CC BY
114
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, (1)
где Яв — радиус наматываемого волокна.
С учетом выражения (1) можно вычислить радиус ряда N волокна, наматываемого на катушку:
RN = Як + Яв + (N - 1)Аг = Як + Яв + (N -1)73 - Яв, (2)
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 (3)
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 .
(4)
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 ,
(5)
(6)
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):
= (2пЯк )2 + № )2. (7)
Яв
а)
Рис. 2
Учитывая уравнение (6), получаем
А!Д1 =44п2(%-1 + 2 Я )2 +16 Я,2 .
(8)
Рассчитаем приращение длины оптического волокна, вызванное дефектом первого рода, для 3-го ряда волокна (N=3). Если принять Як =200 мм, Яв =0,2 мм, то согласно уравнению (6)
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. (9)
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 . (10)
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: [email protected]
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра измерительных технологий и компьютерной томографии; E-mail: [email protected]
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи, инженер; E-mail: [email protected] студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра измерительных технологий и компьютерной томографии; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 15.06.09 г.
