關于改善光纖環繞線機成環質量的方法研究

楊紀剛，畢聰志，李麗坤，徐廣海

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

0 引言

光纖陀螺作為一種新型的全固態慣性儀表[1]，具有耐沖擊、可靠性高、結構簡單、體積小、檢測靈敏度和分辨率高、動態范圍寬、啟動時間短等特點[2]。經過多年的研究和發展，干涉式光纖陀螺完成了從實驗室研發到工程化的過程，中低精度的光纖陀螺已經商品化，并在多領域內廣泛應用[3]。高精度光纖陀螺的開發和研制也進入成熟階段，已經開始工程化應用。目前，國外的光纖陀螺研制水平領先于國內，主要原因包括其起步時間遠早于國內的研制單位；另外，國外先進國家在材料加工與控制設備領域都相對國內有著絕對的優勢。我國對于光纖陀螺的研制由于起步較晚、設備相對落后，因而在光纖陀螺的研制方面仍然存在許多不足，主要包括光纖材料性能、光纖環的繞制、光學器件的穩定性等方面。光纖環是光纖陀螺的核心敏感元件，光纖環的溫度性能已經成為限制高精度光纖陀螺工程化應用的瓶頸問題。而光纖環的溫度性能主要取決于光纖環的繞制與灌封技術，目前國內光纖環的繞制方法主要采用正交繞法[4]，包括四極、八極、十六極，但受繞線機自動化水平的限制，所繞制的光纖環的溫度性能并沒有完全體現出正交繞法理論上對于光纖環溫度性能的改善程度。例如理論上八極繞法與四極繞法相比，或者四極繞法與二極繞法相比，其溫度性能應當提高1倍，但實際成環后的結果，僅四極繞法相對二極繞法對光纖環溫度性能的提高較為明顯，而其他各極繞法受限于繞線機的控制水平而夾雜過多的人為干擾，導致最終成環的效果并沒有明顯的優異性。而對于繞線機的自動化控制水平則與研制繞線機的器件材料性能和自動化控制技術水平等有關，短時間內無法迅速得到提升。

本文基于以上現狀，根據光纖環的成環工藝過程，提出了切實可行的改善光纖環成環質量的方法。通過應用高精度保偏光纖應力分析儀，檢測光纖線圈繞制完成后的應力分布狀態，對比光纖線圈中點兩側應力狀態的不對稱性，反饋調節繞線機2個供纖輪的張力平衡，形成繞線機—光纖線圈—應力分析儀—繞線機的閉環反饋調節機制。最終使繞線機的張力控制系統處于真正的平衡狀態，保證繞制完成后光纖線圈中點兩側的應力狀態保持對稱平衡。以上方法使光纖環成環后的溫度性能得到了有效提升，且該方法在當前條件下即可實施，具有非常高的實用價值。

1 布里淵分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感系統[5]是一種本征型的光纖傳感技術，利用外界因素改變光纖中光傳播產生的特征參量，根據特征參量的變化反映外界因素的變化，實現對外界因素進行測量和數據傳輸的光纖傳感器。分布式光纖傳感技術具有傳感合一，分布式測量的特點，可以對空間連續變量場進行測量。在光纖中三種主要的瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射皆可用于分布式測量[6-8]，目前利用布里淵散射的分布式光纖傳感技術的測量精度最高，技術最為成熟。

布里淵散射分為自發布里淵散射和受激布里淵散射，基于受激布里淵散射[9]的布里淵光時域分析技術(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)是目前分辨率最高、測量長度最長的分布式光纖傳感技術。

BOTDA的原理[10]是，在用于分布式檢測的光纖兩端分別射入光波頻率固定的泵浦光和頻率可調的連續光。當泵浦光在光纖中傳播，受到外界環境溫度或應力擾動時，在擾動點產生的受激布里淵散射會發生一定比例的頻移，如式(1)所示

(1)

式中，κ為泊松比，E為楊氏模量，ρ為密度，同折射率一樣，這些參數都是溫度和應變的函數，將其表示成溫度與應力的函數如式(2)所示

(2)

將式(2)簡化成布里淵中心頻移與應力和溫度的線性公式

νB=C11Δε+C12ΔT

(3)

而另一端射入的連續光通過調整頻率，使其頻率與受激布里淵散射頻率一致時，連續光功率將被放大。通過探測器檢測連續光頻率與泵浦光的頻率差，即可得到外界環境溫度或應力擾動的大小。根據接收到受激布里淵散射與泵浦光發射的時間差即可得到擾動點的位置，實現分布式檢測。其原理圖如圖1所示。

圖1 BOTDA原理圖Fig.1 The scheme of winding machine

本文以基于BOTDA[11]的高精度保偏光纖應力分析儀作為主要檢測設備。通過光纖環的應力分布狀態研究和改善光纖環的質量。

2 繞線機張力控制不對稱性問題分析

2.1 繞線機工作原理

以四極對稱繞線機為例，如圖2所示，光纖由中點對稱繞在A、B 2個供纖輪上，然后分層交替為繞制光纖線圈的骨架提供光纖。繞線機的張力控制采用重力平衡張力輪(舞蹈輪平衡)控制方法，就是在由A或B供纖環向光纖環供纖纏繞過程中，依靠舞蹈輪的重力控制光纖的張力。根據舞蹈輪軸臂角度的調整控制光纖纏繞到光纖線圈骨架上的張力，在張力控制系統中通過傳感器在線檢測光纖張力大小，并反饋控制穩定張力在設定值誤差范圍內。在光纖線圈繞制過程中，為了保證光纖環的互易性，必須要求A、B兩供纖輪的張力參數設置一致，保證繞制完成后的光纖線圈中點兩側的光纖應力保持對稱平衡。

