楊紀(jì)剛，畢聰志，李麗坤，徐廣海

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074)

0 引言

光纖陀螺作為一種新型的全固態(tài)慣性儀表[1]，具有耐沖擊、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、檢測靈敏度和分辨率高、動態(tài)范圍寬、啟動時(shí)間短等特點(diǎn)[2]。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，干涉式光纖陀螺完成了從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到工程化的過程，中低精度的光纖陀螺已經(jīng)商品化，并在多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用[3]。高精度光纖陀螺的開發(fā)和研制也進(jìn)入成熟階段，已經(jīng)開始工程化應(yīng)用。目前，國外的光纖陀螺研制水平領(lǐng)先于國內(nèi)，主要原因包括其起步時(shí)間遠(yuǎn)早于國內(nèi)的研制單位；另外，國外先進(jìn)國家在材料加工與控制設(shè)備領(lǐng)域都相對國內(nèi)有著絕對的優(yōu)勢。我國對于光纖陀螺的研制由于起步較晚、設(shè)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(huán)的繞制、光學(xué)器件的穩(wěn)定性等方面。光纖環(huán)是光纖陀螺的核心敏感元件，光纖環(huán)的溫度性能已經(jīng)成為限制高精度光纖陀螺工程化應(yīng)用的瓶頸問題。而光纖環(huán)的溫度性能主要取決于光纖環(huán)的繞制與灌封技術(shù)，目前國內(nèi)光纖環(huán)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(jī)自動化水平的限制，所繞制的光纖環(huán)的溫度性能并沒有完全體現(xiàn)出正交繞法理論上對于光纖環(huán)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(yīng)當(dāng)提高1倍，但實(shí)際成環(huán)后的結(jié)果，僅四極繞法相對二極繞法對光纖環(huán)溫度性能的提高較為明顯，而其他各極繞法受限于繞線機(jī)的控制水平而夾雜過多的人為干擾，導(dǎo)致最終成環(huán)的效果并沒有明顯的優(yōu)異性。而對于繞線機(jī)的自動化控制水平則與研制繞線機(jī)的器件材料性能和自動化控制技術(shù)水平等有關(guān)，短時(shí)間內(nèi)無法迅速得到提升。

本文基于以上現(xiàn)狀，根據(jù)光纖環(huán)的成環(huán)工藝過程，提出了切實(shí)可行的改善光纖環(huán)成環(huán)質(zhì)量的方法。通過應(yīng)用高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀，檢測光纖線圈繞制完成后的應(yīng)力分布狀態(tài)，對比光纖線圈中點(diǎn)兩側(cè)應(yīng)力狀態(tài)的不對稱性，反饋調(diào)節(jié)繞線機(jī)2個(gè)供纖輪的張力平衡，形成繞線機(jī)—光纖線圈—應(yīng)力分析儀—繞線機(jī)的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。最終使繞線機(jī)的張力控制系統(tǒng)處于真正的平衡狀態(tài)，保證繞制完成后光纖線圈中點(diǎn)兩側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)保持對稱平衡。以上方法使光纖環(huán)成環(huán)后的溫度性能得到了有效提升，且該方法在當(dāng)前條件下即可實(shí)施，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

1 布里淵分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感系統(tǒng)[5]是一種本征型的光纖傳感技術(shù)，利用外界因素改變光纖中光傳播產(chǎn)生的特征參量，根據(jù)特征參量的變化反映外界因素的變化，實(shí)現(xiàn)對外界因素進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w傳感器。分布式光纖傳感技術(shù)具有傳感合一，分布式測量的特點(diǎn)，可以對空間連續(xù)變量場進(jìn)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(shù)的測量精度最高，技術(shù)最為成熟。

布里淵散射分為自發(fā)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(shí)域分析技術(shù)(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(shù)。

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(diào)的連續(xù)光。當(dāng)泵浦光在光纖中傳播，受到外界環(huán)境溫度或應(yīng)力擾動時(shí)，在擾動點(diǎn)產(chǎn)生的受激布里淵散射會發(fā)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(shù)都是溫度和應(yīng)變的函數(shù)，將其表示成溫度與應(yīng)力的函數(shù)如式(2)所示

