專利名稱：：一種可分離式骨架及利用該骨架實(shí)現(xiàn)的光纖線圈制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種繞制光纖線圈用的骨架及光纖線圈的制備方法。
背景技術(shù)：
：近年來，國內(nèi)光纖陀螺發(fā)展迅速，中低精度光纖陀螺基本實(shí)現(xiàn)工程化，在多個(gè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，高精度光纖陀螺的研制也開展得如火如茶，但總體來說距離國外的水平還有很大差距。根據(jù)光纖陀螺的基本工作原理其中，L為光纖線圈的長度，D為光纖線圏的平均直徑，A為光波波長，C為光波在真空中的傳播速度。光纖陀螺的精度與光纖線圈圏的長度和平均直徑的乘積LD成正比，因而高精度光纖陀螺中除采用加大光纖線圏骨架的直徑外，還會(huì)采用相對(duì)較長的光纖來繞制光纖線圏，光纖線圈中相向傳輸?shù)膬墒庵g的非互易相位差是光纖陀螺的主要誤差源之一，光纖越長這種非互易誤差產(chǎn)生的幾率就越大，由于光纖線圈受力不均勻?qū)е碌钠窠徊骜詈?、由于熱場不均勻?qū)е碌姆腔ヒ紫辔徽`差等問題必須通過工藝改進(jìn)來克服。在高精度光纖陀螺中，如何減小骨架對(duì)光纖線圏的影響，光纖線圈如何達(dá)到快速的熱平ff,如何減小外界環(huán)境對(duì)光纖線圈的影響都非常重要，高精度光纖陀螺在國內(nèi)還沒有取得突破性進(jìn)展的主要原因之一就是光纖線圈的技術(shù)還沒有完全解決。為解決高精度光纖陀螺用光纖線圏的技術(shù)問題，各研制單位大多采用四極對(duì)稱繞法繞制光纖環(huán)，然后對(duì)光纖線圈進(jìn)行固化，對(duì)光纖線圈進(jìn)行固化是為了提高線圈的振動(dòng)特性，提高光纖陀螺多次通電的重復(fù)性，四極對(duì)稱繞法的目的是使光纖環(huán)相對(duì)于中點(diǎn)對(duì)稱的兩段光纖經(jīng)歷相同的溫度場，從而減小由于溫度51起的非互易相位誤差。光纖環(huán)內(nèi)部的溫度場與光纖的空間位置和時(shí)間相關(guān)，溫度場影響光纖的折射率和線膨脹系數(shù)等物理參數(shù)。以溫度導(dǎo)致的折射率變化為例考慮圖1中長度為L的光纖環(huán)上，距離光纖一端為z的一小段光纖5z上存在一個(gè)溫度擾動(dòng)(圖中M代表長度中點(diǎn))，該擾動(dòng)引入的非互易相位誤差可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>必wi/r&"(3)式中，A為光波波長，dn/dT為光纖折射率對(duì)溫度的變化率，dT/dt為5z處溫度的時(shí)間變化率，n為光纖折射率，C為真空中的光速。從(2)式中可以看出，受溫度擾動(dòng)的微元距離光纖中點(diǎn)越遠(yuǎn)，引入的非互易相位越大。在線圏的全長范圍內(nèi)積分，得到溫度擾動(dòng)引入的總相位誤差為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(4)如果相對(duì)線圏中點(diǎn)對(duì)稱的兩段光纖經(jīng)歷了相同的溫度變化，則(4)式的積分結(jié)果為零，溫度擾動(dòng)引入的相位差為零。應(yīng)力導(dǎo)致的折射率變化同溫度引起的折射率變化的原理是一樣的，如果相對(duì)線圏中點(diǎn)對(duì)稱的兩段光纖經(jīng)歷了相同的應(yīng)力變化，應(yīng)力擾動(dòng)引入的相位差也為零。采用上述技術(shù)方案的主要問題在于在實(shí)際情況下，由于繞制的不理想性(如繞制的不完全對(duì)稱、光纖線圈中有每層光纖的交叉現(xiàn)象)、浸膠工藝的不完善(膠的厚度不均勻、光纖的熱平衡時(shí)間長、溫度梯度非線性等)導(dǎo)致相對(duì)線圈中點(diǎn)對(duì)稱的兩段光纖不可能經(jīng)歷完全相同的溫度場，由于浸膠使光纖線圈中光纖受力的不均勻，骨架熱脹冷縮對(duì)光纖施加的應(yīng)力等，光纖線圏也不會(huì)經(jīng)歷完全相同的應(yīng)力場，在溫度和力學(xué)振動(dòng)的環(huán)境下，光纖線圏還不能達(dá)到高精度光纖陀螺的精度要求，因此還必須在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)、改善工藝，提高光纖線圏的性能，進(jìn)而提高光纖陀螺的精度。