韓正英，高業(yè)勝，趙 耀

引言

光纖環(huán)圈是光纖陀螺的敏感核心元件，其繞制工藝和質(zhì)量直接決定了光纖陀螺的傳感精度和性能。因此對光纖環(huán)圈性能的評價和改進(jìn)對研制高精度光纖陀螺有著重要意義。正是由于光纖環(huán)圈性能影響甚至制約了光纖陀螺的精度，國內(nèi)外光纖陀螺研制和生產(chǎn)廠家均對光纖環(huán)圈的性能進(jìn)行測試，并處于保密狀態(tài)。就目前已公開的資料可知，在光纖環(huán)的生產(chǎn)測試中，在線評價其繞制質(zhì)量可以在生產(chǎn)出成品陀螺前有效地監(jiān)測和控制光纖環(huán)的繞制質(zhì)量，對于提高成品陀螺的精度和生產(chǎn)效率有著重大意義［1－5］。

光纖環(huán)圈性能下降的影響因素很多，大體可分為光纖本征因素（結(jié)構(gòu)缺陷、非線性效應(yīng)、克爾效應(yīng)等）和非本征因素（應(yīng)力和溫度梯度）［6－7］。這些均會引起光纖環(huán)互易性、偏振特性、插入損耗以及可靠性等性能的惡化，在光路中形成噪聲，對光波相位產(chǎn)生影響，最終降低光纖陀螺精度。因此在光纖環(huán)的繞制過程中和光纖成環(huán)后對光纖環(huán)圈的質(zhì)量進(jìn)行測試評估。目前對光纖環(huán)圈質(zhì)量的評價僅限于檢測損耗、消光比等整體性技術(shù)指標(biāo)，無法得到光纖環(huán)圈內(nèi)部應(yīng)力分布和可能存在的缺陷等情況，無法直接監(jiān)控繞制過程對光纖性能的影響。對光纖環(huán)圈成環(huán)質(zhì)量的評估，較傳統(tǒng)的方法是利用布里淵光學(xué)時域反射計BOTDR（Brillouin optical time domain reflectometer）檢測光纖環(huán)的應(yīng)力分布［8－10］，但該方法空間分辨率（一般在 m級別）和傳感靈敏度較低，難以實(shí)現(xiàn)在線精確監(jiān)測光纖環(huán)質(zhì)量。此外近些年來天津大學(xué)姚曉天教授課題組采用偏振串?dāng)_分析的方法對光纖環(huán)的質(zhì)量進(jìn)行評估［11－12］，針對光纖環(huán)繞制過程中出現(xiàn)的串?dāng)_現(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決方案。但該方法本底噪聲較大，不能直觀地描述光纖環(huán)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，難以對繞環(huán)工藝進(jìn)行改進(jìn)。

針對上述兩種方案的不足，提出采用基于BOTDA技術(shù)的光纖應(yīng)力分析儀對光纖環(huán)的應(yīng)力分布進(jìn)行測試。布里淵散射式光纖應(yīng)力分析儀空間分辨率和測試靈敏度都比較高，而且測量長度滿足FOG光纖環(huán)要求，實(shí)現(xiàn)了光纖環(huán)的在線質(zhì)量檢測、光纖環(huán)分布式檢測以及熱應(yīng)力檢測。

1 BOTDA光纖傳感技術(shù)

BOTDA的測試原理是基于光在光纖傳輸過程中的布里淵散射效應(yīng)，由光纖中的光學(xué)光子與光纖中聲學(xué)聲子發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生的。布里淵散射過程可描述為泵浦波和斯托克斯波通過聲波進(jìn)行的非線性相互作用，泵浦波通過電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生聲波引起介質(zhì)折射率的周期性調(diào)制，后向散射光產(chǎn)生多普勒頻移。設(shè)入射光頻率υ0，布里淵頻移υB滿足關(guān)系式：式

中υA為光纖材質(zhì)的聲速，受熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)的調(diào)制，可描述為溫度T和應(yīng)變ε的函數(shù)，則布里淵頻移經(jīng)轉(zhuǎn)換運(yùn)算可表述為［13－14］

