Дефекты намотки оптического волокна при изготовлении чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометра

УДК 51-74

И. К. Мешковский, С. С. Киселев, А. В. Куликов, Р. Л. Новиков

ДЕФЕКТЫ НАМОТКИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Обсуждается проблема качества изготовления чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометра. Рассматривается разработанная модель квадрупольной укладки оптического волокна при возникновении дефектов его намотки, рассчитаны приращения длины наматываемого волокна, вызванные этими дефектами.

Ключевые слова: волоконно-оптический интерферометр, квадрупольная намотка, дефект укладки.

Введение. Интерес к волоконно-оптическим интерферометрам, проявляемый в настоящее время, обусловлен их применением в качестве чувствительного элемента вращения в инерциальных системах навигации, управления и стабилизации. Волоконно-оптический интерферометр может полностью заменить сложные и дорогостоящие электромеханические (роторные) гироскопы и гиростабилизированные платформы [1].

Одна из проблем, возникающая при разработке волоконно-оптических интерферометров, связана с изготовлением их чувствительного элемента, который представляет собой контур из оптического волокна [1]. Создание такого контура осуществляется посредством квадрупольной намотки оптического волокна на каркас рабочей катушки.

Реализация этого процесса затруднена вследствие наличия ограничений на толщину наматываемого волокна и величину его натяжения, а также вследствие большой длины волоконно-оптического контура. При изготовлении чувствительного элемента в структуре квад-рупольной укладки неизбежно появляются дефекты намотки, выраженные в локальных нарушениях регулярности укладки витков волокна. Это обусловлено несовершенством используемого оборудования и технологии намотки оптического волокна на рабочую катушку [2—4], а также наличием в нем внутренних напряжений, возникающих в процессе изготовления. Перечисленные факторы неблагоприятно влияют на поляризационные свойства волокна и на соотношение длин правого и левого плеча самого волоконно-оптического интерферометра [5]. Разработка наиболее вероятной модели укладки волокна при возникновения дефектов намотки и является предметом исследования в настоящей статье.

Намотка волокна при отсутствии дефектов. Рассмотрим вариант идеальной намотки — при отсутствии каких-либо дефектов — и рассчитаем длину уложенного волокна. Для этого исследуем структуру укладки в двух плоскостях:

1) вид на структуру укладки с торца волокон;

2) вид на развернутую плоскость укладки волокон.

Первый вариант (рис. 1, а) дает возможность рассчитать приращение радиуса катушки (Дг) при каждом новом наматываемом ряде волокна:

Аг =Т3-Яв,

где Яв — радиус наматываемого волокна.

С учетом выражения (1) можно вычислить радиус ряда N волокна, наматываемого на катушку:

RN = Як + Яв +

где Як — радиус катушки.

Вид на развернутую плоскость укладки волокон (см. рис. 1, б, здесь Рк — длина окружности) позволяет рассчитать приращение длины наматываемого волокна при каждом новом витке:

2 2 2

ЛЬ2 = (2пЯы )2 + (2ЯВ )2.

Я

б)

а)

Рис. 1

В соответствии с выражениями (2) и (3) получим

М = ^1 4п2 (Як + Я + (N - 1)л/3 • Яв )2 + 4Яв2 .

Следует отметить, что укладка без дефектов всей длины волокна практически невозможна в силу ряда причин, а именно:

— наличие зон напряженности внутри самого волокна;

— неравномерность вращения водила и рабочей катушки;

— запаздывающая автоматическая регулировка натяжения.

Намотка волокна при наличии дефектов. Все дефекты, возникающие в структуре квадрупольной намотки оптического волокна, можно разделить на два вида:

1) дефекты первого рода, вызванные нерегулярным смещением волокна через виток в пределах одного укладываемого ряда;

2) дефекты второго рода, вызванные нерегулярным смещением волокна поверх предыдущего витка.

Дефект первого рода. На рис. 2, а представлен вид на структуру укладки с торца волокон при наличии дефекта первого рода.

Нерегулярное смещение волокна через виток в пределах одного укладываемого ряда вызывает приращение радиуса катушки:

ЛгД1 = 2 Яв .

Тогда радиус ряда волокна, наматываемого на катушку, будет равен где ^^ — радиус ^-1)-го ряда.

% = %-1 + Лгд1 = %-1 + 2 Яв ,

Приращение длины намотанного волокна посредством витка, при намотке которого имел место дефект первого рода, можно рассчитать исходя из вида на развернутую плоскость укладки волокон (см. рис. 2, б):

=

Яв

а)

Рис. 2

Учитывая уравнение (6), получаем

А!Д1 =44п2(%-1 + 2 Я )2 +16 Я,2 .

Рассчитаем приращение длины оптического волокна, вызванное дефектом первого рода, для 3-го ряда волокна

Я = 100,47 мм. Подставив это значение в формулу (7), получим АЬд1 = 630,97 мм.

