Технологическое оборудование и методы повышения качества намотки волоконного контура волоконно-оптического гироскопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат наук Новиков, Роман Леонидович

• Новиков, Роман Леонидович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Новиков, Роман Леонидович

Оглавление

Введение

Глава 1 Аналитический обзор

1.1 Волоконно-оптический гироскоп

1.2 Компоненты волоконного контура

1.2.1 Оптическое волокно

1.2.2 Каркас волоконного контура

1.2.3 Пропиточный компаунд

1.3 Технология намотки волоконного контура

1.3.1 Качество намотки волоконного контура

1.3.2 Методы намотки волоконного контура

1.3.3 Методы повышения качества намотки волоконного контура

1.3.4 Станки намотки оптического волокна

Глава 2 Разработка технологического оборудования для намотки

волоконного контура

2.1 Описание устройства для намотки оптического волокна

2.2 Кинематическая схема устройства для намотки

2.3 Конструкция устройства для намотки

2.3.1 Технологическая катушка

2.3.2 Система подачи и управления натяжением волокна

2.3.3 Центрирующий ролик

2.3.4 Направляющий ролик

2.3.5 Узел измерения величин натяжения и длины оптического волокна

2.3.6 Укладчик оптического волокна

2.3.7 Оснастка каркаса волоконного контура

2.3.8 Привод вращения рабочей катушки и водил

2.4 Управление устройством для намотки оптического волокна

2.5 Технологические операции, выполняемые на устройстве для

намотки

Глава 3 Технологические режимы намотки

3.1 Анализ оптических потерь в волокне при намотке волоконного контура

3.2 Уменьшение диапазона изменения величины натяжения оптического волокна

3.2.1 Исследование характера изменения величины натяжения оптического волокна

3.2.2 Анализ величины натяжения

3.2.3 Оптимизация технологических параметров регулировки натяжения

3.3 Влияние шага укладки на качество намотки

3.4 Исследование влияния скорости намотки на оптические потери в волокне

3.5 Исследование влияния величины натяжения на оптические потери в волокне

3.6 Метод определения оптимального технологического режима намотки

3.7 Выводы по главе 3

Глава 4 Метод обнаружения дефектов намотки

4.1 Основные параметры волоконного контура

4.2 Анализ дефектов укладки

4.3 Моделирование укладки волоконного контура

4.3 Программа поиска и оценки дефектов намотки

4.5 Выводы по главе 4

Глава 5 Метод симметрирования волоконного контура

5.1 Исследование влияния направления нагрева волоконного контура на показания ВОГ

5.2 Степень асимметрии волоконного контура

5.3 Алгоритм расчета длины корректировки плеча волоконного контура

5.4 Исследование влияния асимметрии волоконного контура на точность выходного сигнала ВОГ

5.5 Выводы по главе 5

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение А (обязательное)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое оборудование и методы повышения качества намотки волоконного контура волоконно-оптического гироскопа»

Введение

Актуальность. Одним из наиболее приоритетных направлений развития информационно-измерительных приборов для навигации является волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), что подтверждается особым вниманием к данной сфере как в России, так и за рубежом [1-4]. Это объясняется рядом его преимуществ по сравнению с аналогичными механическими системами: малая масса и габариты, отсутствие подвижных частей, малое время запуска, устойчивость к вибрациям и ускорениям и т.д. [5]. Схожие по используемому физическому эффекту лазерные кольцевые гироскопы уступают ВОГ, прежде всего, сложностью технологического процесса и нечувствительностью к реверсу направления вращения.

За рубежом лидерами в сфере разработки и изготовления ВОГ являются компании Ixsea, Northrop Grumman, Honeywell и KVH. В России на сегодняшний день созданием таких приборов занимаются компании ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», НПО «Оптолинк», ООО «Физоптика», ОАО ПНППК и ФГУП «ЦЭНКИ».

Одной из проблем, с которыми сталкиваются разработчики ВОГ, является качество изготовления его составных частей. Наиболее важным компонентом ВОГ является чувствительный элемент, представляющий собой катушку оптического волокна. Практика показывает, что его параметры влияют на выходные характеристики гироскопа. В частности, от длины волокна зависит чувствительность ВОГ, от наличия и количества микроизгибов волокна - дрейф нуля выходного сигнала, а от взаимного расположения участков волокна, равноотстоящих от середины его длины -зависимость от градиентов температуры. При этом сам процесс изготовления чувствительного элемента осложнен таким факторами, как малый диаметр и

большая длина волокна, его малое натяжение при намотке и наличие в нем внутренних напряженностей.