這樣布里淵頻移就變成了溫度和應(yīng)變的函數(shù)，研究表明布里淵頻移與光纖的溫度和應(yīng)變成正比，可表示成：

布里淵頻移的變化量與應(yīng)變成線性關(guān)系，只要測得后向布里淵散射光的頻移差，就可得到光纖某點(diǎn)處的應(yīng)變大小，進(jìn)而了解整個光纖的受力情況。基于上述原理的BOTDA光纖傳感系統(tǒng)如圖1所示。分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)探測光注入光纖，當(dāng)泵浦光（頻率為υ1）和探測光（頻率為υ2）的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移υB相等時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)（受激布里淵散射），稱之為布里淵受激放大作用，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。監(jiān)測從光纖一端耦合出來的連續(xù)光功率，可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時的頻率差，從而得到溫度、應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)光纖的分布式測量。

圖1 BOTDA應(yīng)力分析儀原理示意圖Fig.1 Schematic of BOTDA strain analyzer

光纖環(huán)應(yīng)力分布測試平臺組成如圖2所示。主要有待測光纖環(huán)圈、光纖應(yīng)力分析儀、高低溫箱、計算機(jī)控制系統(tǒng)及配套光學(xué)器件等。光纖應(yīng)力分析儀由Neubrex公司生產(chǎn)提供?；竟δ苁峭ㄟ^預(yù)泵浦技術(shù)激發(fā)光纖材質(zhì)中光學(xué)聲子，后向探測器探測受激布里淵散射SBS譜線，進(jìn)行光纖環(huán)的布里淵散射頻率測試，完成光纖環(huán)的應(yīng)力分布測試。

圖2 基于BOTDA的光纖環(huán)應(yīng)力分布測試平臺Fig.2 Strain distribution test platform of fiber coil based on BOTDA

2 光纖環(huán)圈應(yīng)力分布測試

根據(jù)光纖應(yīng)力分析儀的原理，BOTDA光纖應(yīng)力分析儀測試功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）對光纖環(huán)圈質(zhì)量進(jìn)行在線檢測，避免繞環(huán)機(jī)繞環(huán)張力施加的不均勻；

2）對成環(huán)后光纖環(huán)圈的熱應(yīng)力性能進(jìn)行測試，驗證光纖環(huán)圈的溫度性能；

3）對光纖環(huán)骨架對光纖應(yīng)力分布的影響進(jìn)行測試，為光纖陀螺后期的骨架材料篩選提供直觀可靠的數(shù)據(jù)。

2.1 光纖環(huán)在線檢測

光纖環(huán)的繞制過程中需要確保繞制后環(huán)圈光學(xué)性能穩(wěn)定，因此對光纖環(huán)固有缺陷的檢測和繞制張力的在線監(jiān)控是極其必要的。此外，光纖環(huán)采用特殊的繞制工藝來消除shupe效應(yīng)，需要保證環(huán)圈在繞制過程中關(guān)于光程中點(diǎn)對稱。因此光纖環(huán)的在線檢測主要包括光纖環(huán)圈的繞制對稱性檢測、光纖環(huán)固有缺陷檢測及繞制張力檢測3個方面。

在保偏光纖環(huán)的繞制過程中，如何控制作用于保偏光纖上的外力是個難題，到目前為止還不能實(shí)現(xiàn)零張力情況下繞制保偏光纖環(huán)，所以在繞制過程中要控制作用于保偏光纖上的張力，一般不宜過大，應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶詢?nèi)。采用基于BOTDA技術(shù)的光纖應(yīng)力分析儀，可以通過檢測光纖環(huán)的應(yīng)力分布來反映出繞制張力。如果施加應(yīng)力不均勻，會出現(xiàn)應(yīng)力尖峰現(xiàn)象。還可以通過檢測應(yīng)力分布曲線的整體分布，反映光纖環(huán)關(guān)于光程中點(diǎn)對稱分布情況及光纖固有缺陷的檢測。以此設(shè)定合理的繞制張力及后期工藝改進(jìn)。

如圖3所示，通過分析繞環(huán)過程可知，這些尖峰主要出現(xiàn)在換層點(diǎn)處，但并不是所有的換層點(diǎn)處都有尖峰產(chǎn)生，產(chǎn)生尖峰的換向點(diǎn)處應(yīng)力大小也不一定相同。這些奇點(diǎn)產(chǎn)生的原因主要是在換向點(diǎn)保偏光纖有微彎產(chǎn)生，這些應(yīng)力尖峰幅度大小有時還隨著溫度的不同而變化，這使得光纖環(huán)的結(jié)構(gòu)互易性變差，在陀螺上表現(xiàn)為陀螺零偏穩(wěn)定性變大；另外在繞環(huán)過程中由于人的干擾因素較大，出現(xiàn)較大尖峰也不排除人的因素。這些在換向時引入的應(yīng)力尖峰，造成了保偏光纖環(huán)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生非互易性，從而對保偏光纖環(huán)的性能造成較大的影響，通過用陀螺實(shí)際驗證會發(fā)現(xiàn)光纖陀螺零偏穩(wěn)定性差。為此需要對繞環(huán)工藝進(jìn)行控制，保證成環(huán)后光纖環(huán)應(yīng)力分布均勻、無應(yīng)力尖峰。此外，光纖環(huán)的應(yīng)力分布整體對稱性較好（如圖3、圖4所示），表明光纖環(huán)繞制過程中光程中點(diǎn)控制良好。應(yīng)力分布曲線末端有輕微上揚(yáng)的趨勢主要是泵浦光能量在傳輸過程中有所衰減，可以通過后期的理論補(bǔ)償進(jìn)行修正。

