于35克的標(biāo)稱張力，以控制 會(huì)導(dǎo)致饋送問題或光纖折斷的非希望巻軸"解開"。光纖張緊輪64在閉環(huán)中 與饋送電機(jī)62起作用。隨著光纖張緊輪64上張力的增大，饋送電機(jī)62的 旋轉(zhuǎn)速度增加。相反，當(dāng)光纖張緊輪64上張力減小時(shí)，饋送電機(jī)62的旋 轉(zhuǎn)速度減小。光纖長度編碼器65提供對(duì)已經(jīng)從光纖巻軸63饋送出的光纖 長度的測(cè)量。光纖長度編碼器65彈力加載到空轉(zhuǎn)輪66，以使得空轉(zhuǎn)輪66 將光纖電纜引導(dǎo)至光纖導(dǎo)桿67。光纖導(dǎo)桿67定向光纖電纜，以使其可被應(yīng) 用到襯底。光纖導(dǎo)桿67可包括前半部和后半部，以使得光纖電纜可穿過光 纖導(dǎo)桿67而無需光纖電纜具有切割端。光纖施放器68是具有滾珠軸承安 裝輪、用于在光纖與襯底形成接觸時(shí)向光纖施加壓力的螺線管或氣缸操作 臂。相機(jī)69包括用于在施加光纖時(shí)觀測(cè)該光纖的至少一個(gè)相機(jī)。相機(jī)69 可由操作員使用或由視覺硬件/軟件使用以使生產(chǎn)自動(dòng)化。高度傳感器70 提供相對(duì)于襯底獲得的巻繞頭高度。此高度可被用于確保光纖導(dǎo)桿67處于 恰當(dāng)高度，或者用于將光纖電纜應(yīng)用于具有變化高度的襯底。
圖7示出了根據(jù)以上所描述的方法制造的襯底上的光纖線圈層。圖8 和9示出了使用巻繞頭巻繞到襯底上的光纖線圈層。圖10和11示出了用 于巻繞光纖線圈層的自動(dòng)化巻繞機(jī)器，包括用于相對(duì)于襯底移動(dòng)巻繞頭的 機(jī)械平臺(tái)。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、與線圈層聯(lián)用以形成光纖 線圈傳感器的一對(duì)裂開的分隔片。如圖13的尺寸圖中所示的，體現(xiàn)本發(fā)明 的典型傳感器具有外徑為80毫米的線圈架、直徑為15毫米且厚度為1.2 毫米的中心小孔。光纖電纜1的典型直徑為150n。
根據(jù)本發(fā)明的光纖線圈傳感器的應(yīng)用包括但不限于FOG和慣性測(cè)量 單元(IMU)。
雖然本文已描述了無交叉光纖線圈傳感器和巻繞方法的詳細(xì)和特定實(shí) 施例，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可在其中作出各種改變和修改而不背離所公開的無交叉光纖線圈傳感器和巻繞方法的精神和范圍。 因此，本公開旨在涵蓋這些修改和變化，只要它們落在所附權(quán)利要求和/或 其等效方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于卷繞無交叉光纖線圈傳感器的方法，包括a)將光纖電纜卷繞到第一供應(yīng)卷軸和第二供應(yīng)卷軸上；b)將所述光纖電纜附連到線圈架的外邊緣，其中所述線圈架包括第一側(cè)和第二側(cè)；c)使用第一卷繞頭來在所述線圈架的所述第一側(cè)上形成第一由外向內(nèi)線圈層，其中所述第一供應(yīng)卷軸向所述第一卷繞頭提供光纖電纜；d)將第一由內(nèi)向外分隔器附連到所述第一由外向內(nèi)線圈層；e)使用所述第一卷繞頭在所述第一由內(nèi)向外分隔器上形成第一由內(nèi)向外線圈層；f)使用第二卷繞頭來在所述線圈架的所述第二側(cè)上形成第二由外向內(nèi)線圈層，其中所述第二供應(yīng)卷軸向所述第二卷繞頭提供光纖電纜；g)將第二由內(nèi)向外分隔器附連到所述第二由外向內(nèi)線圈層；以及h)使用所述第二卷繞頭在所述第二由內(nèi)向外分隔器上形成第二由內(nèi)向外線圈層。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一巻繞頭的結(jié)構(gòu)和所 述第二巻繞頭的結(jié)構(gòu)基本上是相同的。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纖電纜包括單條連續(xù) 的光纖電纜。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述光纖電纜的中心被附連 到所述線圈架的所述外邊緣。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，光纖電纜在所述第一供應(yīng)巻 軸上的量與光纖電纜在所述第二供應(yīng)巻軸上的量在長度上基本相等。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纖電纜包括單模光纖 電纜。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纖電纜包括保偏光纖 電纜。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器各自包括前半部和后半部。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器各自包 括雙面粘合片。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器各自包 括導(dǎo)熱材料。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)熱材料包括銅。
12. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器的至少 之一還包括孔眼。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括 將所述線圈架置于外殼中；以及 將所述線圈架封裝到灌封材料中。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括i)將第一由外向內(nèi)分隔器附連到所述第二由內(nèi)向外線圈層； j)使用所述第一巻繞頭在所述第一由外向內(nèi)分隔器上形成第三由外向內(nèi) 線圈層；k)將第三由內(nèi)向外分隔器附連到所述第三由外向內(nèi)線圈層；以及 1)使用所述第一巻繞頭在所述第三由內(nèi)向外分隔器上形成第三由內(nèi)向外 線圈層。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括 m)翻轉(zhuǎn)所述線圈架；n)將第二由外向內(nèi)分隔器附連到所述第一由內(nèi)向外線圈層； o)使用所述第二巻繞頭在所述第二由外向內(nèi)分隔器上形成第四由外向內(nèi) 線圈層；p)將第四由內(nèi)向外分隔器附連到所述第四由外向內(nèi)線圈層；以及 q)使用所述第二巻繞頭在所述第四由內(nèi)向外分隔器上形成第四由內(nèi)向外 線圈層。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述由外向內(nèi)分隔器包括 導(dǎo)熱材料。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)熱材料包括銅。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述由外向內(nèi)分隔器還包 括孔眼。
19. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括反復(fù)地重復(fù)步驟i) 到q)。
20. —種無交叉光纖線圈傳感器，包括線圈架，其中所述線圈架包括第一側(cè)、第二側(cè)和外邊緣；包括第一光纖部分和第二光纖部分的光纖電纜，其中所述光纖電纜的至少一部分被附連到所述線圈架的所述外邊緣；第一由外向內(nèi)線圈層，其形成于所述線圈架的所述第一側(cè)上，其中所述第一由外向內(nèi)線圈層是由所述第一光纖部分形成的；第一由內(nèi)向外分隔器，其被附連到所述第一由外向內(nèi)線圈層；第一由內(nèi)向外線圈層，其形成于所述第一由內(nèi)向外分隔器上，其中所述第一由內(nèi)向外線圈層是由所述第一光纖部分形成的；第二由外向內(nèi)線圈層，其形成于所述線圈架的所述第二側(cè)上，其中所述第二由外向內(nèi)線圈層是由所述第二光纖部分形成的；第二由內(nèi)向外分隔器，其被附連到所述第二由外向內(nèi)線圈層；以及 第二由內(nèi)向外線圈層，其形成于所述第二由內(nèi)向外分隔器上，其中所述第二由內(nèi)向外線圈層是由所述第二光纖部分形成的。
21. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述光纖電纜是單條連 續(xù)的光纖電纜。
22. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述第一光纖部分和所 述第二光纖部分具有基本相等的長度。
23. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述光纖電纜包括單模 光纖電纜。
24. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述光纖電纜包括保偏 光纖電纜。
25. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器各 自包括前半部和后半部。
26. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器各自包括雙面粘合片。
27. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器各 自包括導(dǎo)熱材料。
28. 如權(quán)利要求27所述的傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)熱材料包括銅。
29. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器的 至少之一還包括孔眼。
30. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，還包括-外殼，其中所述線圈架位于所述外殼內(nèi)；以及 灌封材料，其中所述灌封材料封裝所述線圈架。
31. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，還包括-第一由外向內(nèi)分隔器，其被附連到所述第二由內(nèi)向外線圈層； 第三由外向內(nèi)線圈層，其形成于所述第一由外向內(nèi)分隔器上，其中所述第三由外向內(nèi)線圈層是由所述第一光纖部分形成的；第三由內(nèi)向外分隔器，其被附連到所述第三由外向內(nèi)線圈層； 第三由內(nèi)向外線圈層，其形成于所述第三由內(nèi)向外分隔器上，其中所述第三由內(nèi)向外線圈層是由所述第一光纖部分形成的；第二由外向內(nèi)分隔器，其被附連到所述第一由內(nèi)向外線圈層； 第四由外向內(nèi)線圈層，其形成于所述第二由外向內(nèi)分隔器上，其中所述第四由外向內(nèi)線圈層是由所述第二光纖部分形成的；第四由內(nèi)向外分隔器，其被附連到所述第四由外向內(nèi)線圈層；以及 第四由內(nèi)向外線圈層，其形成于所述第四由內(nèi)向外分隔器上，其中所述第四由內(nèi)向外線圈層是由所述第二光纖部分形成的；
32. 如權(quán)利要求31所述的傳感器，其特征在于，所述由外向內(nèi)分隔器包 括導(dǎo)熱材料。
33. 如權(quán)利要求32所述的傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)熱材料包括銅。
34. 如權(quán)利要求32所述的傳感器，其特征在于，所述由外向內(nèi)分隔器還 包括孔眼。
35. —種用于制造光纖線圈傳感器的裝置，包括第一巻繞頭，用于以基本為平面螺旋的方式將光纖電纜施加到襯底的第一表面，所述第一巻繞頭包括第一光纖巻軸、第一饋送電機(jī)和第一施放器部分； 以及第二巻繞頭，用于以基本為平面螺旋的方式將所述光纖電纜施加到襯底的 第二表面，所述第二巻繞頭包括第二光纖巻軸、第二饋送電機(jī)和第二施放器部 分，其中所述光纖電纜是從所述第一巻軸延伸到所述第二巻軸的連續(xù)電纜。
36. 如權(quán)利要求35所述置，其特征在于，所述第一巻繞頭被連接到第一平臺(tái)，用于相對(duì)于所述襯底移動(dòng)所述第一巻 繞頭，以及所述第二巻繞頭被連接到第二平臺(tái)，用于相對(duì)于所述襯底移動(dòng)所述第二巻 繞頭。
37. 如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，所述第一施放器部分包括在所述光纖電纜被施加到所述第一表面時(shí)對(duì)所 述電纜施加壓力的第一壓輪，以及所述第二施放器部分包括用于在所述光纖電纜被施加到所述第二表面時(shí) 對(duì)所述電纜施加壓力的第二壓輪。
38. 如權(quán)利要求20所述的傳感器，其特征在于，所述由內(nèi)向外分隔器的 至少之一在其內(nèi)部具有小孔并且在所述小孔的邊緣處具有法蘭。
39. 如權(quán)利要求31所述的傳感器，其特征在于，所述由外向內(nèi)分隔器的 至少之一在其外邊緣處具有法蘭。
40. 如權(quán)利要求22所述的傳感器，其特征在于 第一組線圈層被置于所述線圈架的所述第一側(cè)上， 第二組線圈層被置于所述線圈架的所述第二側(cè)上，以及 所述第一組和第二組中的層數(shù)是相等的，以使得所述傳感器基本上熱對(duì)對(duì)稱。
41. 一種用于制造光纖線圈傳感器的方法，包括以下步驟-將光纖電纜在線圈架的外邊緣上的附著點(diǎn)處附連到所述外邊緣，其中所述線圈架具有第一側(cè)和第二側(cè)；使用第一巻繞頭從第一供應(yīng)巻軸提供光纖電纜來在所述第一側(cè)上形成第一由外向內(nèi)線圈層；隨后使用所述第一巻繞頭在所述第一側(cè)上形成第一由內(nèi)向外線圈層； 使用第二巻繞頭從第二供應(yīng)巻軸提供光纖電纜來在所述第二側(cè)上形成第二由外向內(nèi)線圈層；隨后使用所述第二巻繞頭在所述第二側(cè)上形成第二由內(nèi)向外線圈層； 由此在所述第一側(cè)上形成第一組線圈層，以及在第二側(cè)上形成第二組線圈層，這些線圈層在所述附著點(diǎn)處被連接，其中所述第一組與所述第二組之間的光纖電纜連接僅位于所述線圈架的圓周外部。
42. 如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 在形成所述第一由內(nèi)向外線圈層之前將第一分隔器附連到所述第一由外向內(nèi)線圈層；以及在形成所述第二由內(nèi)向外線圈層之前將第二分隔器附連到所述第二由外 向內(nèi)線圈層，以使得每個(gè)組的兩個(gè)線圈層具有設(shè)置于其間的分隔器。
43. 如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述光纖電纜包括單條連 續(xù)的光纖電纜。
