一种保偏光纤环的绕制方法及保偏光纤环与流程

本申请涉及光纤环绕制技术领域，特别涉及一种保偏光纤环的绕制方法及保偏光纤环。

背景技术：

光纤陀螺(fog)是一种基于萨格纳克效应(sagnaceffect)的高性能角速率传感器，它是将在同一闭合光路中从同一光源发出的一束光分解为两束特征相等的光，这两束光在同一个环路内沿相反方向循行一周后汇合并产生干涉，继而通过相位差实现转角以及转速的测量。光纤陀螺具有检测灵敏度高、尺寸小、重量轻、启动速度快、动态误差小、动态范围大、寿命长、可靠性高等优点，在航空、航天、武器装备和民用等领域取得了广泛的应用，已成为惯性测量和制导技术领域的新型主流仪表。

光纤陀螺的光路部分由光源、探测器、耦合器、电光调制器和光纤环五大器件组成。其中，光纤环是敏感转动角速度的元件，是光纤陀螺的核心部件，其温度性能直接影响光纤陀螺的精度。

对于光纤环，目前公知的绕制技术是，使光纤以恒定不变的张力逐层进行绕制。由于光纤环由很多层绕制而成，在恒张力绕制情况下，后绕制的外层光纤会对已经绕制好的内层光纤产生明显的径向挤压作用，随着绕制层数的增加，内层光纤所受的压应力会进一步增大，由于光纤环内外层应力和应变存在较大差异，在温度发生变化时会使得光纤环的内部应力分布不均匀，应力释放速度慢，两束光波之间产生非互易性相位误差，从而影响光纤陀螺的传感精度。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种保偏光纤环的绕制方法及保偏光纤环，以解决相关技术中采用恒张力绕制的光纤环在温度发生变化时，容易产生非互易性相位误差，影响传感精度的问题。

第一方面，提供了一种保偏光纤环的绕制方法，其包括如下步骤：

根据保偏光纤环的总绕制层数，以及所选的对称绕法，确定保偏光纤环的基础层的数量，以及每个基础层中保偏光纤的绕制层数；

按照设定的绕环张力，对保偏光纤进行绕制，并得到保偏光纤环；

其中，设定的绕环张力满足如下条件：在同一个基础层中，各层保偏光纤的绕环张力恒定，且按照基础层的绕制先后顺序，各所述基础层中保偏光纤的绕环张力逐渐减小。

一些实施例中，各所述基础层中保偏光纤的绕环张力为等比数列或等差数列。

一些实施例中，当呈等差数列时，所述绕环张力采用如下公式计算：

其中，fi为第i个基础层中保偏光纤的绕环张力，i＝1、2、...、n，n为基础层的数量，x为基础层中保偏光纤的绕制层数，n为总绕制层数，n＝n×x，f初始为第一个基础层中保偏光纤的绕环张力，f结束为第n个基础层中保偏光纤的绕环张力。

一些实施例中，当呈等比数列时，所述绕环张力采用如下公式计算：

fi＝f初始·k^i-1(2)

其中，fi为第i个基础层中保偏光纤的绕环张力，i＝1、2、...、n，n为基础层的数量，f初始为第一个基础层中保偏光纤的绕环张力，k为绕环张力变化系数，0＜k＜1。