Цель работы - разработка технологического оборудования и методов повышения качества намотки волоконного контура при производстве навигационных приборов на базе ВОГ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработка устройства для выполнения технологических операций по

намотке волоконного контура ВОГ;

2) исследование влияния технологических режимов на качество намотки ВОГ;

3) исследование дефектов намотки и разработка метода их исключения;

4) разработка и исследование метода симметрирования волоконного

контура.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории планирования эксперимента. Обработка полученных результатов исследований производилась при помощи методов математической статистики в программных средах MatLab и Excel. Техническая реализация исследований основывается на научных положениях теории технологии приборостроения, а также интегральной и волоконной оптики. Достоверность применяемых методов подтверждается результатами проведенных экспериментов.

Научная новизна:

1) экспериментально исследовано влияние скорости намотки и величины натяжения на оптические потери оптического волокна;

2) разработан метод обнаружения дефектов намотки на основе показаний датчика длины;

3) теоретически и экспериментально исследована зависимость выходного сигнала ВОГ от направления нагрева волоконного контура;

4) разработан метод симметрирования волоконного контура, заключающийся в укорачивании одного из плеч контура на длину, определяемую на основе показаний датчика длины намоточного устройства.

Объект исследования - технология намотки волоконного контура по квадрупольной схеме.

Предмет исследования - влияние параметров намотки волоконного контура на точность волоконно-оптического гироскопа.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод определения оптимального технологического режима намотки волоконного контура, отличающийся от аналогов подбором скорости намотки в зависимости от механических свойств конкретного образца волокна, оценка которых производится на основе анализа изменения оптических потерь.

2. Метод обнаружения дефектов намотки на основе показаний датчика длины, отличающийся от аналогов отсутствием требований на использование дополнительного специализированного измерительного оборудования.

3. Метод симметрирования волоконного контура, отличающийся от аналогов определением величины избыточной длины одного из плеч волоконного контура на основе показаний датчика длины в процессе намотки.

4. Устройство для намотки волоконных контуров, реализующее квадрупольную намотку, имеющую регулярную структуру, с натяжением волокна в диапазоне (0,05-0,25) Н., отличающееся от аналогов тем, что обеспечивает изгиб волокна только в одной плоскости.

Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием основных положений теории технологии приборостроения и применяемых математических методов. Планирование экспериментов осуществлялось в соответствии с основными положениями теории планирования экспериментов.

Достоверность результатов подтверждается проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных межвузовских и международных конференциях, имеются публикации материалов в виде научных статей и тезисов докладов.

Практическая значимость работы.

• Предложенные методы определения оптимального технологического режима намотки, обнаружения дефектов и симметрирования волоконного контура позволяют повысить качество намотки волоконного контура, что снижает чувствительность выходного сигнала ВОГ к градиентам температуры.

• Разработанное намоточное устройство позволяет изготавливать волоконные контура с регулярной укладкой оптического волокна.

Апробация и внедрение работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на десятой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2012), на ХЫ и ХЫ1 научных и учебно-методических конференциях СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012, 2013), на XIV и XV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2012, 2013), на I и II Всероссийском конгрессе молодых ученых СПб НИУИТМО (Санкт-

Петербург, 2012, 2013) и на XXVIII конференции памяти H.H. Острякова (Санкт-Петербург, 2012).

Результаты работы внедрены в технологический процесс намотки волоконных контуров ВОГ, производимых на базе ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Работа была поддержана грантом Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №02.G25.31.0044).

Список публикаций

в журналах из перечня ВАК:

1. Мешковский И.К., Киселев С.С., Куликов A.B., Новиков P.JI. Дефекты намотки оптического волокна при изготовлении чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометра // Приборостроение. - 2010. -Февраль (№2) - С. 47-51.

2. Мешковский И.К., Унтилов A.A., Киселев С.С., Куликов A.B., Новиков P.JI. Качество намотки чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа // Изв. вузов. Приборостроение. - 2011. - Т. 54, №7 - с. 75 -78.

3. Новиков P.JI. Качество изготовления катушки чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа // Гироскопия и навигация. - 2012 -№2.

4. Шрамко O.A., Новиков Р.Л., Рупасов A.B. Исследование зависимости степени сохранения поляризации в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа от радиуса намотки волокна // Гироскопия и навигация. - Санкт-Петербург, 2013. - Вып. №2 (81).

5. Новиков Р.Л. Метод контроля качества намотки волоконного контура волоконно-оптического гироскопа // Гироскопия и навигация. - Санкт-Петербург, 2013. - Вып. №2 (81).

