精密保偏光纤环制备平台报告
1. 建设背景
光纤（含保偏光纤）延迟环广泛应用于光缓存、时分复用、光信息处理、光传感等领域。光纤延时环是全光纤电流传感器和分布式光纤振动传感系统的必须部件，其张力、温度等性能直接影响相关传感系统的环境适应性。在光控相控阵天线中，光纤延时环能为相控阵天线单元提供超宽带、低损耗的微波相位偏移，实现对天线单元的快速控制，也可以为多子阵天线提供同步可控的相移。保偏光纤延迟环作为光纤陀螺的五大核心元器件之一，是目前唯一没有被标准化的器件，光纤环绕制的好坏直接影响光纤陀螺的性能指标。此外，光纤延迟环也是突破光纤水听器基元高灵敏度、小型化、宽频带以及高密度集成封装技术的关键部件。
基于光纤绕环精密机构与平台可实现光纤（含保偏光纤）延迟环的设计、制作与精密测量，可满足光子器件技术与测试实验中，光纤（含保偏光纤）干涉仪测试、光纤（含保偏光纤）环绕制与性能测试部分的实验开展要求；可满足光网络技术与节点测试分析实验中，光信号交换控制及光节点（含光纤环）测试部分的实验开展要求。
此外，光纤绕环通常由精密运动机构和平台实现，但实现高精度绕环必须有高分辨率的显微成像系统对光纤环绕制进行实时监测，并进行精密控制。本项目在光纤绕环精密机构与平台的基础上，建设光纤环绕制成像监测与控制机构，为光纤环绕制过程进行精密的显微成像监测，并进行实时的控制反馈，并配备软件主要用于对整个控制系统的状态进行实时监测，并能对相关绕环参数进行修改保存，实现人机交互。
2. 平台方案
为确保光纤环的声学性能和一致性满足要求，需优化光纤环绕制工艺参数的精度。光纤环绕制过程中的关键工艺参数包括：绕制张力、绕制速度、光纤环排布均匀性以及增敏胶涂覆均匀性。为了提高绕制精度，本平台前期设计了3个步进电机分别对绕制张力、光纤环的转动和平动3个绕制参数进行精确控制（如图1所示）。
根据张力传感器的输出结果，张力控制步进电机控制光纤环的绕制张力；平移步进马达根据螺杆的螺距与光纤芯径的比例，以及工作环的绕制速度来控制光纤环绕制平台的平移方向及速率；工作环绕制步进电机控制光纤环的绕制速度。
该设备可实现的功能包括：1）通过计米器精确控制绕制长度；2）张力测试仪精确测量绕制过程中的张力，实时监控绕制过程，及时调整绕制张力，确保绕制张力精度；3）排线引导滑轮精确控制光纤环之间的间距，避免绕制过程中光纤环的跳段和内陷等现象；4在绕制过程中自动在光纤上均匀涂覆增敏胶，同时可以进行实时观测绕制过程中光纤排列的均匀性以及光纤涂覆层是否存在损伤，降低光纤环绕制过程中的损伤几率。
图1全程无损伤恒张力自动涂覆高精度绕纤机原理图
3. 关键技术
3.1收放线同步控制
在绕线过程中，由于收线盘的光纤不断增多，其盘径渐渐变大，而放线盘的光纤不断减少，其盘径渐渐变小，张力与卷经关系如下图所示：
图2张力与卷经关系图
根据材料的不同可以有不同的曲线形式。但总的来说，在卷径较小时需要更大的拉力，卷径较大时需要更小的拉力，这样才能保证卷紧。
3.2 恒张力控制
对于张力调节，本平台使用控制系统如下图所示：
图3基本模拟反馈控制回路
被控量的值由传感器或变送器来检测，将该值与给定值进行比较，得到偏差，调节器按照一定控制规律使操作变量变化，使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。
3.3 基于虚轴控制的收排线同步控制
目前常在使用的同步控制模型。主要有主令参考式和主从式。
主令参考式模型下，系统的所有单元共享一个输人信号，即主令参考信号。系统的输人信号（主令参考信号）直接作用到每个单元的电动机上，每个一单元获得一致的输入信号，由于各单元之间完全没有耦合，因此各单元的输入信号不受除主令参考信号以外的任何其它因末的影响．所以任一单元的扰动不会影响任何其它单元的工作状态。如果仅仅是主令参考信号的波动，此时各单元的同步主要靠各单元对主令参考信号的一致跟随即各轴控制器的性能．但当某一单元发生扰动时，系统的同步就得不到保证。因此该模型实际上无法适应复杂的控制对象以及存在负载扰动的同步控制。
主从式结构与主令参考式类似，区别在于其他运动轴的参考输入来自于主运动轴的输出，而并非由主令参考信号来产生，使从轴运动精确地跟踪主轴运动。当主轴出现负载突变或速度跳变时，从轴可以随时跟踪主轴的变化，满足多轴问步运动的需要。但是．如果系统中的从轴出现负载突变或速度跳变时，主轴因为没有从轴的任何反馈信息，因而造成了两台电机的失同步．从而对多轴同步造成比较大的影响。通常情况下，选择控制性能最差的那根轴作为主轴，这样基本上可以保证其他轴于该轴的运动同步性，但如果主抽选择的不合适，同样会带来主令参考式中存在的问题。主一从式同步控制模式相比上一模型能够取得更好的效果，因此在工业上得到了广泛的应用，成为同步控制的一个事实上的“标准”。
3.4 基于总线控制的系统软硬件控制
本平台运动控制采用机电一体化解决方案，如下图所示：
图4机电一体化解决方案图
机械零件被伺服电机和智能运动控制器取代，简化机械结构和机械系统意味着更高的动态特性和更高的柔性、更少的磨损，运动控制器正成为一个决定性的因素。
4. 平台样机
基于上述技术方案，建设精密保偏光纤环制备平台，并完成各种对称或平绕工艺的高精度保偏及光子晶体光纤环的绕制，平台照片及绕制的光纤环样品如图 5，图6所示。
