文章编号:100525630(2005)022*******
光纤绕线机张力控制系统的研究
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赵晋洪,舒晓武,牟旭东,刘 承
(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027) 摘要:光纤环是光纤陀螺的传感核心,一个长期稳定并且比较小的张力值是评价光纤
环品质高低的最基本的因素。通过光纤绕线机在绕纤过程中对光纤上的张力进行控制的
方法,可以获得期望的张力值,使得光纤环的性能有了比较好的改善。
关键词:光纤绕线机;张力控制;P I D
中图分类号:TN 25 文献标识码:A
The research of the ten sion con trol syste m of optica l f iber co il wi nd i ng mach i ne
ZH A O J in 2hong ,S H U X iz o 2w u ,M OU X u 2d ong ,L IU Cheng
(State Key L abo rato ry of M odern Op tical Instrum entati on ,Zhejiang U niversity ,H angzhou 310027,Ch ina )
Abstract :T he op tical fiber co ils is the sen se co re of the op tical fiber gyro scope .A m in i m al and steady ten si on is the m ain facto r to evaluate the quality of the op tical fiber co ils .Con tro ling the ten si on of the op tical fiber in the p rocess of the w inding w ith the w indm ach ine ,w e can get the expected value of ten si on .T he p erfo r m ance of the op tical fiber co ils can be i m p roved .
Key words :op tical fiber w inding m ach ine ,ten si on con tro l ,P I D
1 引 言
光纤陀螺具有结构简单、无运动部件、启动快、寿命长、体积小、重量轻、耐冲击、抗电磁干扰、无加速度引起的漂移、精度高、动态范围大、成本低等优越的性能,是航天、航空、航海等各种民用和工业领域中的应用发展方向。
在众多影响光纤陀螺性能的因素中,光纤环的绕制品质的高低是最重要的因素之一。光纤环性能的好坏直接影响到光纤陀螺的精度和稳定。环上光纤的应力大小对光纤环品质的影响非常重要。如何获得期望的张力值是提升光纤环品质的关键。
2 光纤环上光纤的张力分析
光纤环所处的环境因素,如温度、应力引起的非互易性相位噪声,直接影响着光纤陀螺的精度和性能,因此怎样降低或者消除环境因素带给光纤环的非互易性相位噪声是光纤陀螺向高精度、实用化发展过程中急需解决的问题。
外界应力对光纤参数(例如折射率)产生影响,当两束相向传输光波在光纤中传输时,在光纤环的某一局部位置处,在不同的时间里,经受了同一应力效应的影响,这时两束光波间将产生非互易性相位,该相位
第27卷 第2期
2005年4月 光 学 仪 器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .27,N o.2
A p ril,2005
Ξ收稿日期:2004207228
作者简介:赵晋洪(19782),男,山东济南人,硕士研究生,主要从事光纤绕线机的开发与研究。
作为误差对因旋转Sagnac 相位产生影响,光纤环因应力产生的非互易性相位∃5s 可以用下式来表示:
∃5s =K (
d n c d s +C s n c )n c c (2I -L )∫L 0d I ∆S (1,t )∆t (1)式中,C s 为光纤压缩系数;d n c
d s 为光纤折射率应力变化率;S (1,t )为光纤环应力分布函数;I 为光纤环上的
光纤长度
所以根据上式可以得出,如果想保证应力造成的非互易性相位值非常小的话,必须要使得光纤环应力分布函数变化幅度不大,最好可以保证一个恒定的值。
光纤环上的光纤在绕制过程中,由于外部环境和绕制方式的影响会造成多种不同因素的应力的产生。例如外界应力、缠绕的压应力、弯曲应力和扭曲应力等。外界应力可以通过保持光纤绕线过程中外部环境来消除。因此,环上的光纤所受的张力最主要是来源于缠绕过程中的绕制应力和预备光纤环上本身自带的应力。
由此可见,对绕纤过程中的光纤进行张力控制,是保证光纤环的光纤应力稳定最关键的方法。光纤的张力控制也就成为光纤绕线机研制过程中一个重要因素。也是文中所要探讨的关键。
3 光纤绕线机的张力控制系统的设计
现讨论的光纤的张力控制系统是光纤绕线机系统的关键组成部分。需要说明的是,张力控制系统并不是脱离光纤绕线机系统而单独存在的,现只是将该子系统单独进行阐述。
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控制系统的实现方法
图1 张力控制系统流程图
进行绕纤时,光纤从预备环支架导出,经过舞蹈轮、张力传感器、滑轮,最后根据引导滑轮的位置来精确绕制到光纤环架上。当光纤上的张力值恒定时,舞蹈轮主要受本身的重力、与绕纤方向相同的主轴电机的拉力、与绕纤方向相反的张力控制电机的拉力和光纤上自身的张力这几个力的作用,而始终保持在水平方向的位置。如果光纤上的张力值变化时,舞蹈轮上的平衡被破坏,而不能保持在水平位置。此时,张力传感器检测到张力的变化,并将其转换为电压变化值,该值经过AD 采样电路转化为数字信号,传送到主控制电路并通过P I D 算法,计算获取到一个相应的用于施加到张力控制电机的电压值,来调整张力控制电机的旋转速度以间接地改变电机的输出力矩,并最终使得舞蹈轮上的平衡恢复,舞蹈轮返回到水平位置,光纤上的张力值被控制在一个稳定的范围内。
3.2 控制系统的结构设计
光纤绕线机的张力控制系统的结构图如图2所示。
由图2所示,光纤绕线机的张力控制系统由以下几部分组成:张力传感器及放大电路、张力控制电机、舞蹈轮、预备环支架、引导滑轮和A D 采样及反馈控制电路。
张力传感器的实质就是一个单臂电桥。它与一个定滑轮相连接,然后放置在舞蹈轮与引导滑轮之间。光纤绕制时经过该定滑轮,因此可以视为光纤上的张力直接作用在传感器上。光纤上的张力变化会造成电桥两端的不平衡,而导致张力传感器的输出端会产生一个毫伏级的电压信号。
张力控制用的电机采用的是直流伺服电机。该电机的特点是控制方式简单、性能稳定、反应速度快。使
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