6. Шрамко О. А., Рупасов А. В., Новиков Р. Л., Аксарин С. М. Метод исследования зависимости Ь-параметра анизотропного световода от радиуса изгиба // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-петербург, 2014. - Вып. №1(89).

прочие публикации:

7. Новиков Р.Л. Дефекты намотки волоконно-оптических контуров // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011.

8. Новиков Р.Л. Станок для выполнения технологических операций с оптическим волокном и проведения исследований по точности намотки. // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010.

9. Новиков Р.Л. Качество изготовления волоконных контуров волоконно-оптических гироскопов. // Сборник тезисов докладов I Всероссийского конгресса молодых ученых. - СПб: НИУ ИТМО, 2012.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и заключения. Работа изложена на 93 страницах машинописного текста с 64 рисунками и 2 таблицами, библиография включает 59 наименований.

Глава 1 Аналитический обзор

1.1 Волоконно-оптический гироскоп

В основе работы волоконно-оптического гироскопа лежит эффект Саньяка. Данный эффект (рисунок 1.1) заключается в следующем. В замкнутый оптический контур во встречных направлениях запускают две световых волны. Если он неподвижен, фазовый набег обеих волн одинаков. В случае вращения контура вокруг оси, нормальной к его плоскости, время прохождения оптического пути обеих волн будет разным, вследствие чего между ними будет возникать разность фаз, пропорциональная угловой скорости вращения контура [5].

Рисунок 1.1- Иллюстрация эффекта Саньяка: £2 - угловая скорость вращения оптического контура, <3 — диаметр

оптического контура [5]

Эта зависимость выражена в следующей форме:

Л 2 тйА _ Аф = ——а

л0с

где Ь - длина контура, Х0 - центральная длина волны, с - скорость света в вакууме, А<р - разность фаз (или т.н. фаза Саньяка).

Подробно о концепции построения ВОГ приводится в [6,7].

1.2 Компоненты волоконного контура

В качестве оптического контура в ВОГ используется волоконный контур, представляющей собой многослойную и многовитковую катушку оптического волокна (рисунок 1.2). Большинство методов ее изготовления характерны тем, что намотка волокна начинается не с конца, а с середины так, что определенные слои формируются либо правой (образуя т.н. правое плечо гироскопа), либо левой (соответственно левое плечо) половиной волокна. Порядок расположения слоев в катушке определяется используемым методом. Подобная структура необходима для того, чтобы равноудаленные от середины контура участки волокна находились максимально близко друг к другу, т.е. в схожих условиях окружающей среды. В противном случае, температурный градиент в волоконном контуре будет вызывать т.н. термически индуцированную невзаимность или эффект Шупа, который приводит к дрейфу нуля [8].

Рисунок 1.2 - Волоконный контур 1.2.1 Оптическое волокно

Как правило, в высокоточных ВОГ чувствительный элемент изготавливается из анизотропного волокна, что обусловлено оптической схемой гироскопа, поддерживающей одно состояние поляризации оптического сигнала. Наиболее распространенным является оптическое волокно типа Panda, в структуре которого содержатся два стержня напряжения с измененным составом кварца по разные стороны от ядра. Исследуемый волоконный контур ВОГ изготавливается из анизотропного оптического волокна типа Tiger с напрягающей эллиптической оболочкой (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Структура оптического анизотропного волокна с напрягающей эллиптической оболочкой: 1 - сердцевина, 2 - изолирующая оболочка, 3 - напрягающая оболочка, 4 - кварцевое стекло, 5 - полимерное

покрытие

Подробно теория оптических волокон приведена в [9-13]. Далее рассмотрим основные оптические и механические свойства волокна.

1.2.1.1 Оптические характеристики оптического волокна

1.2.1.1.1 /г-параметр

Одним из основных требований, предъявляемых к оптическим волокнам в ВОГ навигационного класса точности, является сохранение определенного состояния поляризации оптического сигнала, так как это является одним из условий возникновения интерференции на выходе контура [13]. Выполнение данного условия обеспечивается за счет двулучепреломления волокна, которое заключается в наличии двух ортогональных оптических осей в световоде, отличающихся друг от друга показателем преломления. В частности, это реализуется с помощью напрягающей эллиптической оболочки, которая создает механическое напряжение, направленное вдоль большой оси эллипса.

В том случае, когда вектор напряженности электрического поля световой волны, вводимой в оптоволокно, ориентируется под углом к оптическим осям, возбуждаются обе поляризационные моды.

Принципиальное отличие между поляризационными осями заключается в разнице скорости распространения света в оптическом волокне. Отсюда их названия - быстрая ось (вдоль малой оси эллипса) и медленная ось (вдоль большой оси эллипса).