(2)

將式(2)簡化成布里淵中心頻移與應(yīng)力和溫度的線性公式

νB=C11Δε+C12ΔT

(3)

而另一端射入的連續(xù)光通過調(diào)整頻率，使其頻率與受激布里淵散射頻率一致時(shí)，連續(xù)光功率將被放大。通過探測器檢測連續(xù)光頻率與泵浦光的頻率差，即可得到外界環(huán)境溫度或應(yīng)力擾動的大小。根據(jù)接收到受激布里淵散射與泵浦光發(fā)射的時(shí)間差即可得到擾動點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)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(yīng)力分析儀作為主要檢測設(shè)備。通過光纖環(huán)的應(yīng)力分布狀態(tài)研究和改善光纖環(huán)的質(zhì)量。

2 繞線機(jī)張力控制不對稱性問題分析

2.1 繞線機(jī)工作原理

以四極對稱繞線機(jī)為例，如圖2所示，光纖由中點(diǎn)對稱繞在A、B 2個(gè)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(jī)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(huán)向光纖環(huán)供纖纏繞過程中，依靠舞蹈輪的重力控制光纖的張力。根據(jù)舞蹈輪軸臂角度的調(diào)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(tǒng)中通過傳感器在線檢測光纖張力大小，并反饋控制穩(wěn)定張力在設(shè)定值誤差范圍內(nèi)。在光纖線圈繞制過程中，為了保證光纖環(huán)的互易性，必須要求A、B兩供纖輪的張力參數(shù)設(shè)置一致，保證繞制完成后的光纖線圈中點(diǎn)兩側(cè)的光纖應(yīng)力保持對稱平衡。

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

2.2 繞線機(jī)張力控制不對稱性檢測與分析

應(yīng)用高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀，對繞線機(jī)繞制完成的光纖線圈的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證繞線機(jī)張力控制系統(tǒng)的狀態(tài)。在繞線機(jī)2個(gè)供纖輪A、B的張力參數(shù)設(shè)置一致的情況下，隨機(jī)抽取其中一個(gè)光纖線圈，圖3所示為該光纖線圈的應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖3 光纖線圈1應(yīng)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(diǎn)左側(cè)光纖應(yīng)力均值，綠線表示光纖線圈中點(diǎn)右側(cè)光纖應(yīng)力均值。根據(jù)光纖線圈的應(yīng)力狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，光纖線圈的中點(diǎn)左側(cè)光纖應(yīng)力均值為-5719.585με，右側(cè)光纖應(yīng)力均值為-5920.940με，應(yīng)力差為201.355με。由此可以看出，繞線機(jī)在繞制光纖線圈的過程中，光纖線圈中點(diǎn)左右兩側(cè)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(yīng)力值來判斷，兩側(cè)光纖存在著一個(gè)約200με的穩(wěn)定的應(yīng)力差值。這種不對稱性的存在對光纖環(huán)的溫度性能具有非常大的影響，根據(jù)應(yīng)變值與溫度的對應(yīng)關(guān)系，1℃的溫度變化引起20με的變化。因此，由于繞線機(jī)張力控制系統(tǒng)的不對稱性相當(dāng)于光纖線圈中點(diǎn)左右兩側(cè)光纖處在10℃溫差的環(huán)境狀態(tài)下，雖然這僅是從應(yīng)力狀態(tài)方面的反向推導(dǎo)，且光纖線圈灌膠后的應(yīng)力狀態(tài)會有所改變，但這種不對稱性對提高光纖環(huán)成環(huán)質(zhì)量仍然是不容忽視的問題。