一些实施例中，所述对称绕法选自四极对称绕法、八极对称绕法或十六极对称绕法；

四极对称绕法中，每个基础层中保偏光纤的绕制层数为4层；

八极对称绕法中，每个基础层中保偏光纤的绕制层数为8层；

十六极对称绕法中，每个基础层中保偏光纤的绕制层数为16层。

一些实施例中，所述对称绕法的绕制速度为20～80rpm。

一些实施例中，在按照设定的绕环张力，对保偏光纤进行绕制，并得到保偏光纤环之前，所述绕制方法还包括如下步骤：

分纤绕制：将保偏光纤从光纤盘绕制到一个分纤盘上，并将该分纤盘上的保偏光纤的一半绕制到另一个分纤盘上，同时标记保偏光纤的中点；

将两个所述分纤盘安装到绕环机上，并使保偏光纤的中点与绕制骨架固定。

一些实施例中，分纤绕制时保偏光纤的输送速度为30～80m/min。

第二方面，提供了一种采用如上所述的保偏光纤环的绕制方法绕制而成的保偏光纤环。

一些实施例中，所述保偏光纤环的全温损耗变化量≤0.08db，全温串音变化量≤2.5db。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种保偏光纤环的绕制方法及保偏光纤环，本实施例提供的绕制方法，其一方面，在同一个基础层中，各层保偏光纤的绕环张力恒定，这种处理方式可以确保两束光的传输状态和路径基本一致，保证中心对称绕制方法在绕制光纤环中的优越性；其二方面，在不同的基础层中，保偏光纤的绕环张力各不相同，且按照基础层的绕制先后顺序，各基础层中保偏光纤的绕环张力逐渐减小，这种处理方式，可以减小后绕制的基础层对已经绕制好的基础层的径向挤压作用，从而减弱张力逐层累积效果，层与层之间的光纤挤压更小，从而提高了光纤路径共面性；其三方面，本申请通过结合恒张力和变张力，对光纤环进行绕制，提升了温度变化时光纤环内部应力释放速度，有利于优化光纤环内部应力分布，使内部应力分布更均匀，全温性能更优异，传感精度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的四极对称绕法示意图；

图2为本申请实施例提供的八极对称绕法示意图。

图中：1、环圈骨架；2、基础层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种保偏光纤环的绕制方法，其能解决相关技术中采用恒张力绕制的光纤环在温度发生变化时，容易产生非互易性相位误差，影响传感精度的问题。

一种保偏光纤环的绕制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

根据保偏光纤环的总绕制层数，以及所选的对称绕法，确定保偏光纤环的基础层的数量，以及每个基础层中保偏光纤的绕制层数；

按照设定的绕环张力，对保偏光纤进行绕制，并得到保偏光纤环；

其中，设定的绕环张力满足如下条件：在同一个基础层中，各层保偏光纤的绕环张力恒定，而对于不同的基础层，保偏光纤的绕环张力各不相同，且按照基础层的绕制先后顺序，各基础层中保偏光纤的绕环张力逐渐减小。

本实施例提供的绕制方法，其一方面，在同一个基础层中，各层保偏光纤的绕环张力恒定，这种处理方式可以确保两束光的传输状态和路径基本一致，保证中心对称绕制方法在绕制光纤环中的优越性；其二方面，在不同的基础层中，保偏光纤的绕环张力各不相同，且按照基础层的绕制先后顺序，各基础层中保偏光纤的绕环张力逐渐减小，这种处理方式，可以减小后绕制的基础层对已经绕制好的基础层的径向挤压作用，从而减弱张力逐层累积效果，层与层之间的光纤挤压更小，从而提高了光纤路径共面性；其三方面，本申请通过结合恒张力和变张力，对光纤环进行绕制，提升了温度变化时光纤环内部应力释放速度，有利于优化光纤环内部应力分布，使内部应力分布更均匀，全温性能更优异，传感精度更高。

在一些优选的实施例中，各基础层中保偏光纤的绕环张力为等比数列或等差数列，将各基础层中保偏光纤的绕环张力设定为等比或等差数列，使得绕环张力算法简单，控制起来更为方便。

在一些优选的实施例中，当呈等差数列时，绕环张力采用如下公式计算：

其中，fi为第i个基础层中保偏光纤的绕环张力，i＝1、2、...、n，n为基础层的数量，x为基础层中保偏光纤的绕制层数，n为总绕制层数，n＝n×x，f初始为第一个基础层中保偏光纤的绕环张力，f结束为第n个基础层中保偏光纤的绕环张力。

需要说明的是，根据实际需求，光纤环的总绕制层数n、所选的对称绕法以及每一个基础层的绕环张力，都是在绕制之前已确定好了，对于每一个基础层的绕环张力，可以先确定f初始和f结束，也即第一个基础层和最后一个基础层的绕环张力是事先确定好，再根据上述公式(1)计算出其余基础层的绕环张力。

而对于对称绕法，根据实际经验，对称绕法的绕环张力一般为4～10g，故在确定f初始和f结束时，f初始和f结束都是可以从4～10g中直接选取数值，当然了，f初始大于f结束。而基础层中保偏光纤的绕制层数x是由所选的对称绕法决定。

需要说明的是，上述取值范围4～10g为经验取值范围，本申请并不排除绕环张力从其他的设定取值范围中取值，比如各个基础层的环绕张力可以从3～9g中直接选取数值。

具体地，对称绕法选自四极对称绕法、八极对称绕法或十六极对称绕法；

四极对称绕法中，每个基础层中保偏光纤的绕制层数x为4层；

八极对称绕法中，每个基础层中保偏光纤的绕制层数x为8层；

十六极对称绕法中，每个基础层中保偏光纤的绕制层数x为16层。

基于上述分析可知，上述公式(1)中，自变量为i，根据i即可计算各个基础层的绕环张力。

在一些优选的实施例中，当呈等比数列时，绕环张力采用如下公式计算：

fi＝f初始·k^i-1(2)