目前，國外關(guān)于光纖線圈繞制方法的專利和文章，均只是描述了一種四極對(duì)稱的繞制方法，沒有公開無骨光纖線圈的制備方法。關(guān)于骨架方面的報(bào)道，國內(nèi)專利公開號(hào)CN101275835A,發(fā)明名稱"用于光纖陀螺無上沿光纖環(huán)的脫骨架繞環(huán)夾具"，該申請(qǐng)中通過夾具的形式將骨架兩側(cè)的法蘭取下，使光纖線圈的上部無上沿約束，呈自由狀態(tài)。但是該申請(qǐng)采用夾具的方式實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，并且骨架中的輪轂與線圈沒有分離，不能消除輪轂對(duì)光纖線圈徑向產(chǎn)生的應(yīng)力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可分離式骨架及利用該骨架實(shí)現(xiàn)的光纖線圈制備方法，提高了光纖線圈的溫度特性和振動(dòng)特性。本發(fā)明的可分離式骨架的技術(shù)解決方案一是一種可分離式骨架包括輪轂和兩個(gè)法蘭，兩個(gè)法蘭分別安裝在輪轂兩側(cè)，輪轂上加工有凸臺(tái)，該凸臺(tái)與法蘭上相應(yīng)孔配合，當(dāng)將法蘭與輪轂分離后，通過拖動(dòng)該凸臺(tái)將輪轂與光纖線圈分離。本發(fā)明的可分離式骨架的技術(shù)解決方案二是一種可分離式骨架包括輪轂、兩個(gè)法蘭和至少兩塊楔形塊；輪轂由兩個(gè)對(duì)稱的半圓構(gòu)成，兩個(gè)半圓接合處加工有楔形槽；輪轂或楔形塊上加工有凸臺(tái)，該凸臺(tái)與法蘭上相應(yīng)孔或槽相配合，兩個(gè)法蘭分別安裝在輪轂兩側(cè)，組成所述骨架。本發(fā)明方法的技術(shù)解決方案是無骨架光纖線圈制備方法，包括下列步驟(1)在權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的骨架的表面涂覆一層熱溶膠；(2)繞制線圈，將繞制的光纖線圏置于真空壓力裝置中，并進(jìn)行真空壓力浸漬；(3)將浸漬完成后的光纖線圏置于離心機(jī)上進(jìn)行甩膠；(4)固化光纖線圏；(5)對(duì)固化后的光纖線圏進(jìn)行加熱，取下骨架，并在光纖線圈的最內(nèi)層和最外層涂覆一種隔熱膠，完成無骨架光纖環(huán)的制備。所述步驟(4)固化后還采用小量級(jí)的振動(dòng)對(duì)光纖線圈進(jìn)行應(yīng)力釋放。所述的振動(dòng)量級(jí)控制在2~6g，時(shí)間控制在30~60分鐘。所述步驟(1)中的熱溶膠的厚度為0.5~1mm。所述步驟(2)中的繞制線圏過程為根據(jù)光纖線圈的層數(shù)及骨架的外徑，確定繞制第一層所采用的張力，繞制的過程中逐層線性減小繞纖的張力，直至繞完整個(gè)線圈。所述的繞制第一層所采用的張力F<Y-^~.《9.8.103D+pF4其中，cpF為光纖的外徑；Y為光纖允許的最大張力，丫通常小于30g;D為骨架的內(nèi)徑。所述的逐層線性減小繞纖的張力的遞減系數(shù)為X滿足";c+2<F;其中，n為線圏繞制層^:;F為第一層的繞纖張力。所述步驟(2)中的壓力浸漬時(shí)的壓力控制在0.52Mpa之間。所述步驟(2)中的浸漬所采用固化膠的硬度低于25度、熱脹系數(shù)低于5xicr4。所述的固化膠中可以加入導(dǎo)熱物質(zhì)，使光纖線圏在溫度環(huán)境內(nèi)快速達(dá)到熱平衡。所述步驟(3)中的離心機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在500~2000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間控制在2~5分鐘。所述步驟(4)中的固化一般采用加熱，或常溫放置或紫外光照射的方法。所述的步驟(5)中加熱的溫度不易超過60。C。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)本發(fā)明可分離式骨架，結(jié)構(gòu)簡單易于分離。(2)本發(fā)明的光纖線圏制備方法，采用本發(fā)明的可分離式骨架，繞制線圏前在骨架表面涂覆一層熱溶膠，降低了光纖線圈從骨架上取下的難度，減小光纖線圈受到意外損傷和取骨架過程中引入其它應(yīng)力的概率。