В силу несовершенства внутренней структуры и влияния внешних факторов может происходить перекачка оптической мощности из одной ортогональной моды в другую в т.н. центрах рассеяния. Они возникают из-за наведенного двулучепреломления, которое ориентировано случайным образом относительно собственного.

Основной внешней причиной их возникновения являются механические воздействия на оптоволокно [14]. К ним относятся сжатие (рисунок 1.4, а), изгиб (рисунок 1.4, б), изгиб с натяжением (рисунок 1.4, в), микроизгиб (рисунок 1.4, г).

В)

Г)

Рисунок 1.4 - Основные виды механического воздействия на оптическое волокно: а) сжатие; б) изгиб; в) изгиб с натяжением; г) микроизгиб. Для количественной оценки поляризационных свойств волокна обычно используют коэффициент межмодовой поляризационной связи или, по-другому, 11-параметр. Он показывает, какая часть мощности светового излучения переходит в ортогональную моду после прохождения отрезка волокна длиной 1 м.

Для его измерения обычно используют метод скрещенных поляризаторов [15]. Он заключается в том, что с помощью входного поляризатора обеспечивается возбуждение в волокне только одной поляризационной моды, а путем вращения выходного поляризатора измеряется соотношение мощностей на выходе световода.

Данный метод неприменим для коротких волокон (до 200 м), так как оболочечные моды, возникающие при вводе света в волокно, суммируются с измеряемой паразитной поляризационной модой. Для решения данной проблемы был предложен интерференционный метод [16], который заключается в применении когерентного источника и измерении интерференционных колебаний, вызванных дополнительной фазовой модуляцией на входе световода. Минусом данного метода является необходимость использования специального оборудования.

Еще один метод [17] заключается в следующем. Линейно-поляризованный свет вводится строго в оптическую ось исследуемого волокна. После прохождения всей длины световода излучение попадает в поляризационный интерферометр Майкельсона. Зная параметры получившейся интерференционной картины, а именно - наибольшее и наименьшее значение оптической мощности, можно вычислить отношение интенсивностей паразитной моды и изначально возбужденной.

На рисунке 1.5 показана схема установки для измерения Ь-параметра с помощью описанного метода.

Эрбиевый суперлюминесцентный волоконный источник

Коллиматор Поляризатор Коллиматор

Л ^

\ I Микропозиционер

N А /

1 £

Ы Зеркало с микропозиционером

ООО

Осциллограф

а

Фотоприемное устройство

Анализатор Коллиматор

/

Генератор

Зеркало с пьезоэлект рическим модулятором

ОН

Рисунок 1.5 — Схема установки измерения Ь-параметра [18]

1.2.1.1.2 Оптические потери

Другой важной характеристикой оптоволокна являются оптические потери, которые определяют величину ослабления мощности сигнала, приходящуюся на единицу длины.

Основными факторами, от которых зависит значение оптических потерь, являются:

- рэлеевское рассеяние;

- инфракрасное поглощение;

- радикалы гидроксильных групп (ОН), содержащийся в сердцевине;

- внутренние неоднородности;

- внешние механические воздействия - главным образом, изгибы.

Первые два фактора обусловлены фундаментальными свойствами оптического волокна, и оптимальные условия достигаются в диапазоне длин волн 1520 - 1620 нм (рисунок 1.6).

3 2.5

5 2

ж

—

Ш

^ 1.5

о.

г 1

о с

0.5 0

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

Длина волны, им ц потери

............... релеевское рассеяние

— . — инфракрасное поглощение

Рисунок 1.6 - Спектры потерь в оптическом волокне [19]

Внутренние неоднородности разделяются на отражающие и неотражающие. К отражающим неоднородностям относят примеси и неоднородные включения в структуре волокна. Неотражающие неоднородности являются следствием флуктуаций показателя преломления волновода [19].

Минимизация внешних механических воздействий обеспечивается за счет упорядочивания укладки волокон в контуре и улучшении технологии намотки в целом.

Как правило, измерение оптических потерь в волокне производят двумя методами: методом облома волокна и методом вносимых потерь.

Метод облома волокна заключается в следующем. Сначала измеряется мощность, прошедшая через всю длину волокна. После этого на расстоянии нескольких метров от места ввода излучения волокно обламывается, и меряется мощность, прошедшая через короткий участок. Разность этих двух мощностей, выраженных в дБм, и определяет оптические потери. Основными

щ

1—щ 2

ш

«Водяные» пиш.|1 поглощения (ОН)

Т7ПГ"ПГ 5 .3 %

-

......