其中，fi为第i个基础层中保偏光纤的绕环张力，i＝1、2、...、n，n为基础层的数量，f初始为第一个基础层中保偏光纤的绕环张力，k为绕环张力变化系数，0＜k＜1。

跟上述等差数列时的情况类似，在绕环张力呈等比数列情况下，各个基础层的绕环张力也应当在设定取值范围中，比如4～10g，或者3～9g等。

因此，在等比数列情况下，在获知光纤环的总绕制层数n、所选的对称绕法，以及从设定取值范围中选取f初始后，通过调整公式(2)中的绕环张力变化系数k的大小，可以使剩余各个基础层的绕环张力都在设定范围中。

通常，绕环张力变化系数k可以从0.85～0.95中选取。

在一些优选的实施例中，对称绕法的绕制速度为20～80rpm。

在一些优选的实施例中，在对保偏光纤进行绕制过程中，绕制方法还包括如下步骤：

监测每一层保偏光纤所绕制的匝数；

将该匝数与设定匝数进行对比，若该匝数与设定匝数不相等，则进行倒绕处理，并在完成倒绕处理后，继续绕制。

在一些优选的实施例中，在按照设定的绕环张力，对保偏光纤进行绕制，并得到保偏光纤环之前，绕制方法还包括如下步骤：

分纤绕制：将保偏光纤从光纤盘绕制到一个分纤盘上，并将该分纤盘上的保偏光纤的一半绕制到另一个分纤盘上，同时标记保偏光纤的中点；

将两个分纤盘安装到绕环机上，并使保偏光纤的中点与绕制骨架固定。

在一些优选的实施例中，分纤绕制时保偏光纤的输送速度为30～80m/min。

本申请实施例还提供了一种采用上述保偏光纤环的绕制方法绕制而成的保偏光纤环。保偏光纤环的全温损耗变化量≤0.08db，全温串音变化量≤2.5db。

为了更好的理解本申请，下面结合具体实施例和对比例进一步阐明本申请的内容，但本申请的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种保偏光纤环，采用如下绕制步骤绕制而成：

101、分纤绕制，准备一盘80/165型号的熊猫型保偏光纤，以80m/min的输送速度将保偏光纤绕制到一个分纤盘上，然后将该分纤盘上的保偏光纤的一半绕制到另一个分纤盘上，标记保偏光纤的中点；

102、分纤盘固定：将上述两个绕制好的分纤盘安装到绕环机上，并使保偏光纤的中点与环圈骨架1固定；

103、光纤绕环：检测保偏光纤环直径，设置总绕制层数n为36层，第一个基础层2中保偏光纤的绕环张力f初始为10g。将上述安装好的分纤盘上的保偏光纤采用四极对称绕法开始绕制到环圈骨架1上，绕制速度为20rpm，参见图1所示；

104、光纤绕环数据监测：保偏光纤绕环过程中，监测保偏光纤的绕制层数、每一层中的匝数、保偏光纤绕制的长度和输送速度。通过监测绕制层数和每一层中的匝数，如发现绕制不理想，暂停绕制，倒绕处理绕制过程中的不理想匝数；

105、光纤绕环张力控制：各个基础层2的绕环张力呈等差数列，保偏光纤绕环过程中，由内向外每一个基础层2的绕环张力依次为10g，9.375g，8.75g，8.125g，7.5g，6.875g，6.25g，5.625g，5g。实时监测绕环张力波动曲线，控制绕环张力均匀稳定；

106、光纤脱环：绕环结束后，检测保偏光纤环总绕制层数，若与预设置层数相同，则停止操作。

经检测，实施例1的保偏光纤环常温损耗为0.13db，全温损耗变化量为0.07db，常温串音为-28db，全温串音变化量为2.1db。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：步骤105中的光纤绕环张力控制不同，具体地，实施例2各个基础层2的绕环张力呈等比数列，也即将公式(2)中的k＝0.95，由内向外每一个基础层2的绕环张力依次为10g，9.5g，9.03g，8.57g，8.15g，7.74g，7.35g，6.98g，6.63g。

经检测，实施例2的保偏光纤环常温损耗为0.15db，全温损耗变化量为0.08db，常温串音为-26db，全温串音变化量为2.3db。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于：步骤105中的光纤绕环张力控制不同，具体地，由内向外绕环张力按照总绕制层数逐层减小，最后绕制的一层的绕环张力为5g。