本發(fā)明采用真空壓力浸漬和離心機(jī)甩膠的方法，光纖線圈的浸膠可以非常均勻，有利于實(shí)現(xiàn)光纖線圏的溫度場對(duì)稱，并可顯著改善光纖線圈的振動(dòng)特性。最后得到的無骨架光纖線圏，消除了光纖線圈骨架的熱脹冷縮及其它變形導(dǎo)致的光纖線圈的受力，光纖線圈的溫度特性可明顯提高。(3)本發(fā)明線圏繞制方法并通過逐層減小張力的方式，控制整個(gè)線圈的應(yīng)力，使光纖線圈的分布應(yīng)力較小，改善工作溫度條件下線圈中的應(yīng)力匹配。(4)本發(fā)明采用在光纖線圈的最內(nèi)層和最外層涂覆絕熱膠的方法，使光纖線圈受溫度場的影響減小，解決高精度光纖陀螺的穩(wěn)定時(shí)間長的問題。(5)本發(fā)明采用在固化膠中添加銀粉或其它導(dǎo)熱物質(zhì)的方法，可以使光纖線圈在溫度場中快速達(dá)到熱平衡，減小由于溫度梯度存在導(dǎo)致的非互易誤差?？傊?，本發(fā)明采用無骨架光纖線圈來構(gòu)成高精度光纖陀螺，并在浸膠工藝上采用了一種使膠體均勻附著光纖的工藝，提高了高精度光纖陀螺的溫度穩(wěn)定性和振動(dòng)特性，精度明顯提高；在骨架的設(shè)計(jì)和脫離上采用一定的分離技術(shù)，提高了光纖線圏的制備效率，減小了對(duì)光纖線圈的損傷和其它不利影響；本發(fā)明還通過加快光纖線圈的熱平衡和隔絕線圈受外溫度場影響的方法，改善了高精度光纖陀螺的穩(wěn)定時(shí)間。圖1為光纖環(huán)中溫度或應(yīng)力擾動(dòng)示意圖2為本發(fā)明一骨架結(jié)構(gòu)示意圖；其中，2a為主視圖，2b為半剖俯視圖；圖3為本發(fā)明另一骨架構(gòu)示意圖；其中，3a為主視圖，3b為半剖俯視圖；圖4為本發(fā)明第三種骨架立體圖；圖5為圖4爆炸示意圖6為圖4的分一見圖；其中，6a為主一見圖，6b為半剖俯視圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1如圖2、3所示，為本發(fā)明可分離式骨架的一種結(jié)構(gòu)示意圖；包括一個(gè)^^轂1和兩個(gè)法蘭2，兩個(gè)法蘭2通過螺釘4分別安裝在輪轂1兩側(cè)，輪穀1上加工有凸臺(tái)可以采用圖2的方式，即加工在輪轂1中心處，也可以釆用圖3的方式，即加工在輪敎1的邊緣，該凸臺(tái)與法蘭上相應(yīng)孔配合，當(dāng)將法蘭2與輪轂1分離后，輪轂1上留有未被光纖覆蓋的部分，便于輪轂1從線圈上取下。法蘭2和輪轂1的連接方式可以采用機(jī)械固聯(lián)或是膠聯(lián)的方式。實(shí)施例2如圖4、5、6所示，為本發(fā)明可分離式骨架的另外一種結(jié)構(gòu)示意圖。包括一個(gè)輪轂1、兩個(gè)法蘭2和至少兩塊楔形塊3(本例中取8塊)；輪轂1由兩個(gè)對(duì)稱的半圓構(gòu)成，兩個(gè)半圓接合處加工有楔形槽5;楔形塊3上加工有凸臺(tái)，該凸臺(tái)與法蘭2上相應(yīng)槽相配合，兩個(gè)法蘭2分別安裝在輪轂1兩側(cè)，組成所述骨架。骨架法蘭和輪轂的連接方式可以釆用機(jī)械固聯(lián)(采用螺釘4)或是膠聯(lián)的方式。繞環(huán)前先將分離式骨架組裝成圖4的組件，光纖繞制完畢固化后，首先拆掉法蘭2，并沿軸向取出楔形塊3。楔形塊3外圓與輪轂1外圓柱面采用組合加工的方法，保證有較高的圓柱度。且楔形塊3設(shè)計(jì)成燕尾形狀，可以防止楔形塊3沿徑向竄動(dòng)，法蘭上的開槽對(duì)楔形快3軸向限位。為更容易取下輪轂1,將輪轂1設(shè)計(jì)成兩部分，兩部分之間留有內(nèi)卸間隙，間隙之間通過楔形塊3支撐。當(dāng)光纖線圏固化后，可以取出內(nèi)卸間隙之間的楔形塊3,則輪轂1自然向內(nèi)收縮，可以更容易實(shí)現(xiàn)光纖線圈與骨架的分離。實(shí)施例1、2中的可分離式骨架的設(shè)計(jì)可以參照下面的過程進(jìn)行首先要依據(jù)Sagnac干涉儀的基本原理公式其中，L為光纖線圈的長度，D為光纖線圏的平均直徑，A為光波波長，C為光波在真空中的傳播速度。即光纖陀螺的精度與光纖線圈的長度和平均直徑的成績成正比，根據(jù)光纖陀螺具體的精度要求，確定光纖長度L和光纖線圏的平均直徑D的乘積LD的值；然后根據(jù)要求的線圈窗口比n的值進(jìn)行仿真，確定參數(shù)L、D、B、B為骨架的寬度，D，為骨架的直徑，其中n-B/(D-DJ,。