专利名称：平行四边形截面的光纤陀螺线圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤陀螺线圈，尤其是涉及一种平行四边形截面的光纤陀螺线圈。
背景技术：
干涉式光纤陀螺仪为基于萨格奈克(Sagnac)效应的一种旋转角速率传感器， 其最小互易性结构包括以下几部分 一个光源， 一个探测器， 一个光纤定向耦 合器， 一个偏振器(有时包括一个或多个消偏器)， 一个集成光学Y波导， 一个 由保偏光纤或标准电信单模光纤绕制成的光纤传感线圈。光源发出的光经过耦 合器，由Y波导分成沿线圈正反两方向传输的光，经过线圈后两束光由Y波导 耦合并经过耦合器在探测器的接收端形成干涉。线圈旋转时，两束光经历的光 程不同，探测器接收到的干涉光强随之变化，由此检测与线圈固定平台的旋转 角速率。
光纤陀螺具有高可靠、长寿命、快速启动、大动态范围等一系列优点。光
纤陀螺的全固态结构，使其比以前采用的机械转子或气体环形激光器的方案具
有更重要的优势。但是，环境因素仍然可以通过改变光纤线圈中正反两束光的
相位差来影响光纤陀螺的输出。当这些环境因素随时间变化且在整段光纤中不
对称分布时，沿光纤正反两方向传输的光将经历不同的相位，产生与线圈旋转
无关的相移，这个相移与旋转引起的萨格奈克相移无法区分从而造成系统误差。
环境温度变化时，除在光纤中存在时变非对称温度场外，光纤陀螺线圈与骨架
之间的热膨胀性能不匹配将导致光纤中存在附加热应力，并且这种附加热应力
同样时变非对称，从而造成光纤陀螺的温度敏感性。光纤陀螺的温度敏感性已 成为制约其广泛应用的主要因素。
现有的普遍应用的降低光纤陀螺温度敏感性的方法为在矩形截面光纤线圈 的基础上使用各种为增强互易性的对称绕法使光纤中温度场及附加热应力分布 尽量对称。例如使用四极子绕法绕制的光纤陀螺线圈已显示出比原有螺线形绕 法更优良的温度特性，但是仍不能完全消除环境温度变化引起的误差。
如图1所示为现有的截面为矩形，且截面上相邻光纤截面中心成正方形排 列的光纤陀螺线圈截面局部放大图。 一根连续的光纤11使用四极子绕法绕制成 线圈IO，光纤ll的相邻光纤截面中心成正方形排列，线圈10相邻外表面(例如线圈下表面12与线圈内表面13)互相垂直。相邻光纤正方形排列使得线圈 10中靠近骨架14处的对称段光纤(例如第3层最下圈光纤15、第4层最下圈 光纤16)与骨架14之间的间隙相同，从而避免了换层处对称段光纤的显著应力 差异带来的四极子绕法优势的削弱。但是当环境温度变化时，光纤ll绕制成的 线圈10与骨架14之间由于热膨胀性能不匹配将导致在线圈10中产生附加热应 力。在此热应力的驱动下，光纤的位移趋势方向为线圈轴向17与线圈径向18， 在此方向上与光纤接触的为相邻光纤或骨架，从而导致光纤之间或光纤与骨架 之间相互挤压产生显著应力。实际绕制过程不可避免地引入的微小四极子非理 想因素将与此显著应力结合产生显著非互易效应，进而导致光纤陀螺的温度依 赖输出误差。
图2为现有的截面为矩形，且截面上相邻光纤截面中心成等边三角形排列 的光纤陀螺线圈截面局部放大图。与图1不同的是，线圈20中光纤21的相邻 光纤截面中心成等边三角形排列。这种光纤排列方式使得环境温度变化时，光 纤在附加热应力的驱动下产生的位移趋势方向之一——线圈径向28上存在光纤 间隙22，从而减小了光纤之间或光纤与骨架之间相互挤压产生的显著应力。但 是线圈20中靠近骨架24处的对称段光纤(例如第1层最下圈光纤25、第2层 最下圈光纤26)由于与骨架24之间的间隙不同，将存在显著应力差异，这种差 异将明显削弱四极子绕法带来的优异性能。
总之，为减小环境温度对光纤陀螺的影响，己有大量对光纤线圈的改进绕 制方法存在，但这些方法都建立在截面为矩形的线圈形状的基础上，不可避免 地受到实际绕制过程中产生的非理想因素的严重影响，不能充分发挥四极子及 其他改进绕法的优势。所以，除绕制方法外，仔细设计光纤陀螺的线圈形状及 其中光纤排布方式是提高光纤陀螺温度性能的有效手段。
发明内容
针对背景技术中光纤陀螺线圈形状不能充分发挥四极子及其他改进绕法优 势的问题，本发明的目的在于提供一种平行四边形截面的光纤陀螺线圈，以解 决背景技术中线圈中时变非对称热应力引起的非互易问题，提高光纤陀螺的温 度性能。
本发明采用的技术方案如下
本发明的光纤陀螺线圈由四极子绕法绕制而成的多个等顶角同轴线圆锥面 状的光纤层组成；每层光纤所在圆锥面顶角为60度；每层光纤最上圈与最下圈 光纤所在平面与所述圆锥面轴线垂直；线圈截面中相邻光纤截面中心成等边三