II рЙ ДА* •:• ..

> Релеевское и-- рассеяние

.1 I I

недостатками этого метода является необходимость укорачивать волокно и возможность измерять только полные потери на волоконно-оптической линии.

Другой метод заключается в следующем. Вначале измеряется выходная оптическая мощность источника излучения. После чего концы исследуемого волокна подключаются к источнику и измерителю, и снова меряется мощность. Также как и в первом методе, оптические потери равны разности значений двух мощностей. Главный недостаток этого метода - возможность мерить только полные потери.

Для определения и локализации дефектов и измерения оптических потерь используют оптические рефлектометры [19]. Принцип их работы заключается в том, что в волокно вводится мощный зондирующий импульс, после чего измеряется мощность и время запаздывания вернувшихся в рефлектометр импульсов. Последнее происходит из-за образования обратных волн за счет отражения от больших дефектов и рэлеевского рассеяния от малых дефектов.

1.2.1.2 Механические свойства оптического волокна

Выделяют два механических параметра оптического волокна, критичных для его намотки в волоконный контур ВОГ: кривизна и диаметр.

Проблема кривизны волокна заключается в том, что полимерное покрытие, наносимое на волокна в процессе вытяжки, имеет несимметричную форму, вследствие чего на кварцевый волновод действуют нескомпенсированные остаточные напряжения. Кроме того, полимерная оболочка деформируется в процессе хранения на транспортной катушке. Вследствие этого во время намотки на каркас волоконного контура волокно

может произвольно отклонятся от требуемого положения, особенно при низком значении натяжения.

Как показывает практика, значение диаметра кварцевого волновода и полимерной оболочки на всей длине волокна является переменной величиной. Как следствие, возникает задача выбора значения шага укладки, при котором не будут возникать дополнительные нерегулярности структуры катушки.

1.2.2 Каркас волоконного контура

Использование каркаса для волоконного контура не является обязательным требованием при проектировании ВОГ. Так, например, гироскопы фирмы ГХБЕА построены по бескаркасной технологии (рисунок 1.7), однако для ее применения необходимо решать принципиальные задачи по базированию и по созданию жесткой конструкции контура. Последнее обеспечивается применением специального пропиточного компаунда, выполняющего, не только демпфирующую, но и теплопроводящую роль.

Рисунок 1.7 - Бескаркасный волоконный контур ВОГ производства 1Х8ЕА

По типу материала каркасы разделяют на:

- металлические;

- неметаллические: кварцевая керамика (рисунок 1.8) (ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»), кварцевое стекло (рисунок 1.9) (ООО «Физоптика).

Металлический каркас имеет высокую технологичность в части изготовления и сборки в составе ВОГа. Однако, коэффициент температурного расширения (КТР) значительно выше, чем у кварца (например, для алюминия -в 40 раз больше), что, в случае изменения температуры, приводит к дополнительному натяжению волокна. А последнее, как говорилось в 1.3.1.1, негативно сказывается на поляризационных свойствах волокна.

КТР неметаллических каркасов имеет значение, соизмеримое с аналогичным значением для оптического волокна. Как следствие, волокно в волоконном контуре не испытывает механического давления со стороны каркаса при изменении температуры.

Рисунок 1.8 — Каркас из кварцевой керамики

Рисунок 1.9 - ВОГ с каркасом из кварцевого стекла

1.2.3 Пропиточный компаунд

Выделяют «сухую намотку» (без использования компаунда) и «мокрую намотку» (с использованием компаунда). Компаунд, главным компонентом которого выступает силикон, используется для обеспечения монолитности конструкции волоконного контура. Кроме того, при заливке волоконного контура компаундом достигается частичная релаксация механических напряжений. Технологические особенности использования компаунда приведены в патентах [20,21].

Для повышения теплопроводности в силикон добавляют алюминиевую или серебряную пудру [22,23].

1.3 Технология намотки волоконного контура

1.3.1 Качество намотки волоконного контура

Согласно ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения.», «качество - совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением» [24].

Применительно к объекту исследования данной работы, качество изготовления волоконного контура должно определяться теми его параметрами, которые непосредственно влияют на точностные характеристики ВОГ.

Согласно [25], основное влияние волоконного контура на погрешность показаний ВОГ заключается в чувствительности контура к пространственным и временным градиентам температуры. Как было отмечено в п. 1.2, для минимизации данного фактора используются специальные методы намотки,

обеспечивающие симметричность волоконного контура относительно центра намотки.

