КАТУШКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА
COIL OF FIBRE-OPTIC GYROSCOPE

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при разработке волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.
Волоконно-оптический гироскоп включает в свой состав кольцевой интерферометр, составной частью которого является катушка измерительного контура из волоконного световода. При этом одним из источников ошибок волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости является возникновение эффектов фазовой невзаимности встречных лучей при их распространении по световоду катушки измерительного контура. Основными источниками возникновения фазовой невзаимности встречных лучей интерферометра являются температурные градиенты и переменные механические напряжения, возникающие в световоде катушки.
Известны технические решения (патент US N5.506.923 от 9 апреля 1996 г., патент US N5.329.349 от 12 июля 1994 г.), направленные на снижение влияния температурных градиентов в световоде катушки на параметры волоконно-оптического гироскопа, которые сводятся к намотке световода на катушку таким образом, чтобы равноудаленные от середины длины световода его участки располагались как можно ближе друг к другу и находились в тепловом контакте.
В техническом решении, патент US N5.416.585, G01C от 19 мая 1995 г., приняты дополнительные меры по снижению температурных градиентов, возникающих в световоде катушки путем ее установки на втулках, теплоизолирующих катушку от несущего основания волоконно-оптического гироскопа.
В техническом решении, патент RU 2.283.475, G01C от 11 мая 2005 г., для снижения влияния изменения температуры внешней среды на температурные градиенты в световоде катушки волоконно-оптического гироскопа на каркас катушки нанесен слой теплоизолирующего материала, например пенополиуретана.
Перечисленные технические решения позволяют снизить температурные градиенты, возникающие в световоде катушки волоконно-оптического гироскопа, однако в них отсутствуют меры по снижению напряжений, возникающих в световоде в процессе его намотки на каркас катушки, а также при изменении внешней температуры.
Намотка световода на каркас катушки волоконно-оптического гироскопа осуществляется с определенным усилием натяжения, обеспечивающим исключение зазоров между витками. При этом укладка одного слоя витков на другой осуществляется со сменой направлений винтовых линий укладки витков.
В результате в местах пересечения витков возникают микроизгибы световода.
Намотка световода с усилием натяжения, возникающие микроизгибы вызывают в световоде механические напряжения.
В свою очередь механические напряжения в волоконном световоде за счет эффекта фотоупругости изменяют такие его параметры, как способность сохранения состояния поляризации, потери оптической мощности.
При этом возникающие механические напряжения в световоде изменяются с изменением температуры и распределения температурных градиентов. Все это приводит к нестабильности параметров световода волоконного контура, а соответственно, к снижению точности волоконно-оптического гироскопа.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является катушка для оптического волокна и способ ее изготовления по патенту USA 5071082 от 10.12.1991 г.
В данном техническом решении катушка для оптического волокна состоит из волоконного световода, намотанного на каркас, выполненный в виде цилиндрической оболочки с фланцами по торцам и с секторообразными цилиндрическими выемками в теле цилиндрической оболочки, расположенными вдоль по ее образующей и выступающими за пределы ее наружной поверхности, при этом витки световода между цилиндрическими выемками сопрягаются с наружной поверхностью цилиндрической оболочки каркаса, а в местах выемок образуют над ними изгибы, обеспечивающими возможность радиальных перемещений витков.
Способ изготовления катушки по данному техническому решению включает выполнение сквозных секторообразных цилиндрических выемок в цилиндрической оболочке каркаса и в его боковых фланцах, установку в цилиндрические выемки съемных вставок в виде цилиндров с поверхностями, выступающими за наружную поверхность цилиндрической оболочки каркаса, намотку волоконного световода на поверхности цилиндрической оболочки и вставок, удаление съемных вставок.
После удаления съемных вставок на месте их положения образуются изгибы витков световода, расположенные над наружной поверхностью цилиндрической оболочки каркаса и непосредственно не контактирующие с ней, что обеспечивает возможность их радиальных перемещений и уменьшает площадь теплового контакта витков световода с цилиндрической оболочкой каркаса.
Сформованные изгибы световодов обеспечивают возможность радиальных перемещений витков в этих зонах, что ослабляет механические напряжения в световоде, образующиеся в процессе его многослойной намотки с натяжением, а также снижает напряжения в световоде, возникающие при температурных деформациях каркаса.
Уменьшение площади теплового контакта витков световода с цилиндрической оболочкой каркаса повышает сопротивление теплопередачи от каркаса к виткам световода. Это снижает возникающие в витках катушки радиальные температурные градиенты.
Снижение и стабилизация напряжений, снижение температурных градиентов в световоде катушки волоконно-оптического гироскопа повышает его точностные параметры, а также расширяет диапазон температур его применения.