4角形排列。
本发明具有的有益效果是-
(1) 线圈截面中相邻光纤截面中心成等边三角形排列，使得挤压产生应力显 著减小。
(2) 线圈截面成锐角为60度的平行四边形，减小了线圈中靠近骨架处的对称 段光纤的显著应力差异。
(3) 线圈形状可有效提高光纤陀螺线圈的温度性能。
图1是现有的截面为矩形，截面上相邻光纤截面中心成正方形排列的光纤 陀螺线圈截面局部放大图。
图2是现有的截面为矩形，截面上相邻光纤截面中心成等边三角形排列的 光纤陀螺线圈截面局部放大图。
图3是本发明提出的截面为平行四边形，截面上相邻光纤截面中心成等边 三角形排列的光纤陀螺线圈截面图。
图4是图3靠近骨架部分的局部放大图。
图中10、线圈，11、光纤，12、线圈下表面，13、线圈内表面，14、骨 架，15、第3层最下圈光纤，16、第4层最下圈光纤，17、线圈轴向，18、线 圈径向，20、线圈，21、光纤，22、光纤间隙，24、骨架，25、第1层最下圈 光纤，26、第2层最下圈光纤，28、线圈径向，30、线圈，31、光纤，32、骨 架，33、线圈截面最内边线，34、线圈截面最外边线，35、线圈截面最上边线， 36、线圈截面最下边线，37、光纤某段，38、光纤间隙，39、光纤层所处圆锥 面轴线，40、线圈下表面垂线方向，41、线圈内表面垂线方向，42、第3层最 下圈光纤，43、第4层最下圈光纤。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图3所示，是本发明提出的截面为平行四边形，截面上相邻光纤截面中 心成等边三角形排列的光纤陀螺线圈截面图，图4是图3靠近骨架部分的局部 放大图。线圈30由一根连续的光纤31使用四极子绕法绕制而成，线圈30截面 上相邻光纤截面中心成等边三角形排列。线圈30由多个等顶角同轴线圆锥面状 的光纤层组成，截面成平行四边形，线圈截面最内边线33和线圈截面最外边线 34与光纤层所处圆锥面轴线39夹角为30度；线圈截面最上边线35与线圈截面 最下边线36与光纤层所处圆锥面轴线39垂直。与图2所示线圈原理相似，等
5边三角形排列的光纤减小了环境温度变化时光纤之间或光纤与骨架之间相互挤
压产生的显著应力。以光纤某段37为例，环境温度变化时在附加热应力的驱动 下产生的位移趋势方向为线圈下表面垂线方向40与线圈内表面垂线方向41，在 此方向上与被研究的光纤某段37相邻的都为光纤间隙38，从而有效减小了光纤 中由于挤压产生的显著应力。同时，图示线圈形状使得该线圈靠近骨架32处的 对称段光纤(例如第3层最下圈光纤42、第4层最下圈光纤43)与骨架32之 间的间隙相同，将不存在图2线圈中的显著应力差异，从而保留了四极子绕法 或其他改进绕法带来的优异性能。并且相对于传统的柱形表面配合，骨架32的 锥形表面与线圈30的锥形表面配合将更容易确保线圈30的主轴与骨架32的主 轴重合。
由此可见，本发明将线圈截面中相邻光纤截面中心排列为等边三角形，显 著减小了环境温度变化时相互挤压产生的附加应力；将线圈截面设计为锐角60 度的平行四边形，有效减小了处于线圈表面的对称段光纤与骨架之间不同间隙 产生的应力差异，线圈形状可有效提高光纤陀螺线圈的温度性能。
权利要求
1、一种平行四边形截面的光纤陀螺线圈，其特征在于光纤陀螺线圈由四极子绕法绕制而成的多个等顶角同轴线圆锥面状的光纤层组成；每层光纤所在圆锥面顶角为60度；每层光纤最上圈与最下圈光纤所在平面与所述圆锥面轴线垂直；线圈截面中相邻光纤截面中心成等边三角形排列。
全文摘要
本发明公开了一种平行四边形截面的光纤陀螺线圈。光纤陀螺线圈由四极子绕法绕制而成的多个等顶角同轴线圆锥面状的光纤层组成；每层光纤所在圆锥面顶角为60度；每层光纤最上圈与最下圈光纤所在平面与所述圆锥面轴线垂直；线圈截面中相邻光纤截面中心成等边三角形排列。本发明线圈截面中相邻光纤截面中心成等边三角形排列，使得挤压产生应力显著减小；线圈截面成锐角为60度的平行四边形，减小了线圈中靠近骨架处的对称段光纤的显著应力差异；线圈形状可有效提高光纤陀螺线圈的温度性能。
文档编号G01C19/72GK101539427SQ20091009595
公开日2009年9月23日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者承 刘, 瑞 刘, 张彩妮, 舒晓武 申请人:浙江大学