Далее будут рассмотрены основные методы намотки, методы повышения качества намотки, а также оборудование для намотки.

1.3.2 Методы намотки волоконного контура

Для классификации основных методов намотки введем понятие периода намотки - минимального числа слоев волоконного контура, взаимное расположение правого и левого плеч которых повторяется на протяжении всей структуры контура. Здесь различают монопольную (период - 1), дипольную (период - 2), квадрупольную (период - 4), гексапольную (период - 6) и октупольную (период - 8) намотку.

В зависимости от симметричности относительно середины рабочего окна катушки (пространство между бортами каркаса) методы намотки подразделяются на центрированные и нецентрированные.

В таблице 1.1 приведены иллюстрации основных методов в разрезе волоконного контура.

Таблица 1.1. Основные методы намотки

Нецентрированная Центрированная

Монопольная ч А У 1 ХлОвш

Продолжение таблицы 1.1

Дипольная

Квадрупольная

Гексапольная

Октупольная

Дипольная нецентрированная (или просто дипольная) намотка характерна тем, что любые два соседних слоя принадлежат разным плечам контура. Несмотря на то, что данный метод удовлетворяет требованию по симметричности намотки, степень этой симметричности не столь высока, как это необходимо при борьбе с температурными градиентами. Дело в том, что длина каждого последующего слоя возрастает по мере заполнения контура в связи с увеличения его диаметра. Как следствие, плечо контура, состоящее из четных слоев, будет длиннее плеча, состоящего из нечетных слоев.

Особенностью квадрупольной намотки является то, что в парах соседних слоев, правые и левые плечи постоянно чередуются. Т.е. в структуре из четырех слоев, называемой квадруполем, первый и четвертый слои относятся к

одному плечу, второй и третий - к противоположному. При этом разница в длинах плеч волоконного контура в случае квадрупольной намотки оказывается значительно ниже, чем при дипольной намотке. Более подробно преимущества и технологические особенности реализации квадрупольного метода приведены в статьях и патентах [26-30].

Гексапольная схема намотки представляет собой чередование квадруполей и диполей.

При октупольной намотке чередуются квадруполи и «обратные» квадруполи, в которых меняется взаимное расположение уже четырех слоев. Подробно эта схема описана в патентах [31-33].

Оба этих метода, в особенности октупольный, позволяют снижать неравенство длин плеч, возникающее в структуре волоконного контура.

Выбор между этими двумя схемами делается в зависимости от количества слоев оптоволокна, которое необходимо для обеспечения требуемой точности и динамического диапазона разрабатываемого ВОГ. Редкие упоминания гексапольного метода дают возможность предположить о столь же редком его использовании на практике.

Центрированная монопольная схема [34] предполагает намотку волокна от середины рабочего окна катушки так, что левая часть волокна укладывается в левой части рабочего окна, а правая - в правой. Главное преимущество данного метода заключается в том, что соответствующие полуслои правого и левого плеч имеют один и тот же радиус, и, как следствие, радиальные температурные градиенты, возникающие в объеме волоконного контура (рисунок 1.10, а), будут оказывать одинаковое влияние на эти полуслои. Однако эта схема не учитывает осевые пространственные градиенты (рисунок 1.10, б).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Новиков, Роман Леонидович, 2014 год

Список литературы

1. V.G.Peshekhonov, L.P.Nesenyuk, L.P.Staroseltsev. Trends in Development of Miniature Strapdown Inertial Measurement Units in С SRI Elektropribor. Symposium Gyro Technology 2000, Stuttgart, Germany.

2. Y. Paturel, V.Rumoroso, A.Chapelon, J.Honthaas. MARINS, the First FOG Navigation System for Submarines. Symposium Gyro Technology 2006, Stuttgart, Germany.

3. A.P.Kolevatov, S.G.Nikolaev, A.G.Andreev, V.S.Ermakov, D.A.Dunaev, O.L.Kel, N.V.Malgin. Development of a Dual Mode Attitude and Heading Reference System on Fiber Optic Gyros for Land Vehicles. 13th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, May 29-31, 2006.

4. I.K.Meshkovsky, V.I.Strigalyov, G.B.Deineka, V.G.Peshekhonov, L.P.Nesenyuk. A three-axis fiber-optic gyroscope for marine navigation systems. 16th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, May 25-27, 2009.

5. Шереметьев AT. Волоконно-оптический гироскоп. - M.: Радио и связь, 1987.

6. Э.К. Лефевр "Волоконно-оптический гироскоп: достижения и перспективы", Гироскопия и навигация №4(79), СПб 2012г.