實(shí)施例3下面結(jié)合上述兩種結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹本發(fā)明光纖線圏制備方法，具體如下在實(shí)施例1或?qū)嵤├?所述的骨架表面涂覆一層1mm左右的熱溶膠；待膠固化后，按照四極對(duì)稱的方法將光纖繞制到骨架上，線圈兩端各留出2m長度的光纖并打成約O30mm的圓圏，將這2m長的光纖保護(hù)好，根部固定在骨架上，以免光纖線圈外的2m光纖浸膠。將線圈置入真空壓力裝置中，抽真空后將混合有銀粉或其它導(dǎo)熱物質(zhì)的固化膠注入真空壓力裝置中，該固化膠的硬度低于25度、熱脹系數(shù)小于5x10—4。給壓力裝置注入空氣或其它氣體以增加壓力，壓力控制在0.5~2MPa之間，0.5h后取出光纖線圈，將線圏固定在特定的工裝上，安裝在離心機(jī)上，設(shè)置離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為500~2000r/min,啟動(dòng)離心機(jī)，25分鐘后取下線圏，按照所采用膠的固化要求進(jìn)行固化，固化后將線圈置于溫箱，設(shè)置溫箱溫度為40~60°C,溫箱到達(dá)設(shè)定溫度2分鐘后，將線圈從骨架上取下，清理光纖線圏的表面，然后在線圏的最內(nèi)層和最外層涂覆絕熱膠，待絕熱膠固化后，整個(gè)無骨架線圏制備完畢。上面所述的繞制線圏可以采用傳統(tǒng)的方法，也可以采用下述方法首先設(shè)定第一層光纖的繞纖張力，布"殳光纖的外徑為(Pf,線圈繞制層數(shù)為n,光纖允許的最大張力為Y,則第一層的繞纖張力F控制在小于Y-~^~.!.9.8.l03,因?yàn)楣饫w所受到的應(yīng)力為繞纖張力和彎曲應(yīng)力之和，在骨架尺寸確定的情況下，繞纖張力就是直接決定光纖應(yīng)力的因素，假設(shè)每層光纖張力的遞減系數(shù)為X，則X滿足《c+2<F。該原則是為控制最上層光纖的繞制張力不小于2g,如果張力小于2g，光纖將無法繞齊，光纖之間的交叉耦合同樣會(huì)給光纖線圏帶來額外的應(yīng)力，如果x值小于1g,則可以將遞減單位由一層變?yōu)橐粋€(gè)四極子，一次類推。通常情況下，Y值小于30g。將光纖線圏應(yīng)用于光纖陀螺工裝上進(jìn)行測試，表1為不同工藝的線圏應(yīng)用于光纖陀螺后的溫度測試數(shù)據(jù)，表2為光纖陀螺的振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，從表中可以明顯看出采用本發(fā)明的光纖線圈性能明顯由于普通光纖線圏。表1不同工藝的線圏應(yīng)用于光纖陀螺后的溫度測試數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。權(quán)利要求1、一種可分離式骨架，其特征在于包括輪轂和兩個(gè)法蘭，兩個(gè)法蘭分別安裝在輪轂兩側(cè)，輪轂上加工有凸臺(tái)，該凸臺(tái)與法蘭上相應(yīng)孔配合，當(dāng)將法蘭與輪轂分離后，通過拖動(dòng)該凸臺(tái)將輪轂與光纖線圈分離。2、一種可分離式骨架，其特征在于包括輪轂、兩個(gè)法蘭和至少兩塊楔形塊；輪轂由兩個(gè)對(duì)稱的半圓構(gòu)成，兩個(gè)半圓接合處加工有楔形槽；輪轂或楔形塊上加工有凸臺(tái)，該凸臺(tái)與法蘭上相應(yīng)孔或槽相配合，兩個(gè)法蘭分別安裝在輪轂兩側(cè)，組成所述骨架。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2實(shí)現(xiàn)的光纖線圏制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)在權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的骨架表面涂覆一層熱溶膠；(2)繞制線圈，將繞制的光纖線圈置于真空壓力裝置中，并進(jìn)行真空壓力浸漬；(3)將浸漬完成后的光纖線圏置于離心機(jī)上進(jìn)行甩膠；(4)固化光纖線圏；(5)對(duì)固化后的光纖線圏進(jìn)行加熱，取下骨架，并在光纖線圈的最內(nèi)層和最外層涂覆一種隔熱膠，完成無骨架光纖環(huán)的制備。