圖2 繞線機供纖示意圖Fig.2 The scheme of fiber supplying system of winding machine

2.2 繞線機張力控制不對稱性檢測與分析

應用高精度保偏光纖應力分析儀，對繞線機繞制完成的光纖線圈的應力分布狀態進行檢測，以驗證繞線機張力控制系統的狀態。在繞線機2個供纖輪A、B的張力參數設置一致的情況下，隨機抽取其中一個光纖線圈，圖3所示為該光纖線圈的應力分布狀態。

圖3 光纖線圈1應力分布曲線Fig.3 The stress distribution curve of fiber coil 1

圖3中，紅線表示光纖線圈中點左側光纖應力均值，綠線表示光纖線圈中點右側光纖應力均值。根據光纖線圈的應力狀態可以發現，光纖線圈的中點左側光纖應力均值為-5719.585με，右側光纖應力均值為-5920.940με，應力差為201.355με。由此可以看出，繞線機在繞制光纖線圈的過程中，光纖線圈中點左右兩側光纖的繞線張力有明顯的差距，在繞制完成的光纖線圈中以應力值來判斷，兩側光纖存在著一個約200με的穩定的應力差值。這種不對稱性的存在對光纖環的溫度性能具有非常大的影響，根據應變值與溫度的對應關系，1℃的溫度變化引起20με的變化。因此，由于繞線機張力控制系統的不對稱性相當于光纖線圈中點左右兩側光纖處在10℃溫差的環境狀態下，雖然這僅是從應力狀態方面的反向推導，且光纖線圈灌膠后的應力狀態會有所改變，但這種不對稱性對提高光纖環成環質量仍然是不容忽視的問題。

基于以上發現的問題，本文提出了一種根據應力分析儀測得的應力狀態來反饋調節繞線機張力的方法。應用高精度保偏光纖應力分析儀對繞線機繞制完成的光纖線圈進行跟蹤檢測，根據其應力狀態逐步調整繞線機的張力控制系統，形成如圖4所示的閉環反饋調節機制。首先繞線機根據初始設定的張力控制參數繞制完成光纖線圈，然后光纖線圈交由應力分析儀檢測應力分布狀態。通過應力分布狀態的對稱性分析，得到光纖環中點兩側應力不對稱性的大小，以此不對稱性差值來調節繞線機張力控制系統。一般經過2次調整即可實現光纖環應力整體上的對稱性：通過第一次的調整過程，可以得到該繞線機張力控制參數與光纖環成環后應力不對稱性的對應比例關系，參考該比例系數，對繞線機左右供纖輪的張力控制參數進行相應比例的調整，可以實現光纖環整體對稱性的提高。

圖4 繞線機張力控制閉環反饋調節機制示意圖Fig.4 The schematic diagram of the closed loop feedback regulation mechanism for tension control of winding machine

2.3 實驗結果分析

本文以圖3所示光纖環的繞線機為實驗對象，根據光纖線圈1的應力不對稱性，對繞線機的張力控制系統進行調節。按照圖4所示過程，經過2次調節以后，該繞線機繞制的光纖線圈的應力狀態對稱性得到了明顯的改善。根據上述方法調節后，從繞線機繞制的光纖線圈中隨機抽取2個光纖線圈進行應力狀態測試，其測試結果如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，經過對繞線機兩側張力調整后，繞制的光纖線圈中點兩側的應力均值基本處于同一水平，將該光纖環灌封固化后，進行裝表測試，其整表性能與調整繞線機張力之前繞制的光纖環相比，也得到了一定程度的提高，表明了該方法對于改善光纖環性能的意義。但由于繞線機自身機械精密程度和控制水平的限制，光纖環的整體性能仍然存在一定的缺陷。對于不同的繞線機，其張力控制系統存在一定的差異，其冗差和參考基準也有所不同，應用以上方法分別對每一臺繞線機進行張力控制系統調節，使繞線機的整體生產質量水平得到了提升。

圖5 光纖線圈2應力分布曲線Fig.5 The stress distribution curve of fiber coil 2

圖6 光纖線圈3應力分布曲線Fig.6 The stress distribution curve of fiber coil 3

3 結論

本文通過實驗檢測，對當前光纖環成環工藝中光纖線圈繞制水平進行了重點研究，形成了一套通過應力分析儀作為反饋回路檢測設備、調整繞線機張力穩定性的方法。經過該方法調整后，對繞線機繞制的光纖環進行整表測試，相比調整繞線機之前所繞制的光纖環，陀螺性能得到了一定程度的提高，

表明了該方法的有效性。在本文的研究過程中，發現的問題主要是，光纖環繞線機的機械結構老舊，精密匹配不足，張力控制系統落后，張力檢測精度較低。從圖5和圖6可以看出，光纖線圈的各層光纖的應力存在較為明顯的波動，直接在制作過程中加入了光纖環的非互易性，將嚴重影響光纖環的成環性能。但對繞線機的更新換代目前還不具備條件，接下來將對目前的溫度時效處理方法進行深入的研究，探索更為有效的溫度時效處理方法，以期在現有條件下，充分改善光纖環的成環質量。

參考文獻

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