7. Ю.В. Филатов "Оптические гироскопы", ЦНИИ "Электроприбор", СПб 2005г.

8. Л.Б. Лиокумович. Волоконно-оптические интерферометрические измерения. Ч. 1. Волоконно-оптические интерферометры. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007.

9. Т.Окоси, К.Окамото "Волоконно-оптические датчики", Пер. с япон. -Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990г.

10. Michel Digonnet, Strephane Blin, Hyang Kyun Kim,Vinayak Dangui and Gordon Kino, "Sensitivity and stability of an air-core fiber-optic gyroscope", Measurement science and technology 18 (2007) 3089-3097.

11. Stephane Blin, Hyang Kyun Kim, Member, IEEE, Michel J. F. Digonnet, Member, IEEE, and Gordon S. Kino, Life Fellow, IEEE, "Reduced Thermal Sensitivity of a Fiber-Optic Gyroscope Using an Air-Core Photonic-Bandgap Fiber" Journal of lightwave technology, Vol. 25, No. 3, March 2007.

12. M. Alam, D. Guertin, J. Farroni, J. Abramczyk, N. Jacobson and K. TankalaNufern, "Small form-factor PANDA type HiBi fiber for sensing applications", Proc. of SPIE Vol. 5272.

13. A. M. Kurbatov, R. A. Kurbatov. New Optical WJFiber Panda for Fiber Optic Gyroscope Sensitive Coil. Technical Physics Letters, 2010, Vol. 36, No. 9, pp. 789-791.

14. Азам P., Башара H. Эллипсометрия и поляризованный свет. - М.: Мир, 1981.-с. 584.

15. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов: Пер. с англ. -Радио и связь, 1987.

16. Котов О.И., Лиокумович Л.Б., Медведев А.В. Интерференционный метод измерения коэффициента экстинкции двулучепреломляющих волоконных световодов. // Журнал технической физики. - 2007. - том 77, вып. 9 -С. 102-107.

17. Шрамко О.А., Новиков Р.Л., Рупасов А.В. Исследование зависимости степени сохранения поляризации в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа от радиуса намотки волокна // Гироскопия и навигация. - Санкт-Петербург, 2013. - Вып. №2 (81).

18. Шрамко О. А., Рупасов А. В., Новиков Р. Л., Аксарин С. М. Метод исследования зависимости h-параметра анизотропного световода от радиуса изгиба // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-петербург, 2014. - Вып. №1(89).

19. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. -М.: ЛЕСАРарт, 2005.

20. Pat. 5767.970. Bonded fiber optic gyro sensor coil including voids / Amado cordova. 1998. N 661,166.

21. Pat. 5742390. Potted gyro sensor coil with inter-turn stress relief / Amado Cordova, Robert J. Hoover, Thomas McLean, Ralph A. Patterson, John P. Rahn. 1998. N751,984.

22. А.М.Курбатов, Р.А.Курбатов "Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов", Гироскопия и навигация №1(76) 2012г.

23. S. Merlo, М. Norgia " Fiber Gyroscope Principles", Handbook of Fibre Optic Sensing Technology, Italy 2000.

24. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения [Текст]. - Введ. 1979-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2009.

25. Алейник А.С. Исследование и повышение точностных параметров волоконно-оптического гироскопа. Автореф. Дис. канд. техн. наук. — СПб, 2012.-24 с.

26. Pat. 7090162 В2 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. 2006. N 10/732,772.

27. Pat. 5301884 USA. Automatic fiber optic quadrupole coil winding machine/ Erwin Homeman. 1994. N 806,950.

28. Pat. 5405485 USA. Robotic fiber optic quadrupole coil winder/ James A. Henderson, Joseph A. Sammartano. 1995. N 185,485.

29. Pat. 5351900 USA. Method of manufacture of quadrupole-wound fiber optic sensing coil/ Everett M. Torney. 1994. N 964,089.

30. Pat. 4856900 USA. Quadrupole-wound fiber optic sensing coil and method of manufacture thereof/ Mirko Ivancevic. 1989. N 57,626.

31. Pat. 5657411 USA. Negative trimming of fiber optic winding/ Randy P. Goettsche. 1997. N 573,239.

32. Pat. 5506923 USA. Apparatus and method for trimming of fiber optic winding/ Randy P. Goettsche, Ralph A. Bergh. 1996. N 531,882.

33. Pat. 5475774 USA. Optical fiber sensor coil using reverse quadrupoles and method of winding same/ Randy P. Goettsche, Ralph A. Bergh. 1995. N 268,716.

