楊紀(jì)剛,畢聰志,李麗坤,馮 喆

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京100074)

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光纖環(huán)時(shí)效處理的有效性分析

楊紀(jì)剛,畢聰志,李麗坤,馮 喆

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京100074)

作為光纖陀螺的核心敏感元件,光纖環(huán)質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了光纖陀螺的精度。而目前光纖環(huán)制作工藝仍處于不斷完善階段。針對(duì)光纖環(huán)成環(huán)過程的溫度時(shí)效工藝的處理效果進(jìn)行了重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分顯示了溫度時(shí)效處理對(duì)當(dāng)前光纖線圈的應(yīng)力釋放效果。同時(shí),還討論了振動(dòng)時(shí)效處理方法釋放光纖環(huán)殘余應(yīng)力的作用效果,結(jié)果表明,該方法在釋放殘余應(yīng)力方面更為有效。

光纖陀螺;光纖環(huán);應(yīng)力;溫度時(shí)效;振動(dòng)時(shí)效

0 引言

光纖陀螺[1]具有耐沖擊、全固態(tài)、體積小、檢測靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)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)到產(chǎn)品化的過程,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(duì)國內(nèi)有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。我國由于起步較晚,設(shè)備相對(duì)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。作為光纖陀螺的核心敏感元件,目前,光纖環(huán)的成環(huán)工藝流程仍然是國內(nèi)光纖陀螺領(lǐng)域的重點(diǎn)研究內(nèi)容。由于設(shè)備不足等因素,對(duì)光纖環(huán)成環(huán)各個(gè)工藝階段缺乏針對(duì)性的檢測和驗(yàn)證,僅在光纖環(huán)繞制完成后進(jìn)行整表性能測試,無法具體分析光纖環(huán)的成環(huán)過程中各個(gè)階段的問題。本文采用分布式應(yīng)力測試設(shè)備對(duì)光纖環(huán)在纏繞完成后的時(shí)效處理方法的有效性進(jìn)行了深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)具有傳感合一、分布式測量等優(yōu)點(diǎn),可以對(duì)空間連續(xù)變量場進(jìn)行測量[4]。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。基于受激布里淵散射[5]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的原理如圖1所示,在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(dòng)時(shí),在擾動(dòng)點(diǎn)產(chǎn)生的受激布里淵散射會(huì)發(fā)生一定比例的頻移,而另一端射入的連續(xù)光通過調(diào)整頻率,使其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(dòng)的大小。根據(jù)探測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(dòng)點(diǎn)的位置,實(shí)現(xiàn)分布式檢測。

布里淵中心頻移與光纖折射率的關(guān)系為

νB=2nνA/λp

(1)

其中，νB為布里淵中心頻移;n為光纖折射率;νA為聲速;λp光波平均波長。

而光纖折射率則是與溫度和應(yīng)力的變化呈線性關(guān)系

(2)

根據(jù)式(1)和式(2),在溫度穩(wěn)定的情況下,應(yīng)力分析儀就可以準(zhǔn)確測得光纖中的應(yīng)力狀態(tài)。

本文以基于BOTDA的高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀作為主要檢測設(shè)備。重點(diǎn)分析了光纖環(huán)成環(huán)過程中的溫度時(shí)效處理方法和振動(dòng)時(shí)效(VSR)處理方法釋放殘余應(yīng)力的效果。

2 光纖線圈的時(shí)效處理方法的驗(yàn)證與分析

目前,繞線機(jī)繞制光纖線圈過程中存在的主要問題包括兩個(gè)方面:第一是繞線機(jī)的張力控制系統(tǒng)存在一定缺陷,機(jī)械結(jié)構(gòu)配合度無法達(dá)到高穩(wěn)定性要求;第二方面是在繞線過程中人為干預(yù)過多,當(dāng)操作者發(fā)現(xiàn)繞線過程中出現(xiàn)爬層或縫隙過大時(shí)會(huì)進(jìn)行停機(jī)、倒車、重新繞制。由于以上兩方面原因,光纖線圈內(nèi)部沿光纖存在比較明顯的應(yīng)力波動(dòng)和跳躍,影響了光纖環(huán)的互易性溫度性能。目前,工藝上廣泛采用的改善措施是對(duì)繞制完成后的光纖線圈進(jìn)行溫度時(shí)效處理,目的是釋放掉光纖線圈繞制過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

