(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210990532.9 (22)申请日 2022.08.18 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 115060583 A (43)申请公布日 2022.09.16 (73)专利权人 中国船舶重 工集团公司第七0七 研究所 地址 300130 天津市红桥区丁字沽一 号路 268号 (72)发明人 李茂春　罗巍　惠菲　刘俊　 (74)专利代理 机构 天津展誉 专利代理有限公司 12221 专利代理师 刘永会 (51)Int.Cl. G01N 3/08(2006.01)G01N 3/32(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G02B 6/02(2006.01) (56)对比文件 CN 101285 698 A,20 08.10.15 CN 10278 8595 A,2012.1 1.21 US 2011037972 A1,201 1.02.17 CN 110260794 A,2019.09.20 CN 114754799 A,2022.07.15 US 2009161112 A1,20 09.06.25 CN 111044081 A,2020.04.21 李茂春等.空芯微结构光纤陀螺性能提升分 析与验证. 《中国惯性 技术学报》 .2021,245 -249. 吕宗祺.光纤陀螺. 《航空电子技 术》 .1995, (第04期),3 5-42+34. 审查员 汤敏 (54)发明名称 一种空芯微结构光纤强度评估方法及系统 (57)摘要 本发明涉及光纤陀螺技术领域， 尤其涉及一 种空芯微结构光纤强度评估 方法及系统， 包括如 下流程： 将光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上； 光经 前端耦合器和起偏器到达后端耦合器， 后端耦合 器将光分成两束在光纤环圈中相向传播； 对两束 光进行相位调制； 经相位调制后两束光返回后端 耦合器干涉， 再经起偏器到达前端耦合器， 通过 前端耦合器分成两束， 其中一束经光电探测器转 换成电流信号传输给调制解调电路板； 调制解调 电路板实现相位差检测并将检测信号传输给上 位机； 上位机将信号与预设范围比较， 若在预设 范围， 则评估光纤适宜应用于光纤陀螺的环圈。 本发明提供的方法及系统可以准确评估光纤是 否适宜应用于陀螺的环圈。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 115060583 B 2022.11.01 CN 115060583 B 1.一种空芯微结构光纤强度评估方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1:将空芯微结构光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上 形成可拉伸空芯微结构光纤环圈； S2:光源发出的光经前端耦合器和起偏器后到达后端耦合器， 后端耦合器将光分成两 束在可拉伸空芯微结构光纤环圈中沿顺、 逆时针方向相向传播； S3:通过可伸缩环圈骨架的周期性伸缩变化对经过空芯微结构光纤环圈的两束光进行 相位调制； S4: 经相位调制后的两束光返回后端耦合器进行干涉， 干涉光再经起偏器到达前端耦 合器， 通过前端耦合器分成两束， 其中一束光到达光电探测器并经光电探测器转换成电流 信号传输给调制解调电路板； S5: 调制解调电路板将电流信号进行低噪声放大、 电压转换、 滤波、 开环相敏检测后， 实现相位差的检测， 并形成开环光纤陀螺 输出角速度信号传输给 上位机； S6:上位机接收角速度信号后与预设范围进行比较， 若在预设范围之内， 则评估空芯微 结构光纤适宜应用于光纤陀螺的环圈上， 若超过预设范围， 则评估空芯微结构光纤不适宜 应用于光纤陀螺的环圈上； S1中所述可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构， 可伸缩环圈骨架 中心设有两个剪刀撑及与调制解调电路板连接的压电堆栈， 两个剪刀撑靠近支 点的一端分 别与压电堆栈接触， 远离支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触， 压电堆栈由调制解调电 路板施加 正弦波电压调制信号， 使可伸缩环圈骨架周期性伸缩， 可拉伸空芯微结构光纤环 圈被相位调制。 2.