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述步驟(4)固化后還采用小量級(jí)的振動(dòng)對(duì)光纖線圈進(jìn)行應(yīng)力釋放。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述的振動(dòng)量級(jí)控制在26g,時(shí)間控制在3060分鐘。6、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的熱溶膠的厚度為0.5~1mm。7、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的繞制線圏過程為根據(jù)光纖線圈的層數(shù)及骨架的外徑，確定繞制第一層所采用的張力，繞制的過程中逐層線性減小繞纖的張力，直至繞完整個(gè)線圈。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述的繞制第一層所采用的張力F<Y_^^L9.8.103其中，cpF為光纖的外徑；Y為光纖允許的最大張力，Y通常小于30g;D為骨架的內(nèi)徑。9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖線圏制備方法，其特征在于所述的逐層線性減小繞纖的張力的遞減系凄丈為x滿足似+2<F;其中，n為線圏繞制層數(shù)；F為第一層的繞纖張力。10、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖線圏制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的壓力浸漬時(shí)的壓力控制在0.52Mpa之間。11、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的浸漬所采用固化膠的硬度低于25度、熱脹系數(shù)低于5x10—4。12、根據(jù)權(quán)利要求11所述的光纖線圏制備方法，其特征在于所述的固化膠中可以加入導(dǎo)熱物質(zhì)，使光纖線圈在溫度環(huán)境內(nèi)快速達(dá)到熱平衡。13、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的離心機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在500~2000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間控制在25分鐘。14、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖線圈制備方法，其特征在于所述步驟(4)中的固化一般采用加熱，或常溫;改置或紫外光照射的方法。15、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖線圏制備方法，其特征在于所述的步驟(5)中加熱的溫度不易超過6CTC。全文摘要一種可分離式骨架及利用該骨架實(shí)現(xiàn)的光纖線圈制備方法，方法首先綜合考慮光纖線圈的窗口比、光纖陀螺的精度、骨架易于與光纖線圈脫離三個(gè)因素設(shè)計(jì)合適結(jié)構(gòu)的骨架，然后對(duì)骨架進(jìn)行表面處理，在骨架的表面涂覆一層熱溶膠，便于光纖線圈固化后與骨架脫離。然后在光纖線圈骨架上按照四極對(duì)稱的繞法繞制所需長度的光纖，繞制完成后，再采用一種模量低、熱脹系數(shù)小的膠進(jìn)行真空壓力浸漬，浸漬完成后采用離心機(jī)甩膠，然后進(jìn)行光纖線圈固化，最后在加熱的情況下將骨架從光纖線圈上取下，并在線圈的最內(nèi)層和最外層涂覆隔熱膠，完成無骨架光纖環(huán)的制備。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高了光纖線圈的溫度特性和振動(dòng)特性。文檔編號(hào)G01C19/72GK101551249SQ20081022686公開日2009年10月7日申請(qǐng)日期2008年11月19日優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日發(fā)明者丁東發(fā),晶李,楊廣潔,楊清生,巍王,王學(xué)鋒,譚金權(quán)申請(qǐng)人:北京航天時(shí)代光電科技有限公司