经检测，对比例1的保偏光纤环常温损耗为0.51db，全温损耗变化量为0.28db，常温串音为-28db，全温串音变化量为7.4db。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于：步骤105中的光纤绕环张力控制不同，具体地，由内向外绕环张力恒定，绕环张力均为8g。

经检测，对比例2的保偏光纤环常温损耗为0.20db，全温损耗变化量为0.12db，常温串音为-27db，全温串音变化量为3.4db。

从上述实施例1、实施例2以及对比例1和对比例2的检测结果来看，实施例1和实施例2的全温串音变化量分别为2.1db和2.3db，都优于对比例1的7.4db和对比例2的3.4db，因此，本实施例1和实施例2绕制的光纤环应力分布更为均匀。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：

步骤101中，采用80/135型号的熊猫型保偏光纤，保偏光纤传输速度为50m/min；

步骤103中，采用八极对称绕法，参见图2所示，总绕制层数n为40层，绕制速度为50rpm；

步骤105中，各个基础层2的绕环张力呈等差数列，保偏光纤绕环过程中，由内向外每一个基础层2的绕环张力依次为10g，8.75g，7.5g，6.25g，5g。

经检测，实施例3的保偏光纤环常温损耗为0.17db，全温损耗变化量为0.06db，常温串音为-26db，全温串音变化量为2.1db。

实施例4

实施例4与实施例3的区别在于：步骤105中，各个基础层2的绕环张力呈等比数列，也即将公式(2)中的k＝0.85，由内向外每一个基础层2的绕环张力依次为10g，8.5g，7.23g，6.14g，5.22g。

经检测，实施例4的保偏光纤环常温损耗为0.15db，全温损耗变化量为0.07db，常温串音为-27db，全温串音变化量为1.8db。

对比例3：

对比例3与实施例3的区别在于：步骤105中，由内向外绕环张力按照总绕制层数逐层减小，最后绕制的一层的绕环张力为5g。

经检测，对比例2的保偏光纤环常温损耗为0.56db，全温损耗变化量为0.32db，常温串音为-25db，全温串音变化量为7.9db。

对比例4：

对比例4与实施例3的区别在于：步骤105中的光纤绕环张力控制不同，具体地，由内向外绕环张力恒定，绕环张力均为8g。

经检测，对比例4的保偏光纤环常温损耗为0.26db，全温损耗变化量为0.10db，常温串音为-26db，全温串音变化量为3.0db。

从上述实施例3、实施例4以及对比例3和对比例4的检测结果来看，实施例3和实施例4的全温串音变化量分别为2.1db和1.8db，都优于对比例3的7.9db和对比例4的3.0db，因此，本实施例3和实施例4绕制的光纤环应力分布更为均匀。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于：

步骤101中，采用60/100型号的熊猫型保偏光纤，保偏光纤传输速度为30m/min；

步骤103中，采用十六极对称绕法，总绕制层数n为64层，第一个基础层2中保偏光纤的绕环张力f初始为6g，绕制速度为80rpm；

步骤105中，各个基础层2的绕环张力呈等差数列，保偏光纤绕环过程中，由内向外每一个基础层2的绕环张力依次为6g，5.33g，4.67g，4g。

经检测，实施例5的保偏光纤环常温损耗为0.24db，全温损耗变化量为0.05db，常温串音为-23db，全温串音变化量为1.6db。

实施例6

实施例6与实施例5的区别在于：步骤105中，各个基础层2的绕环张力呈等比数列，也即将公式(2)中的k＝0.90，由内向外每一个基础层2的绕环张力依次为6g，5.4g，4.86g，4.37g。

经检测，实施例6的保偏光纤环常温损耗为0.26db，全温损耗变化量为0.05db，常温串音为-24db，全温串音变化量为1.8db。

对比例5：

对比例5与实施例5的区别在于：步骤105中，由内向外绕环张力按照总绕制层数逐层减小，最后绕制的一层的绕环张力为4g。

经检测，对比例5的保偏光纤环常温损耗为0.68db，全温损耗变化量为0.36db，常温串音为-22db，全温串音变化量为8.1db。

对比例6：

对比例6与实施例5的区别在于：步骤105中的光纤绕环张力控制不同，具体地，由内向外绕环张力保持恒定，为5g。

经检测，对比例6的保偏光纤环常温损耗为0.41db，全温损耗变化量为0.12db，常温串音为-23db，全温串音变化量为2.8db。

从上述实施例5、实施例6以及对比例5和对比例6的检测结果来看，实施例5和实施例6的全温串音变化量分别为1.6db和1.8db，都优于对比例5的8.1db和对比例6的2.8db，因此，本实施例5和实施例6绕制的光纤环应力分布更为均匀。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。