圖3 早期光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線上明顯的換層尖峰Fig.3 Apparent layer spike appearance of early fiber coil strain distribution

圖4 改進(jìn)繞環(huán)工藝后的光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線Fig.4 Strain distribution of fiber coil with circling process improvement

通過光纖環(huán)在線檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)應(yīng)力尖峰及換層現(xiàn)象，對光纖重新退繞。經(jīng)過工藝改進(jìn)，重新繞制并改善了繞制質(zhì)量，如圖4所示，已沒有明顯的應(yīng)力尖峰現(xiàn)象。由圖3、圖4可知，通過對光纖環(huán)圈的應(yīng)力分布測試，可以發(fā)現(xiàn)繞環(huán)過程中的固有缺陷，通過及時的改進(jìn)繞環(huán)工藝和張力控制，能夠有效消除光纖環(huán)存在的換層和應(yīng)力尖峰效應(yīng)。

2.2 光纖環(huán)的熱應(yīng)力檢測

光纖成環(huán)后由于膠層、光纖和骨架的物理特性差異，由溫度變化引起的熱應(yīng)力會使光纖、骨架和膠層之間發(fā)生擠壓或收縮，從而造成光纖環(huán)性能的下降，最終影響陀螺的性能。因此，在光纖環(huán)成環(huán)后需要對光纖環(huán)的熱應(yīng)力進(jìn)行檢測。文章模擬陀螺性能測試環(huán)境，設(shè)計溫度激勵實(shí)驗，對－40℃～60℃溫度范圍內(nèi)的光纖環(huán)進(jìn)行熱應(yīng)力檢測，整個溫度激勵曲線如圖5所示。測試不同環(huán)境溫度下光纖環(huán)的應(yīng)力分布。根據(jù)應(yīng)力分布曲線的變化對整個光纖環(huán)圈的溫度特性做出相應(yīng)的評估。設(shè)定變溫速率為2℃／min，溫度激勵方程為

圖5 溫箱溫度激勵曲線圖Fig.5 Temperature excitation graph of incubator

實(shí)驗結(jié)果如圖6所示：常溫下（20°時）光纖環(huán)的應(yīng)力分布曲線較為平坦，隨著溫度上升到60°，光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)“V”字型。當(dāng)溫度下降到－40°時，應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)“Λ”字型。這是由于當(dāng)溫度上升時，膠層和光纖之間相對膨脹，物理意義上對光纖產(chǎn)生拉伸，反映在圖中就是應(yīng)力分布曲線整體抬升。當(dāng)溫度下降，膠層和光纖之間相對收縮，導(dǎo)致光纖之間相對收縮拉緊，應(yīng)力分布曲線整體下降。此外，光纖環(huán)圈外層最先感知溫度的變化，里層也即光學(xué)中點(diǎn)處是最后感知溫度變化，反映在應(yīng)力曲線上就是當(dāng)溫度上升時，兩端的應(yīng)變首先感知溫度場的變化，應(yīng)力上揚(yáng)，整體應(yīng)力分布呈現(xiàn)“V”字型。當(dāng)溫度下降時，光纖環(huán)兩端應(yīng)力下滑，整體應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)“Λ”字型。由環(huán)境溫度變化造成光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線變化的不一致會造成光纖環(huán)非互易性變差，給后期陀螺零偏的理論補(bǔ)償帶來難度。

圖6 早期光纖環(huán)的熱應(yīng)力測試曲線Fig.6 Early thermal strain distribution of fiber coil