Очевидно, что величина погрешности, вызванная дефектом первого рода, определяется

как

А1 д1 =А1д1 - АЬ.

Вычислив по уравнению (4) АЬ=630,80 мм, согласно выражению (9) получим А1 д1 = 0,17 мм.

Эта величина является постоянной для любого наматываемого ряда. Дефект второго рода. Приращение радиуса катушки посредством витка, при намотке которого произошел дефект второго рода, вычисляется исходя из вида на структуру укладки с торца волокон (см. рис. 3, а):

Агд2 = 4Яв .

Радиус ряда волокна, наматываемого на катушку, в этом случае будет равен

% = %-1 + Ад2 = %-1 + 4 Яв .

Приращение длины волокна посредством витка, при намотке которого произошел дефект второго рода, рассчитывается исходя из вида на развернутую плоскость укладки волокон (см. рис. 3, б):

А12д2 = (2пК„ )2 + Яв2.

Учитывая уравнение (10), получаем

АЬд2 =Д/4П2(%-1 + 4 Я )2 + Я2 .

Для принятых выше значений Як и Яв с учетом уравнения (11) для N=3 имеем АЬ = 632,23 мм. В результате последующих вычислений получим А1 д2 = 1,43 мм.

б)

а)

Рис. 3

Трансляция погрешностей на последующие ряды волокон. Намотка каждого последующего витка в одном и том же ряду при наличии дефекта второго рода ведет к приращению длины волокна (см. рис. 4, а). С учетом приближения А1 д1 = 0,17 мм.

Намотка ряда волокна поверх ряда, в котором произошел дефект первого рода, ведет к уменьшению длины волокна на А1 д2 витка, уложенного в область смещения между волокнами предыдущего ряда (см. рис. 4, б). Это указывает на то, что дефекты первого и второго рода имеют разный характер происхождения, но вносят при этом одинаковые неравномерности в структуру квадрупольной намотки.

б)

Яв- —

1

Рис. 4

Следует отметить, что процесс намотки оптического волокна сопровождается и более сложными дефектами: дефект нерегулярного смещения волокна поверх п-го уложенного перед этим витка, дефект смещения волокна через п витков в пределах укладываемого ряда и т.д. Такие дефекты приводят к кратному увеличению длины наматываемого волокна по сравнению с дефектами первого и второго рода. Как следствие, описанные выше локальные нарушения регулярности укладки витков следует признать минимальными распознаваемыми дефектами намотки оптического волокна.

Заключение. В процессе намотки чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометра неизбежно появляются микроизгибы волокна как вследствие пересечений волокон между соседними рядами из-за противоположного направления их укладки, так и вследствие дефектов намотки в виде локального нарушения регулярности укладки витков.

Бороться с причиной возникновения микроизгибов (дефектами укладки) можно только при тщательном анализе структуры укладки витков внутри волоконно-оптического контура.

В ходе проведенных исследований построена модель квадрупольной укладки оптического волокна для трех вариантов намотки. В рамках созданной модели рассчитаны приращения длины наматываемого волокна и погрешности, вызванные дефектами намотки. На основе полученных данных можно построить систему наблюдения за дефектами непосредственно в процессе намотки с помощью датчика, регистрирующего длину волокна, что позволит оценить качество изготовленного чувствительного элемента.

Представленные результаты могут послужить основой для дальнейшей исследовательской работы, направленной на минимизацию количества возникающих дефектов намотки и повышение класса точности существующих систем, использующих в качестве чувствительного элемента волоконно-оптический контур.

список литературы

1. Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп. М.: Радио и связь, 1987.

2. Pat. 20005/0098675А1 USA. Apparatus and method of winding optical fiber sensor coil for fiber optic gyroscope /

Chan Gon Kim, Hyuk Jin Yoon, Sang Guk Kang, Won Jun Lee. 2005. N G02B 6/00.

3. Coil architectures for optical fiber rotation sensing / A. C. Da Silva, R. C. Roberto T. De Carvalho, J. N. Blake. // Sao Jose dos Campos, SP, Brasil Texas A&m University (USA). 1998.

4. Pat. 5917983 USA. Optical fiber coil and method of winding / D. Milliman. 1999. N 09/027,262.

5. Программа и методика исследования характеристик волоконно-оптических датчиков вращения. СПб: ЦНИИ „Электроприбор", 2004.

Игорь Касьянович Мешковский —

Сергей Степанович Киселев

Андрей Владимирович Куликов —

Роман Леонидович Новиков

Рекомендована кафедрой мехатроники

Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: igorkm@spb.runnet.ru

канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра измерительных технологий и компьютерной томографии; E-mail: kiselev@mail.ifmo.ru

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи, инженер; E-mail: a.kulikov86@gmail.com студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра измерительных технологий и компьютерной томографии; E-mail: shprot10@mail.ru

Поступила в редакцию 15.06.09 г.