Недостатком данного технического решения является то, что секторообразные цилиндрические выемки в цилиндрической оболочке каркаса выполнены на всем протяжении цилиндрической оболочки.
В результате несущая цилиндрическая оболочка каркаса катушки механически разделяется на ряд цилиндрических секторов, связанных между собой торцевыми фланцами. Это, во-первых, снижает прочность каркаса катушки, во-вторых, нарушает точность и стабильность положения его поверхностей.
Указанный недостаток особенно усугубляется при изготовлении малогабаритных катушек. Это связано с тем, что диаметр секторообразных цилиндрических выемок, а соответственно, диаметр цилиндрической поверхности сменных вставок, формирующих изгиб световода, не может быть меньше минимально допустимого диаметра изгиба световода (обычно это составляет ⌀30 мм). При меньших диаметрах изгиба имеют место большие потери оптической мощности в световоде. Поэтому по мере уменьшения диаметра катушки величина остающихся в теле оболочки цилиндрических секторов становится все меньше, а при величине диаметра катушек, сравнимой с допустимым диаметром изгиба световодов, реализация данного технического решения становится невозможной.
Кроме того, в конструкции катушки для волоконного световода по данному техническому решению не определены места ее крепления.
Указанные недостатки затрудняют использование предлагаемой катушки в волоконно-оптическом гироскопе, где при минимальных габаритах катушки необходима высокая точность и стабильность положения измерительной оси, определяемой положением витков световода катушки измерительного контура.
Задача изобретения - снижение напряжений, возникающих в световоде катушки волоконно-оптического гироскопа без снижения жесткости каркаса катушки. Это достигается исключением выполнения в цилиндрической оболочке каркаса сквозных секторообразных цилиндрических выемок и образованием между цилиндрической оболочкой и витками световода серповидных зазоров, обеспечивающих подвижки световода, компенсирующие возникающие в нем напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что в катушке волоконно-оптического гироскопа, состоящей из волоконного световода, намотанного на каркас, выполненный в виде цилиндрической оболочки с фланцами по торцам, с секторообразными цилиндрическими выемками, расположенными вдоль по образующей цилиндрической оболочки и выступающими за пределы ее наружной поверхности, при этом витки световода между цилиндрическими выемками сопрягаются с наружной поверхностью цилиндрической оболочки каркаса, а в местах выемок имеют возможность радиальных перемещений, секторообразные цилиндрические выемки выполнены во фланцах с обеих торцов цилиндрической оболочки не сквозными, а на глубину, равную толщине фланцев, и расположены попарно напротив друг друга, при этом между каждой парой выемок между витками световода и наружной поверхностью цилиндрической оболочки образован серповидный зазор.
При этом на внутренней поверхности цилиндрической оболочки каркаса катушки могут быть выполнены приливы для ее крепления, которые расположены под секторообразными цилиндрическими выемками.
Выполнение секторообразных цилиндрических выемок в теле цилиндрической оболочки каркаса катушки не сквозными, а только на толщину боковых фланцев повышает жесткость каркаса катушки и позволяет выполнять секторообразные выемки в малогабаритных катушках.
Наличие серповидных зазоров между витками световода и наружной поверхностью цилиндрической оболочки обеспечивает возможность радиальных перемещений изгибов световодов и тем самым осуществляет компенсацию возникающих в световодах напряжений от многослойной намотки витков с натяжением, а также от температурных деформаций. В предлагаемом способе изготовления катушки для волоконно-оптического гироскопа, включающем выполнение секторообразных цилиндрических выемок в каркасе катушки, установку в цилиндрические выемки съемных вставок с цилиндрическими поверхностями, выступающими за наружную поверхность цилиндрической оболочки каркаса, намотку волоконного световода и удаление съемных вставок, съемные вставки выполняют серповидными с внутренним диаметром, равным наружному диаметру цилиндрической оболочки каркаса, и наружным диаметром, соответствующим диаметру секторообразных цилиндрических выемок, съемные вставки устанавливают на наружной поверхности цилиндрической оболочки каркаса до намотки световода и удаляют после его намотки путем их вдвижения и выдвижения через секторообразные цилиндрические выемки в боковых фланцах каркаса.
При этом съемные вставки могут быть выполнены в виде диска с серповидными зубьями на его торце, что упрощает процесс установки и удаления вставок.
Устройство предлагаемой катушки для волоконно-оптического гироскопа и способ ее изготовления поясняются чертежами.
На фиг.1 представлена катушка с намотанным световодом.
На фиг.2 представлен общий вид катушки в сечении.