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤强度评估方法， 其特征在于， 所述正弦波 电压调制信号幅值与空芯微结构光纤环圈π/2的相位偏置对应， 正弦波电压调制信号频率 与环圈本征 频率对应。 3.根据权利要求1所述的一种空芯微结构光纤强度评估方法， 其特征在于， S4中通过前 端耦合器分成的两束光， 一束光到达光电探测器， 另一束光返回光源后被隔离掉， 且返回光 源的光与到 达光电探测器的光各占5 0%。 4.一种空芯微结构光纤强度评估系统， 其特征在于： 包括光源、 前端耦合器、 起偏器、 后 端耦合器、 可伸缩环圈骨架、 光电探测 器、 调制解调电路板及上位机， 所述前端耦合器前端 分别与光源及光电探测器耦合， 前端耦合器后端与起偏器前端耦合， 后端耦合器前端与起 偏器后端耦合， 后端耦合器后端与绕制在可伸缩环圈骨架上的空心 微结构光纤两个尾纤耦 合， 所述调制解调电路板输入端与光电探测器的输出端连接， 调制解调电路板输出端与上 位机的输入端连接， 所述可伸缩环圈骨架为椭圆形开环结构， 可伸缩环圈骨架中心设有两 个剪刀撑及与调制解调电路板连接的压电堆栈， 两个剪刀撑靠近支 点的一端分别与压电堆 栈接触， 远离支点的一端分别与可伸缩环圈骨架接触， 压电堆栈由调制解调电路板施加 正 弦波电压调制信号， 使可伸缩环圈骨架周期性伸缩， 可拉伸空芯微结构光纤环圈被相位调 制。 5.根据权利要求4所述的一种空芯微结构光纤强度评估系统， 其特征在于， 所述调制解 调电路板设有前置放大器、 带通滤波器、 相敏检测器、 低通滤波器及信号发生器。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115060583 B 2一种空芯微结构光纤强度评估方 法及系统 技术领域 [0001]本发明涉及 光纤陀螺技术领域， 尤其涉及 一种空芯微结构光纤强度评估方法及系 统。 背景技术 [0002]空芯微结构光纤由单一介质材料构成， 通常选用纯二氧化硅材料， 光纤端面具有 周期结构排列的空气孔， 并沿轴向贯穿整根光纤。 空芯微结构光纤通过包层微结构形成全 新导光机制， 光波被束缚在空气纤芯中传播， 光波主要与空气接触， 传输过程中不易受温 度、 磁场、 辐照等环境因素干扰， 打破了传统光纤本征的材料限制， 是下一代光纤陀螺理想 的核心传感基础材 料。 [0003]空芯微结构光纤应用于光纤陀螺需精密对称绕制成环， 形成空芯微结构光纤环圈 作为陀螺中直接敏感Sagnac相移的传感元件。 光纤成环过程通常包括绕制、 施胶和固化环 节。 相比传统全固态 光纤， 成环过程中在光纤上产生的扭转应力、 横向应力、 弯曲应力、 胶体 收缩力等附加力场更易损伤空芯微结构光纤， 对其内部微结构造成破坏， 进而影响导光特 性。 此外， 光纤陀螺中光纤绕制成环， 长期弯曲使用条件下， 会加速空芯微结构光纤表面及 内部微裂纹的生长， 弯曲应力长期施加存在最 终导致微结构发生断裂的风险。 因此， 在空芯 微结构光纤应用于光纤陀螺之前， 对其机 械强度进行评估与筛 选非常必要。 [0004]传统光纤强度评估与筛选方法是通过使光纤每一段均经受一个预定的瞬时张应 力或应变， 例如恒应力、 恒纵向伸长或恒弯曲应变等， 并以光纤是否发生断裂作为判据， 来 评判光纤是否满足机械强度要求。 空芯微结构光纤选取合适的包层和涂覆层厚度以获得相 对高的机械强度， 可满足传统光纤强度评估与筛选要求。 但传统光纤强度评估与筛选方法 中单一的张应力或应变施加不足以模拟光纤成环过程中的复杂应力环境， 另外瞬时的张应 力或应变施加也不 足以表征陀螺应用光纤张紧、 弯曲等条件下应力长期演变进程。 因此， 传 统光纤强度评估与筛 选方法不 适用于陀螺用空芯微结构光纤的强度评估与筛 选。 发明内容 [0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种空芯微结构光纤强度评估系统及方法， 将 空芯微结构光纤绕制 于可伸缩环圈骨架之上形成光纤环圈， 可模拟出成环应力施加过程， 该光纤环圈接入强度评估装置， 构成光纤陀螺可监测 光纤在陀螺中的应用状态， 可伸缩环 圈骨架带动空芯微结构光纤周期性拉伸， 一方面对空芯微结构光纤起到应力激励施加效果 以实现光纤强度评估与筛选， 另一方面在空芯微结构光纤内形成相位调制功能以实现陀螺 偏置调制， 通过陀螺信号长期输出变化情况 可表征空芯微结构光纤力学 特性优劣。 [0006]本发明是通过以下技 术方案予以实现： [0007]一种空芯微结构光纤强度评估方法， 其包括如下步骤： [0008]S1:将空芯微结构光纤缠绕在可伸缩环圈骨架上形成可拉伸空芯微结构光纤环 圈；说　明　书 1/6 页 3 CN 115060583 B 3