2.1 溫度時(shí)效處理方法的驗(yàn)證與分析

本文通過應(yīng)力分析儀檢測光纖線圈溫度時(shí)效處理前后的應(yīng)力分布狀態(tài),對(duì)當(dāng)前溫度時(shí)效處理方法釋放殘余應(yīng)力的實(shí)際效果進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖2所示。

對(duì)比圖2中光纖線圈在溫度時(shí)效處理前后的應(yīng)力曲線,可以看出,其應(yīng)力分布狀態(tài)并沒有什么明顯的變化。為了加強(qiáng)對(duì)比,將時(shí)效處理前后的應(yīng)力曲線放在一起,如圖3所示。從圖3中可以看出,溫度時(shí)效處理后,光纖線圈的應(yīng)力曲線的波動(dòng)狀態(tài)沒有產(chǎn)生明顯的變化。

分析溫度時(shí)效處理效果欠佳的原因:其一是光纖線圈繞制需要多層疊加,由內(nèi)層到外層光纖受到一定的擠壓作用,使繞制過程中產(chǎn)生的畸變狀態(tài)很難舒展開;第二,如圖4所示,光纖線圈繞制在工裝骨架上,在每一層內(nèi),有上百匝光纖緊密纏繞并受到兩側(cè)夾板的限制,其相互擠壓作用也比較明顯,增大了光纖間的摩擦力,從而阻礙了具有扭曲狀態(tài)的光纖的應(yīng)力釋放;另外,根據(jù)光纖結(jié)構(gòu),光纖內(nèi)部的應(yīng)力主要來自光纖包層和涂覆層,而涂覆層主要為丙烯酸酯類高分子材料,不耐高溫,因此,溫度時(shí)效處理在-40～80℃循環(huán),溫度范圍較小,無法激發(fā)光纖內(nèi)部應(yīng)力的彈性釋放?；谝陨蠁栴},導(dǎo)致最終溫度時(shí)效處理的作用并不明顯。

在對(duì)光纖線圈進(jìn)行溫度時(shí)效處理前后,對(duì)光纖線圈的光功率損耗以及消光比的變化進(jìn)行了測試,結(jié)果表明,在溫度時(shí)效處理前后,光纖線圈的光功率損耗和消光比均無明顯變化。

2.2 關(guān)于VSR處理方法的研究

2.2.1 VSR處理方法機(jī)理

對(duì)于某一系統(tǒng)的殘余應(yīng)力可以從以下兩個(gè)方面理解[6-7]:一是從宏觀方面,系統(tǒng)由于在安裝、轉(zhuǎn)移、碰撞等過程中，在各個(gè)器件單元的接觸面和螺釘裝卡位置產(chǎn)生了相互間不匹配引起的擠壓應(yīng)力;二是從微觀方面,由于器件在生產(chǎn)成型過程中,由于高低溫轉(zhuǎn)換等原因?qū)е缕骷?nèi)部晶粒錯(cuò)位或高分子扭曲異位而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。總體上來說,應(yīng)力是由于系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)單元位錯(cuò)而處于亞穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生的。

VSR處理的機(jī)理[8]就是對(duì)系統(tǒng)提供一定的動(dòng)應(yīng)力,促使系統(tǒng)內(nèi)部處于亞穩(wěn)態(tài)個(gè)體單元獲得能量而劇烈運(yùn)動(dòng),克服臨近其他個(gè)體單元的束縛而回到更加穩(wěn)定低能的平衡位置上,從而使系統(tǒng)內(nèi)部個(gè)體單元位錯(cuò)減少,達(dá)到削弱殘余應(yīng)力的目的。

對(duì)于剛繞制完成的光纖線圈,其殘余應(yīng)力的分析需要借用上述微觀方面殘余應(yīng)力的分析方法:光纖線圈的橫截面示意圖如圖5所示,將其中的每一匝光纖看作整個(gè)光纖線圈的微觀個(gè)體單元,在光纖繞制過程中,由于光纖的圓整度不一致、繞線機(jī)控制精度有限和人為操作等原因,各匝光纖會(huì)形成圖中殘余應(yīng)力區(qū)所示的擠壓和位錯(cuò),從而使光纖處于一種亞穩(wěn)定狀態(tài),形成殘余應(yīng)力。