44. 如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述光纖電纜的中心在所 述附著點(diǎn)處被附連到所述線圈架的所述外邊緣。
45. 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，所述分隔器各自包括前半 部和后半部。
46. 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，還包括將每個(gè)分隔器設(shè)成 具有用于粘合到線圈層的粘合表面。
47. 如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 在形成所述第一由外向內(nèi)線圈層之前在所述線圈架的所述第一側(cè)上形成第一粘合層；以及在形成所述第二由外向內(nèi)線圈層之前在所述線圈架的所述第二側(cè)上形成 第二粘合層。
48. 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)分隔器包括導(dǎo)熱材料。
49. 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)分隔器還包括孔眼。
50. 如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 將所述線圈架置于外殼中；以及將所述線圈架封裝到灌封材料中。
51. —種無交叉光纖線圈傳感器，包括 線圈架，其具有第一側(cè)、第二側(cè)和外邊緣；分別置于所述第一側(cè)和所述第二側(cè)上的第一組線圈層和第二組線圈層，所 述線圈層的每一個(gè)具有布置成基本為平面螺旋的光纖電纜；分別散布所述第一側(cè)和所述第二側(cè)上的毗鄰線圈層之間的第一組分隔器和第二組分隔器；以及位于所述外邊緣處的、連接所述第一組中的線圈層與所述第二組中的線圈 層的光纖電纜部分。
52. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，所述光纖電纜部分的被 附連到所述線圈架的所述外邊緣。
53. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，所述第一組與所述第二 組之間的光纖電纜連接僅位于所述線圈架的圓周外部。
54. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，所述光纖電纜包括單條 連續(xù)光纖電纜。
55. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于， 所述第一組和所述第二組具有基本相等的光纖電纜長度，并且 所述第一組和所述第二組中的線圈層的數(shù)目相等，以使得所述傳感器基本上熱對(duì)稱。
56. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，在所述第一組和所述第 二組的每一個(gè)中，所述線圈層包括交替的由外向內(nèi)和由內(nèi)向外層。
57. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，所述分隔器的每一個(gè)具 有用于粘合到線圈層的粘合層。
58. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，所述分隔器各自包括前半部和后半部。
59. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，具有形成于與所述線圈 架背向的表面上的由內(nèi)向外線圈層的分隔器被表征為由內(nèi)向外分隔器，并且至 少一個(gè)由內(nèi)向外分隔器在其內(nèi)部具有小孔，并且在所述小孔的邊緣處具有法
60. 如權(quán)利要求51所述的傳感器，其特征在于，具有形成于與所述線圈 架背向的表面上的由外向內(nèi)線圈層的分隔器被表征為由外向內(nèi)分隔器，并且至 少一個(gè)由外向內(nèi)分隔器在其外邊緣處具有法蘭。
全文摘要
一種用于卷繞無交叉光纖線圈傳感器的方法，包括將光纖電纜附連到線圈架外邊緣，其中線圈架(11，10)包括第一側(cè)、第二側(cè)；使用第一卷繞頭形成線圈架第一側(cè)的第一由外向內(nèi)線圈層(12a-12e)；將第一由內(nèi)向外分隔器(23)附連到第一由外向內(nèi)線圈層(12a-12e)之上；使用第一卷繞頭在第一由內(nèi)向外分隔器之上形成第一由內(nèi)向外線圈層；使用第二卷繞頭在線圈架第二側(cè)上形成第二由外向內(nèi)線圈層；將第二由內(nèi)向外分隔器(23)附連到第二由外向內(nèi)線圈層之上；以及使用第二卷繞頭在第二由內(nèi)向外分隔器(23)之上形成第二由內(nèi)向外線圈層。
文檔編號(hào)G02B6/00GK101548210SQ200780023314
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者M·R·威廉姆斯 申請(qǐng)人:摩根研究股份有限公司