光纖環(huán)時效處理的有效性分析

楊紀剛,畢聰志,李麗坤,馮 喆

(北京自動化控制設備研究所,北京100074)

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光纖環(huán)時效處理的有效性分析

楊紀剛,畢聰志,李麗坤,馮 喆

(北京自動化控制設備研究所,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。針對光纖環(huán)成環(huán)過程的溫度時效工藝的處理效果進行了重點實驗分析，實驗結果充分顯示了溫度時效處理對當前光纖線圈的應力釋放效果。同時,還討論了振動時效處理方法釋放光纖環(huán)殘余應力的作用效果,結果表明,該方法在釋放殘余應力方面更為有效。

光纖陀螺;光纖環(huán);應力;溫度時效;振動時效

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、動態(tài)范圍寬、啟動時間短等特點[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驗室研發(fā)到產(chǎn)品化的過程,中低精度的光纖陀螺已經(jīng)商品化,并在多領域內廣泛應用[3]。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,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(yōu)勢。我國由于起步較晚,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。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光纖陀螺領域的重點研究內容。由于設備不足等因素,對光纖環(huán)成環(huán)各個工藝階段缺乏針對性的檢測和驗證,僅在光纖環(huán)繞制完成后進行整表性能測試,無法具體分析光纖環(huán)的成環(huán)過程中各個階段的問題。本文采用分布式應力測試設備對光纖環(huán)在纏繞完成后的時效處理方法的有效性進行了深入的理論分析和實驗驗證。

1 分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術具有傳感合一、分布式測量等優(yōu)點,可以對空間連續(xù)變量場進行測量[4]。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?；谑芗げ祭餃Y散射[5]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的連續(xù)光。當泵浦光在光纖中傳播,受到外界環(huán)境溫度或應力擾動時,在擾動點產(chǎn)生的受激布里淵散射會發(fā)生一定比例的頻移,而另一端射入的連續(xù)光通過調整頻率,使其與受激布里淵散射頻率一致時,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)境溫度或應力擾動的大小。根據(jù)探測到受激布里淵散射與泵浦光發(fā)射的時間差即可得到擾動點的位置,實現(xiàn)分布式檢測。

布里淵中心頻移與光纖折射率的關系為

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力的變化呈線性關系

(2)

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

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

2 光纖線圈的時效處理方法的驗證與分析

目前,繞線機繞制光纖線圈過程中存在的主要問題包括兩個方面:第一是繞線機的張力控制系統(tǒng)存在一定缺陷,機械結構配合度無法達到高穩(wěn)定性要求;第二方面是在繞線過程中人為干預過多,當操作者發(fā)現(xiàn)繞線過程中出現(xiàn)爬層或縫隙過大時會進行停機、倒車、重新繞制。由于以上兩方面原因,光纖線圈內部沿光纖存在比較明顯的應力波動和跳躍,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繞制完成后的光纖線圈進行溫度時效處理,目的是釋放掉光纖線圈繞制過程中產(chǎn)生的殘余應力。

2.1 溫度時效處理方法的驗證與分析

本文通過應力分析儀檢測光纖線圈溫度時效處理前后的應力分布狀態(tài),對當前溫度時效處理方法釋放殘余應力的實際效果進行了驗證。如圖2所示。

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

分析溫度時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,有上百匝光纖緊密纏繞并受到兩側夾板的限制,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)的光纖的應力釋放;另外,根據(jù)光纖結構,光纖內部的應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,溫度時效處理在-40～80℃循環(huán),溫度范圍較小,無法激發(fā)光纖內部應力的彈性釋放?；谝陨蠁栴},導致最終溫度時效處理的作用并不明顯。

在對光纖線圈進行溫度時效處理前后,對光纖線圈的光功率損耗以及消光比的變化進行了測試,結果表明,在溫度時效處理前后,光纖線圈的光功率損耗和消光比均無明顯變化。

2.2 關于VSR處理方法的研究

2.2.1 VSR處理方法機理

對于某一系統(tǒng)的殘余應力可以從以下兩個方面理解[6-7]:一是從宏觀方面,系統(tǒng)由于在安裝、轉移、碰撞等過程中，在各個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,由于高低溫轉換等原因導致器件內部晶粒錯位或高分子扭曲異位而產(chǎn)生內部應力?？傮w上來說,應力是由于系統(tǒng)內部各個單元位錯而處于亞穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生的。

VSR處理的機理[8]就是對系統(tǒng)提供一定的動應力,促使系統(tǒng)內部處于亞穩(wěn)態(tài)個體單元獲得能量而劇烈運動,克服臨近其他個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)內部個體單元位錯減少,達到削弱殘余應力的目的。

對于剛繞制完成的光纖線圈,其殘余應力的分析需要借用上述微觀方面殘余應力的分析方法: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光纖線圈的微觀個體單元,在光纖繞制過程中,由于光纖的圓整度不一致、繞線機控制精度有限和人為操作等原因,各匝光纖會形成圖中殘余應力區(qū)所示的擠壓和位錯,從而使光纖處于一種亞穩(wěn)定狀態(tài),形成殘余應力。

采用VSR方法,就是對光纖線圈提供一定的動應力,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,降低光纖的殘余應力。

2.2.2 VSR實驗結果分析

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

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

2.3 溫度時效處理與VSR處理的對比分析

在實驗過程中,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,同時根據(jù)應力分布測試曲線可以看出,經(jīng)過溫度時效后,光纖中某些局部應力反而增大。

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

3 結論

本文通過實驗驗證與理論分析,對當前光纖線圈的時效處理方法進行了重點研究。通過對溫度時效處理前后的光纖線圈的應力狀態(tài)檢測,充分顯示了溫度時效處理方法對于光纖線圈的殘余應力的釋放的作用效果;同時對VSR處理方法對光纖線圈的作用效果進行了驗證,結果表明,VSR處理方法在處理過程的靈活性與殘余應力的釋放效果方面具有一定的獨特優(yōu)勢。后續(xù)將對光纖環(huán)灌封固化后的時效方法進行研究。

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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

國防科工局基礎研究項目(JCKY2013204B004)

楊紀剛(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