34. Pat. 7090162 B2 USA. Apparatus and method of winding optical fiber sensor coil for fiber optic gyroscope / Chan Gon Kim, Hyuk Jin Yoon, Sang Guk Kang, Won Jim Lee. 2006. N 10/732,772.

35. Pat. 5465150 USA. Optical fiber gyroscope sensing coil having a reduced sensitivity to temperature variations occurring therein/ Alan R. Malvarn. 1995. N214,639. (14).

36. Pat. 5917983 USA. Optical fiber coil and method of winding/ Jerry L. Page, David R. Bina, Douglas Milliman. 1999. N 09/027,262.

37. Pat. 5841932 USA. Optical fiber coil and method of winding/ Jerry L. Page, David R. Bina, Douglas Milliman. 1998. N 668,485.

38. Marty Williams, "Optical Fiber Placement for Crossover-free Fiber Optic Gyros", Proc. of SPIE Vol. 6314 631401-11.

39. Art Lompadoa, Michael S. Kranzb, Janet S. Baederb, L. Chris Heatonb, and Paul B. Ruffin, "Geometrical and polarization analyses of crossover-free fiber optic gyroscope sensor coils", Proc. of SPIE Vol. 6314 63140E-12.

40. Marty R. Williams "Crossover-free fiber optic coil sensor and winding method" Patent US7477806B2.

41. Pat. 3404975 B2 USA. Fiber optic coil for a fiber optic measuring system and method for producing the same/ Hanns J. Bueschelberger, Hans G. Mueller, Felix Ruh, Claus Voelker, Anja Weiner Ringwald nee Weiner. 2004. N10/070,840.

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

43. Zhuo Meng, X. Steve Yao, Zhihong Li, Zhenyang Ding, Longzhi Wang, Jin Can, Jianca Xu, Tiegen Liu. Advanced Techniques for Evaluating the Quality of Fiber Gyro Coils. Proc. of SPIE Vol. 8421 84218Q (2012).

44. Andre Sharon, Stephen Lin. Development of an automated "ber optic winding machine for gyroscope production. Robotics and Computer Integrated Manufacturing. 17 (2001). p.p. 223-231.

45. A novel method for determining and improving the quality of a quadrupolar fiber gyro coil under temperature variations. Zhihong Li, Zhuo Meng, Tiegen Liu, X. Steve Yao. OPTICS EXPRESS. Vol. 21, No. 2 (2013).

46. D.M. Shupe, "Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer". Applied Optics, 19 (5), 654 (1980).

47. Pat. 5168539 USA. Fiber-optic coil and method of manufacturing same/ Hidehiko Negishi, Yoshinori Takeuchi, Yukio Kasahara, Yoshihiko Honjoya. 1992. N800,041.

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

49. Мир намоточных станков [электронный ресурс]: Режим доступа: http://namotka.com/products/unit.php7cat id=28&prod id=244. свободный.

50. Новиков P.JI. Станок для выполнения технологических операций с оптическим волокном и проведения исследований по точности намотки. Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010.

51. Сервоприводы Omron серии Sigma-II [электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.omron-pro.ru/doc/drives/servo, свободный.

52. Тензодатчики HAEHNE [электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.haehne.de, свободный.

53. Фотоэлектрические переключатели серии W2 [электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.sick.com/gus/products/product_catalogs/en.html, свободный.

54. Гибридные шаговые двигатели серии FL28STH [электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.electroprivod.ru/fl28sth.htm, свободный.

55. Bonfiglioli [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bonfiglioli.com, свободный.

56. Инкрементные энкодеры [электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.skbis.ru/index.php?p=3&c=4, свободный.

57. Thomas L. De Fazio, Kendall L. Belsley, Ronald H. Smith, Garry B. Shank, Jr., William H. Culver. Development Issues For Automating Quadrupole-Pattern Optical-Fiber Coil-Winding For Fiber-Optic Gyro Manufacture. Optelecom, Gaithersburg, The Charles Stark Draper Laboratory, Cambridge (USA), 1994.

58. Мешковский И.К., Унтилов A.A., Киселев С.С., Куликов А.В., Новиков Р.Л. Качество намотки чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа // Изв. вузов. Приборостроение. - 2011. - Т. 54, №7 - с. 75-78.

59. Мешковский И.К., Киселев С.С., Куликов А.В., Новиков Р.Л. Дефекты намотки оптического волокна при изготовлении чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометра // Приборостроение. — 2010. - Февраль (№2) - С. 47-51.

Приложение А (обязательное)

Рисунок А. 1 - Связь разработанных методов повышения качества волоконного контура с процессом его намотки и измеряемыми параметрами