CN100362320C - 轻小型三轴一体光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻小型三轴一体光纤陀螺，包括光源组件、光纤组件、机械骨架、控制电路板和以及用于同外部产生信息联络的外部接口，光源组件安装在机械骨架的顶端，X轴光纤组件、Y轴光纤组件和Z轴光纤组件分别安装在机械骨架的X轴凸台体、Y轴安装壁和Z轴安装壁的定位面上，外部接口安装在机械骨架的法兰盘上，控制电路板安装在机械骨架底部的固紧装置上并嵌入机械骨架底部的大凹腔内。在本发明中采用一体化结构设计、共用一个光源和处理电路，这样不仅节省了元器件、减小体积、降低成本，而且也有利于提高系统的可靠性。采用共用信号处理电路的方法来简化光纤陀螺系统结构，缩小体积，降低成本和功耗。

Description

轻小型三轴一体光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种三维角速度测量装置，具体地说是指一种建立在光学SAGNAC效应基础上的，能够共用光源、共用检测电路、一体化结构设计的轻小型数字闭环三轴一体的光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是基于萨格奈克(Sagnac)效应，在惯性空间通常萨格奈克效应可以描述为：“在同一闭合回路中，沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传播的两束光，围绕垂直于回路的轴的转动将引起两束光之间相位差的变化，该相位差的大小与光回路旋转速率成比例关系”。Sagnac效应的原理图如图1所示，图中，圆环代表光纤环，点S为两束相向传输的光注入点，Ω为顺时针旋转角速度。在惯性空间，当光纤环静止时，两束光回到S点时所经历的光程相同，因此不会产生相位差；当光纤环以角速度Ω顺时针旋转时，注入点S转到了S′处，沿顺时针方向传播的光束将比沿逆时针方向传播的光束经历的光程要长，因此会产生相位差。而此相位差Δφ与光纤环旋转角速度Ω成比例关系： $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω},$ 式中L为光纤长度，D为光纤环直径，c为光在真空中的传播速度，λ为入射光的波长。

光纤陀螺是一种新型的角速率传感器，与机械陀螺相比，具有全固态、对重力不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，无高电压电源、无机械抖动；另外，还具有重量轻、寿命长、成本低的优势。在航空、航天、航海等军用领域及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景。目前的典型结构形式为：以三个独立的单轴光纤陀螺子系统来实现对三个正交的空间坐标系的旋转轴角速度或位置进行测量，每个光纤陀螺子系统都包括一个光源、一个光电探测器和一个处理电路。随着应用领域需要的发展，目前对光纤陀螺体积和重量的提出了更高的要求。同时在很多应用领域都涉及三维测量，因此，轻小型三轴陀螺的研究引起了国际上广泛的关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻小型三轴一体光纤陀螺。该光纤陀螺为了减小光纤陀螺系统的尺寸和重量，对机械骨架进行了结构优化设计，对控制电路进行了优化组合设计。在本发明中采用一体化结构设计、共用一个光源和处理电路，这样不仅节省了元器件、减小体积、降低成本，而且也有利于提高系统的可靠性。采用共用信号处理电路的方法来简化光纤陀螺系统结构，缩小体积，降低成本和功耗。

本发明的一种轻小型三轴一体光纤陀螺，包括光源组件、光纤组件、控制电路板、机械骨架和以及用于同外部产生信息联络的外部接口，光源组件安装在机械骨架的顶端，X轴光纤组件、Y轴光纤组件和Z轴光纤组件分别安装在机械骨架的X轴凸台体、Y轴安装壁和Z轴安装壁的定位面上，外部接口安装在机械骨架的法兰盘上，控制电路板安装在机械骨架底部的固紧装置上并嵌入机械骨架底部的大凹腔内；所述机械骨架为符合右手坐标系规则的一体结构，X轴凸台体设在法兰盘上，X轴凸台体的第一侧面上垂直设有Y轴安装壁，X轴凸台体的第二侧面上垂直设有Z轴安装壁，Y轴安装壁和Z轴安装壁的共面垂直；所述机械骨架的X轴凸台体的中心是一空腔，空腔内设有供X轴光纤组件固定用的定位面，X轴凸台体与共面的对角处设有安装台；所述机械骨架的Y轴安装壁的中心是一空腔，Y轴安装壁的背部设有凹腔，凹腔内设有凸起的定位面；所述机械骨架的Z轴安装壁的中心是一空腔，Z轴安装壁的背部设有凹腔，凹腔内设有凸起的定位面；所述机械骨架11的法兰盘上设有通孔和用于安装部件的多个安装孔，各个安装孔按照120°角均匀分布，法兰盘的背部设有供控制电路板固紧用的固紧装置和大凹腔，法兰盘背部的连接盘上设有安装台。

