光纖陀螺作為一種新型的全固態(tài)慣性儀表, 具有耐沖擊、可靠性高、結(jié)構簡單、體積小、檢測靈 敏度和分 辨 率 高、動 態(tài) 范 圍 寬、啟 動 時 間 短 等 特 點。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展,干涉式光纖陀螺完 成了從實驗室研發(fā)到工程化的過程,中低精度的光 纖陀螺已經(jīng)商品化,并在多領域內(nèi)廣泛應用。高 精度光纖陀螺的開發(fā)和研制也進入成熟階段,已經(jīng) 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(nèi),主要原因包括其起步時間遠早于國內(nèi) 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(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,目前國內(nèi)光 纖環(huán)的繞制方法主要采用正交繞法,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(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,其溫度性能應當提高1倍,但實際成環(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 機的控制水平而夾雜過多的人為干擾,導致最終成 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(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,提出了切實可行的改善光纖環(huán)成環(huán)質(zhì)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(tài),對比光纖線圈中點兩側(cè)應力狀態(tài)的不對稱性,反饋調(diào)節(jié)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(huán)反饋調(diào)節(jié)機制。最終使繞線機的張力控制系統(tǒng)處于真正的平衡狀態(tài),保證繞制完成后光纖線圈中點兩側(cè)的應力狀態(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,且該方法在當前條件下即可實施,具有非常高的實用價值。
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(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)設置一 致,保證繞制完成后的光纖線圈中點兩側(cè)的光纖應 力保持對稱平衡。
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(tài)進行檢測,以驗證繞線機張力控制系統(tǒng)的狀態(tài)。在繞線機2個供纖輪 A 、B 的張力參數(shù)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(tài)。
圖3中,紅線表示光纖線圈中點左側(cè)光纖應力 均值,綠線表示光纖線圈中點右側(cè)光纖應力均值。 根據(jù)光纖線圈的應力狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn),光纖線圈的中 點左側(cè)光纖應力均值為-5719.585 μ ε ,右側(cè)光纖應 力均值為 -5920.940 μ ε ,應力差為 201.355 μ ε 。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(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力值來判斷,兩側(cè)光纖存在著一個約200μ ε 的穩(wěn)定的應力差值。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)應變值與溫度的對應關系,1℃的溫度變化引起20μ ε 的變化。因此,由于繞線機張力控制系統(tǒng)的不對稱性相當于光纖線圈中點左右兩側(cè)光纖處在10℃溫差的環(huán)境狀態(tài)下,雖然這僅是從應力狀態(tài)方面的反向推導,且光纖線圈灌膠后的應力狀態(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)應力分析儀測得的應力狀態(tài)來反饋調(diào)節(jié)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(jù)其應力狀態(tài)逐步調(diào)整繞線機的張力控制系統(tǒng),形成如圖4所示的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)機制。首先繞線機根據(jù)初始設定的張力控制參數(shù)繞制完成光纖線圈,然后光纖 線 圈 交由 應力分 析儀檢測應力分 布 狀態(tài)。通過應力分布狀態(tài)的對稱性分析,得到光纖環(huán)中點兩側(cè)應力不對稱性的大小,以此不對稱性差值來調(diào)節(jié)繞線機張力控制系統(tǒng)。一般經(jīng)過 2 次調(diào)整即可實現(xiàn)光纖環(huán)應力整體上的對稱性:通過第一次的調(diào)整過程,可以得到該繞線機張力控制參數(shù)與光纖環(huán)成環(huán)后應力不對稱性的對應比例關系,參考該比例系數(shù),對繞線機左右供纖輪的張力控制參數(shù)進行相應比例的調(diào)整,可以實現(xiàn)光纖環(huán)整體對稱性的提高。
2.3 實驗結(jié)果分析
本文以圖3所示光纖環(huán)的繞線機為實驗對象,根據(jù)光纖線圈1的應力不對稱性,對繞線機的張力控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。按照圖4所示過程,經(jīng)過2次調(diào)節(jié)以后,該繞線機繞制的光纖線圈的應力狀態(tài)對稱性得到了明顯的改善。根據(jù)上述方法調(diào)節(jié)后,從繞線機繞制的光纖線圈中隨機抽取2個光纖線圈進行應力狀態(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)過對繞線機兩側(cè)張力調(diào)整后,繞制的光纖線圈中點兩側(cè)的應力均值基本處于同一水平,將該光纖環(huán)灌封固化后,進行裝表測試,其整表性能與調(diào)整繞線機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。但由于繞線機自身機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,其張力控制系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)節(jié),使繞線機的整體生產(chǎn)質(zhì)量水平得到了提升。
本文通過實驗檢測,對當前光纖環(huán)成環(huán)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(diào)整繞線機張力穩(wěn)定性的方法。經(jīng)過該方法調(diào)整后,對繞線機繞制的光纖環(huán)進行整表測試,相比調(diào)整繞線機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)繞線機的機械結(jié)構老舊,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,將嚴重影響光纖環(huán)的成環(huán)性能。但對繞線機的更新?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(xiàn)有條件下,充分改善光纖環(huán)的成環(huán)質(zhì)量。
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