為了減少由溫度引起的熱應(yīng)力對光纖環(huán)性能的影響，項目中通過對固膠工藝的改進(jìn)和溫度控制，重新繞制光纖環(huán)圈進(jìn)行熱應(yīng)力檢測。結(jié)果如圖7所示，光纖環(huán)應(yīng)力分布曲線隨溫度的變化整體抬升或下降，消除了早期光纖環(huán)中應(yīng)力分布曲線隨溫度變化而出現(xiàn)的“V”字型現(xiàn)象。

圖7 改進(jìn)工藝后下光纖環(huán)的熱應(yīng)測試曲線Fig.7 Thermal strain distribution of fiber coil with circling process improvement

此外，光纖陀螺光纖環(huán)繞制中采用了特殊的四級對稱繞法，要求光纖環(huán)沿光學(xué)中點(diǎn)對稱分布。因此在光纖環(huán)的熱應(yīng)力測試過程中，既要分析溫度變化造成應(yīng)力分布曲線的變化，也要分析不同溫度下應(yīng)力分布的對稱性。以圖7為例，常溫狀態(tài)下光纖環(huán)的整體應(yīng)力分布曲線整體對稱，互易性較好。隨著溫度的變化，各換層間的應(yīng)力變化較大，但也整體關(guān)于光學(xué)中點(diǎn)對稱，整個溫度變化過程中光纖環(huán)的應(yīng)力分布曲線整體對稱，說明光纖環(huán)的熱應(yīng)力性能較為良好。通過對光纖環(huán)熱應(yīng)力分布的測試，能夠?qū)φ麄€光纖環(huán)圈的溫度性能進(jìn)行測試評估，也能對后續(xù)膠層的性能進(jìn)行定性分析。

2.3 光纖骨架對光纖環(huán)應(yīng)力分布的影響

實(shí)驗主要針對光纖骨架對光纖環(huán)應(yīng)力分布造成的影響進(jìn)行測試。采用國內(nèi)某知名保偏光纖生產(chǎn)廠家繞制的有骨架、無骨架光纖環(huán)圈進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗。實(shí)驗中共設(shè)計了兩組實(shí)驗，在高低溫環(huán)境下對有、無骨架結(jié)構(gòu)的光纖環(huán)圈的應(yīng)力分布進(jìn)行了測試實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果如圖8、圖9所示，圖8是無骨架光纖環(huán)圈在不同溫度情況下的應(yīng)力分布狀況，圖9是無骨架光纖環(huán)圈在不同溫度情況下的應(yīng)力分布狀況。實(shí)驗結(jié)果表明，無論有無骨架，光纖環(huán)應(yīng)力曲線均對稱均勻分布，無大的應(yīng)力尖峰和換層現(xiàn)象。其中無骨架結(jié)構(gòu)的光纖環(huán)應(yīng)力分布對稱性更好，隨著溫度的變化，應(yīng)力分布曲線形狀相對穩(wěn)定。這是由于光纖骨架一般由鋁制品制作而成，和光纖的膨脹系數(shù)不一致。在高低溫實(shí)驗中，存在“剛－柔－剛”轉(zhuǎn)換效應(yīng)，額外增填了骨架的不確定因素，造成光纖環(huán)乃至整體陀螺性能的下降。但在具體使用中，有骨架光纖陀螺的防震性更好，需要對陀螺的整體性能進(jìn)行全盤考慮。對光纖環(huán)骨架材料和有無骨架的選擇，需要更具體詳實(shí)的實(shí)驗和數(shù)據(jù)來分析驗證，針對不同測試環(huán)境要求區(qū)別對待。

圖8 無骨架光纖環(huán)應(yīng)力分布測試Fig.8 Strain distribution test of fiber coil with skeleton structure

圖9 有骨架光纖環(huán)應(yīng)力分布測試Fig.9 Strain distribution test of fiber coil with skeleton－free structure

3 結(jié)論

文章提出了采用BOTDA光纖傳感技術(shù)對光纖環(huán)圈的質(zhì)量進(jìn)行評估的方法，對影響光纖環(huán)圈質(zhì)量的應(yīng)力分布進(jìn)行了測試。實(shí)驗結(jié)果表明，基于BOTDA的光纖傳感技術(shù)能有效地檢測整體光纖環(huán)的應(yīng)力分布，及時發(fā)現(xiàn)光纖應(yīng)力尖峰和光纖換層現(xiàn)象，了解有無骨架和熱應(yīng)力作用對光纖環(huán)性能的影響。在消除光纖應(yīng)力尖峰、對成環(huán)后光纖環(huán)圈的質(zhì)量進(jìn)行評估有著重要的意義。

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