所述的光源组件，由光源、第一分光器、第二分光器、光源驱动和光源底板组成，光源底板上设有扇形凸台，扇形凸台上安装有光源，光源底板的两对角上分别设有第一分光器和第二分光器，光源底板的安装柱上安装有光源驱动；光源组件安装在机械骨架上部的Y轴安装壁和Z轴安装壁顶端。

所述的Y轴光纤组件，由环骨架、光纤、探测器、前放电路、调制器、耦合器组成，环骨架上缠绕有光纤，环骨架的上部安装有调制器和耦合器，探测器安装在前放电路上，前放电路安装在环骨架上的螺纹柱上；Y轴光纤组件安装在机械骨架的Y轴安装壁的定位面上。

所述控制电路板至少包括FPGA、信号转换电路、调制器驱动电路，FPGA接收经由X轴光纤组件、Y轴光纤组件和Z轴光纤组件中探测器输出的光强电压信号经三轴的前放电路放大、经A/D转换器转换输出的数字信号，FPGA对接收的数字信号经时序控制处理后输出相位补偿电压信号给D/A转换器、三轴调制器的调制驱动电路，经调制驱动电路解调后输出电压信号控制三轴的调制器进行相位调制保持干涉光强恒定。

所述的轻小型三轴一体光纤陀螺的控制方式采用全数字式闭环控制。

本发明的优点：(1)三轴陀螺的一体化结构设计，不仅有效地利用了空间，降低了重量和减少了机械组件。另外由于该设计减少了陀螺安装的中间环节，更有利于保障陀螺的安装定位精度；(2)共享大功率光源，节省了光学器件，降低了成本。有利于提高产品的一致性和可靠性；(3)共用一个F-PGA的三轴全数字闭环信号处理电路；共用信号处理电路，有效节省了电路板面积，利于小型化和集成化。同时全数字闭环控制电路有效提高了抗干扰能力和陀螺测试动态范围；(4)标准外部接口，有利于用户的实用方便。

附图说明

图1是萨格奈克效应原理图。

图2是本发明光纤陀螺整体结构示意图。

图3是本发明光纤陀螺的一侧视图。

图4是本发明机械骨架结构示意图。

图5是本发明机械骨架的一侧视图。

图6是本发明法兰盘的仰视图。

图7是本发明光源组件爆炸图。

图8是本发明光纤组件爆炸图。

图9是本发明光路电路的处理电路结构示意图。

图10是本发明电路控制的电路原理图。

图中：             11.机械骨架    1.X轴凸台体   101.空腔      102.定位面

103.安装台         104.第一侧面   105.第二侧面  106.共面      2.Y轴安装壁

201.空腔           202.定位面     203.凹腔      3.Z轴安装壁   301.空腔

4.法兰盘           401.固紧装置   402.平截面    403.安装台    404.安装孔

405.通孔           406.大凹腔     407.连接盘    12.Y轴光纤组件

13.外部接          14.光源组件    15.控制电路板 16.X轴光纤组件

17.Z轴光纤组件     501.光源底板   502.第一分光器

503.扇形凸台       504.光源驱动   505.光源      506.第二分光器

507.螺纹柱         601.控测器     602.环骨架    603.光纤       604.控制器

605.前放电路       606.耦合器     607.螺纹柱

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明中的轻小型三轴一体光纤陀螺，其三轴为一体化设计，即机械骨架11的结构(如图4所示)为一体化设计。由于机械骨架11的设计方案减轻了整体光纤陀螺的重量，同时也使X轴光纤组件16、Y轴光纤组件12和Z轴光纤组件17和光源组件14共亨同一块控制电路板15，节约了资源和功率的消耗。