基于以上發(fā)現(xiàn)的問題，本文提出了一種根據(jù)應(yīng)力分析儀測得的應(yīng)力狀態(tài)來反饋調(diào)節(jié)繞線機(jī)張力的方法。應(yīng)用高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀對繞線機(jī)繞制完成的光纖線圈進(jìn)行跟蹤檢測，根據(jù)其應(yīng)力狀態(tài)逐步調(diào)整繞線機(jī)的張力控制系統(tǒng)，形成如圖4所示的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。首先繞線機(jī)根據(jù)初始設(shè)定的張力控制參數(shù)繞制完成光纖線圈，然后光纖線圈交由應(yīng)力分析儀檢測應(yīng)力分布狀態(tài)。通過應(yīng)力分布狀態(tài)的對稱性分析，得到光纖環(huán)中點(diǎn)兩側(cè)應(yīng)力不對稱性的大小，以此不對稱性差值來調(diào)節(jié)繞線機(jī)張力控制系統(tǒng)。一般經(jīng)過2次調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)應(yīng)力整體上的對稱性：通過第一次的調(diào)整過程，可以得到該繞線機(jī)張力控制參數(shù)與光纖環(huán)成環(huán)后應(yīng)力不對稱性的對應(yīng)比例關(guān)系，參考該比例系數(shù)，對繞線機(jī)左右供纖輪的張力控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)比例的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)整體對稱性的提高。

圖4 繞線機(jī)張力控制閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文以圖3所示光纖環(huán)的繞線機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，根據(jù)光纖線圈1的應(yīng)力不對稱性，對繞線機(jī)的張力控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。按照圖4所示過程，經(jīng)過2次調(diào)節(jié)以后，該繞線機(jī)繞制的光纖線圈的應(yīng)力狀態(tài)對稱性得到了明顯的改善。根據(jù)上述方法調(diào)節(jié)后，從繞線機(jī)繞制的光纖線圈中隨機(jī)抽取2個(gè)光纖線圈進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)測試，其測試結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，經(jīng)過對繞線機(jī)兩側(cè)張力調(diào)整后，繞制的光纖線圈中點(diǎn)兩側(cè)的應(yīng)力均值基本處于同一水平，將該光纖環(huán)灌封固化后，進(jìn)行裝表測試，其整表性能與調(diào)整繞線機(jī)張力之前繞制的光纖環(huán)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(huán)性能的意義。但由于繞線機(jī)自身機(jī)械精密程度和控制水平的限制，光纖環(huán)的整體性能仍然存在一定的缺陷。對于不同的繞線機(jī)，其張力控制系統(tǒng)存在一定的差異，其冗差和參考基準(zhǔn)也有所不同，應(yīng)用以上方法分別對每一臺繞線機(jī)進(jìn)行張力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，使繞線機(jī)的整體生產(chǎn)質(zhì)量水平得到了提升。

圖5 光纖線圈2應(yīng)力分布曲線Fig.5 The stress distribution curve of fiber coil 2

圖6 光纖線圈3應(yīng)力分布曲線Fig.6 The stress distribution curve of fiber coil 3

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)檢測，對當(dāng)前光纖環(huán)成環(huán)工藝中光纖線圈繞制水平進(jìn)行了重點(diǎn)研究，形成了一套通過應(yīng)力分析儀作為反饋回路檢測設(shè)備、調(diào)整繞線機(jī)張力穩(wěn)定性的方法。經(jīng)過該方法調(diào)整后，對繞線機(jī)繞制的光纖環(huán)進(jìn)行整表測試，相比調(diào)整繞線機(jī)之前所繞制的光纖環(huán)，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(fā)現(xiàn)的問題主要是，光纖環(huán)繞線機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)老舊，精密匹配不足，張力控制系統(tǒng)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(yīng)力存在較為明顯的波動，直接在制作過程中加入了光纖環(huán)的非互易性，將嚴(yán)重影響光纖環(huán)的成環(huán)性能。但對繞線機(jī)的更新?lián)Q代目前還不具備條件，接下來將對目前的溫度時(shí)效處理方法進(jìn)行深入的研究，探索更為有效的溫度時(shí)效處理方法，以期在現(xiàn)有條件下，充分改善光纖環(huán)的成環(huán)質(zhì)量。

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