На фиг 3, 4 показаны виды на боковые фланцы каркаса катушки.
На фиг.5 представлен общий вид катушки в аксонометрической проекции.
На фиг.6, 7 показаны виды съемных вставок.
На фиг.8 представлен каркас катушки в сборке со съемными вставками.
На фиг.9 показана катушка со съемными вставками после намотки световода.
На фиг.10 представлены монолитные съемные вставки.
Катушка волоконно-оптического гироскопа (см. фиг.1, 2) состоит из каркаса 1 с многослойно намотанным на него световодом 2, при этом в ряде зон между наружной поверхностью цилиндрической оболочки 3 каркаса 1 и витками световода 2 образованы зазоры 4 серповидной формы. Намотанные на каркас витки световода имеют форму многоугольника, вершины которого скруглены чередующимися радиусами: радиусами, равными радиусу наружной поверхности цилиндрической оболочки 3, где витки световода контактируют с поверхностью цилиндрической оболочки, и радиусами серповидных зазоров, где витки световода не контактируют с цилиндрической оболочкой каркаса.
Каркас катушки фиг.1, 3, 4, 5 выполнен в виде цилиндрической оболочки 3 с фланцами 5, 6 по ее торцам. В боковых фланцах 5, 6 (см. фиг.3, 4) выполнены секторообразные цилиндрические выемки 7 с глубиной 8, равной толщине 9 фланцев. При этом секторообразные выемки 7 расположены вдоль по образующей цилиндрической оболочки 3 и выступают своими цилиндрическими поверхностями 10 за наружную поверхность цилиндрической оболочки 3. Секторообразные выемки 7 во фланцах 5, 6 расположены попарно напротив друг друга, т.е. каждой секторообразной выемке во фланце 5 с противоположного торца цилиндрической оболочки 3 во фланце 6 зеркально соответствует аналогичная выемка.
Зазоры 4 серповидной формы (см. фиг.1) располагаются вдоль по образующей цилиндрической оболочки 3 между попарно расположенными на противоположных фланцах 5, 6 секторообразными цилиндрическими выемками 7.
На фиг.1, 2, 3, 4, 5 представлен вариант выполнения катушки и каркаса для нее с тремя попарно расположенными выемками 7 во фланцах 5, 6 и соответственно с тремя зонами серповидных зазоров 4. Однако количество таких выемок, соответственно, и секторообразных зазоров может варьироваться в зависимости от конструктивных особенностей и условий эксплуатации катушки: размеров катушки, количества наматываемых слоев световода, материала каркаса, температурных воздействий и т.д.
На внутренней поверхности цилиндрической оболочки 3 могут быть выполнены приливы 11 с отверстиями 12 для последующего крепления катушки в составе конструкции волоконно-оптического гироскопа. При этом приливы 9 расположены на каркасе 1 под секторообразными выемками 7 и соответственно под серповидными зазорами 4.
Способ изготовления катушки волоконно-оптического гироскопа предлагаемой конструкции включает выполнение секторообразных цилиндрических выемок 7 во фланцах каркаса 1 катушки (см. фиг.1…5), выполнение съемных вставок фиг.6, 7 серповидными с внутренним диаметром 13, равным наружному диаметру цилиндрической оболочки 3, и наружным диаметром 14, равным диаметру поверхности 10 секторообразных цилиндрических выемок 7, при этом длина съемных вставок соответствует или превышает размер по фланцам каркаса 1.
Затем съемные вставки 15 (см. фиг.8) вводят через секторообразные выемки 7 во фланцах каркаса 1 и устанавливают на наружной поверхности цилиндрической оболочки 3. На каркас 1 с установленными в нем вставками 15 наматывают с определенным усилием натяжения волоконный световод 2 (см. фиг.9). Намотку световода выполняют в виде многослойной катушки. При этом витки катушки световода приобретают форму многоугольника, вершины которого скруглены чередующимися радиусами: в местах сопряжения витков с наружной поверхностью цилиндрической оболочки 3 они равны радиусу оболочки, а в местах сопряжения с серповидными вставками 15 они равны радиусу наружной цилиндрической поверхности 14 вставок. После намотки световода серповидные вставки 15 удаляют путем их выдвижения через секторообразные цилиндрические выемки 7 в каркасе 1 катушки.
В результате между внутренними витками световода 2 и наружной поверхностью цилиндрической оболочки 3 каркаса 1 образуются зазоры 4 серповидной формы, как показано на фиг.1, 2.
Серповидные вставки могут быть выполнены в виде монолитной конструкции (см. фиг.10), имеющей форму диска 16 с серповидными зубьями 17 на торце. Это упрощает процесс установки и удаления вставок в ходе изготовления катушки.