采用VSR方法,就是對(duì)光纖線圈提供一定的動(dòng)應(yīng)力,給各匝光纖提供一定的能量,使其擺脫相鄰光纖的擠壓束縛回到更加穩(wěn)定的位置,從而減小其扭曲變形,降低光纖的殘余應(yīng)力。

2.2.2 VSR實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文對(duì)繞制完成的光纖線圈進(jìn)行了VSR處理,并采用高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀在時(shí)效處理前后對(duì)光纖線圈的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了檢測分析。其VSR前后的應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示。

從圖6中的應(yīng)力曲線可以看出,VSR處理前后,光纖線圈的應(yīng)力分布狀態(tài)得到了明顯的改善。該光纖線圈在VSR處理前,應(yīng)力測試曲線存在較多明顯的失真跳數(shù),且應(yīng)力狀態(tài)波動(dòng)較大,根據(jù)應(yīng)力分析儀的檢測原理,光纖中的應(yīng)力測試曲線存在較大的跳數(shù)，表明光纖中的應(yīng)力存在較大的跳變,光纖局部殘余應(yīng)力較大,光纖內(nèi)部的應(yīng)力均勻性較差。經(jīng)過振動(dòng)處理后,從光纖線圈的應(yīng)力測試曲線可以看出,光纖中局部較大的殘余應(yīng)力得到了有效釋放,光纖中的應(yīng)力狀態(tài)均勻性更加一致。

2.3 溫度時(shí)效處理與VSR處理的對(duì)比分析

在實(shí)驗(yàn)過程中,通過一些宏觀參數(shù)的檢測發(fā)現(xiàn),光纖線圈在VSR處理前后的光功率損耗與消光比都得到了一定的改善,經(jīng)過VSR后的光纖線圈傳光效果更好;而經(jīng)過溫度時(shí)效處理后,光纖線圈的光功率損耗和消光比等并未有明顯變化,同時(shí)根據(jù)應(yīng)力分布測試曲線可以看出,經(jīng)過溫度時(shí)效后,光纖中某些局部應(yīng)力反而增大。

溫度時(shí)效由于存在溫度范圍的限制,溫度時(shí)效對(duì)光纖線圈的作用效果是有限的,且可調(diào)節(jié)空間較小,同時(shí)溫度時(shí)效時(shí)間周期較長,在能源和人力等方面的消耗較大;VSR的優(yōu)勢(shì)在于,時(shí)效周期短,能源消耗較小,工作效率高,同時(shí)VSR的作用強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)振動(dòng)時(shí)間和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論分析,對(duì)當(dāng)前光纖線圈的時(shí)效處理方法進(jìn)行了重點(diǎn)研究。通過對(duì)溫度時(shí)效處理前后的光纖線圈的應(yīng)力狀態(tài)檢測,充分顯示了溫度時(shí)效處理方法對(duì)于光纖線圈的殘余應(yīng)力的釋放的作用效果;同時(shí)對(duì)VSR處理方法對(duì)光纖線圈的作用效果進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,VSR處理方法在處理過程的靈活性與殘余應(yīng)力的釋放效果方面具有一定的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。后續(xù)將對(duì)光纖環(huán)灌封固化后的時(shí)效方法進(jìn)行研究。

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Effectiveness Analysis of Aging Treatment of Optical Fiber Ring

YANG Ji-gang, BI Cong-zhi, LI Li-kun, FENG Zhe

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

As the core sensing element of fiber optic gyro (FOG), the quality of optical fiber ring directly determines the precision of FOG. At present, the manufacturing process of the fiber ring is still in the perfecting stage . In this paper, the effect of temperature aging on optical fiber ring is analyzed by detecting the change of the stress state of the optical fiber ring before and after temperature aging. The results show that, the current temperature aging method has little effect on releasing the residual stress of optical fiber ring. By the time, the effect of vibratory stress relief (VSR) method is analysed, and the VSR is more effective than temperature aging treatment.

Fiber optic gyro; Fiber coil; Stress; Temperature aging; VSR

2017-04-13；

2017-04-28

國防科工局基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(JCKY2013204B004)

楊紀(jì)剛(1988-)，男，碩士，工程師，主要從事高精度慣性器件方面的研究。E-mail:786327235@qq.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.017

V241.5

A

2095-8110(2017)04-0109-04