При изготовлении катушки для волоконно-оптического гироскопа предлагаемой конструкции и по предлагаемому способу перед намоткой световода 2 на поверхность цилиндрической оболочки 3 каркаса 1 устанавливаются серповидные вставки 15 (см фиг.8) путем их вдвижения через секторообразные цилиндрические выемки 7 в боковых фланцах 5, 6 каркаса 1.
В процессе намотки сопряжение витков световода чередуется то с наружной поверхностью цилиндрической оболочки 3 каркаса, то с цилиндрическими поверхностями серповидных вставок 15. Намотка волоконного световода 2 на каркас 1 катушки осуществляется с определенным усилием натяжения, обеспечивающим исключение зазоров между витками в одном слое, а также между витками в соседних слоях. Под действием данного усилия натяжения в световоде возникают, а по мере увеличения числа слоев и накапливаются механические напряжения. Под действием механических напряжений изменяются параметры световода, например, такие как способность сохранения состояния поляризации проходящего излучения, величина потерь оптической мощности излучения. Увеличение числа слоев витков световода в катушке повышает напряжения, возникающие в световоде от его намотки, а соответственно еще более ухудшает параметры световода.
После намотки световода серповидные вставки 15 удаляются путем их выдвижения через секторообразные цилиндрические выемки 7 в боковых фланцах 5, 6 каркаса 1. При этом в местах установки вставок между витками световода 2 и поверхностью цилиндрической оболочки 3 каркаса 1 образуются зазоры 4 серповидной формы.
Механические напряжения, возникающие в световоде при намотке, после удаления серповидных вставок вызывают механические подвижки и деформации витков световода в зонах серповидных зазоров. В процессе механических подвижек и деформации витков происходит изменение геометрических параметров изгиба витков световода: величина радиуса изгиба, их местоположение и т.д. В результате подвижек первоначально возникшие при намотке напряжения в световоде уменьшаются, соответственно, улучшаются параметры световода.
Температурные изменения также вызывают возникновение в световоде механических напряжений, обусловленных различным изменением геометрических размеров каркаса катушки и витков световода из-за различия коэффициентов линейного расширения материалов каркаса и световода. Эти напряжения тоже ослабляются за счет механических подвижек и изменения геометрии витков в зонах серповидных зазоров.
Следовательно, введение серповидных вставок в каркас катушки перед намоткой световода и их удаление после его намотки формирует зоны свободных изгибов витков световода, которые являются компенсаторами механических напряжений, возникающих в световоде. Улучшение и повышение стабильности параметров световода в катушке волоконно-оптического гироскопа повышает его точностные параметры за счет снижения эффектов фазовой невзаимности лучей кольцевого интерферометра, входящего в состав гироскопа и одним из основных элементов которого является катушка волоконного контура.
Размещение мест крепления 11 катушки под выемками 7, а соответственно, под серповидными зазорами 4, повышает сопротивление теплопередачи тепловых потоков от мест крепления катушки в составе волоконно-оптического гироскопа к виткам световода 2 измерительного контура. Это связано с тем, что в этом случае тепловые потоки от мест крепления не могут передаваться непосредственно к виткам световода 2, так как над местами крепления 9 витки световода 2 расположены с зазором 4. Поэтому тепловые потоки от мест крепления передаются через цилиндрическую оболочку 3 к местам сопряжения с ней витков световода. Это удлиняет путь тепловых потоков и тем самым повышает сопротивление их теплопередачи к виткам световода. В результате снижаются напряжения и температурные градиенты в витках световода катушки от изменения температуры мест ее крепления. Это также способствует повышению точностных параметров волоконно-оптического гироскопа.
Таким образом, предлагаемая конструкция катушки волоконно-оптического гироскопа и способ ее изготовления позволяют формировать изгибы световодов для компенсации напряжений в них, не выполняя сквозных секторообразных цилиндрических выемок в цилиндрической оболочке каркаса. Выемки выполняются только в боковых фланцах каркаса на глубину, равную их толщине. Это повышает жесткость каркаса катушки, а следовательно, повышается стабильность его формы и размеров. Кроме того, исключение сквозных секторообразных цилиндрических выемок в цилиндрической оболочке каркаса позволяет выполнять компенсирующие изгибы волоконных световодов в катушках волоконно-оптических гироскопов с более малыми габаритами катушек. Наличие компенсаторов напряжений в световоде катушки волоконно-оптического гироскопа повышает точность и стабильность его параметров. Эффективность предложенного технического решения подтверждена его реализацией в катушках измерительных контуров волоконно-оптических гироскопов, изготавливаемых предприятием ООО НПК «Оптолинк».