请参见图2～图8所示，本发明是一种轻小型三轴一体光纤陀螺，由光源组件14、X轴光纤组件16、Y轴光纤组件12、Z轴光纤组件17、机械骨架11、控制电路板15和以及用于同外部产生信息联络的外部接口13组成，机械骨架11是用来安装源组件14、X轴光纤组件16、Y轴光纤组件12、Z轴光纤组件17和控制电路板15的。光源组件14安装在机械骨架11的顶端，X轴光纤组件16、Y轴光纤组件12和Z轴光纤组件17分别安装在机械骨架11的X轴凸台体1、Y轴安装壁2和Z轴安装壁3的定位面上，外部接口13安装在机械骨架11的法兰盘4上(参见图2、图3所示)，控制电路板15安装在机械骨架11底部的固紧装置401上并嵌入机械骨架11底部的大凹腔406内(参见图6所示)。

在本发明中，机械骨架11为符合右手坐标系规则的一体结构，X轴凸台体1设在法兰盘4上，X轴凸台体1的第一侧面104上垂直设有Y轴安装壁2，X轴凸台体1的第二侧面105上垂直设有Z轴安装壁3，Y轴安装壁2和Z轴安装壁3的共面106垂直；所述机械骨架11的X轴凸台体1的中心是一空腔101，空腔101内设有供X轴光纤组件16固定用的定位面102，X轴凸台体1与共面106的对角处设有安装台103；所述机械骨架11的Y轴安装壁2的中心是一空腔201，Y轴安装壁2的背部设有凹腔203，凹腔203内设有凸起的定位面202；所述机械骨架11的Z轴安装壁3的中心是一空腔301，Z轴安装壁3的背部设有凹腔，凹腔内设有凸起的定位面；所述机械骨架11的法兰盘4上设有通孔405和用于安装部件的多个安装孔404，各个安装孔404按照120°角均匀分布，法兰盘4的背部设有供控制电路板15固紧用的固紧装置401和大凹腔406，法兰盘4背部的连接盘407上设有安装台403(参见图4、图5、图6所示)。

在本发明中的光源组件14，由光源505、第一分光器502、第二分光器506、光源驱动504和光源底板501组成，光源底板501上设有扇形凸台503，扇形凸台503上安装有光源505，光源底板501的两对角上分别设有第一分光器502和第二分光器506，光源底板501的安装柱上安装有光源驱动504；光源组件14安装在机械骨架11上部的Y轴安装壁2和Z轴安装壁3顶端(参见图7所示)。在此实例中第一分光器502和第二分光器506选用一分二分光器，故在光源组件14的光源底板501上相对安装两个分光器。在本发明中，其光源505输出的光功率为一分三的状况，可以只用一个分光器(即一分三分光器)，但考虑到扩展光的功率，降低整个光纤陀螺的造价，故用安装两个分光器的方案。对于光源505即可用SLD光源也可用SFS掺饵光纤光源。

在本发明中，因是三轴共体故光纤组件分别有三个，即X轴光纤组件16、Y轴光纤组件12和Z轴光纤组件17，这三个光纤组件的结构相同，现以Y轴光纤组件12进行详细说明其结构，三个光纤组件分别安装在机械骨架11的三个轴系中(X轴凸台体1、Y轴安装壁2和Z轴安装壁3)。Y轴光纤组件12由环骨架602、光纤603、探测器601、前放电路605、调制器604、耦合器606组成，环骨架602上缠绕有光纤603，环骨架602的上部安装有调制器604和耦合器605，探测器601安装在前放电路605上，前放电路605安装在环骨架602上的螺纹柱607上；Y轴光纤组件12安装在机械骨架11的Y轴安装壁2的定位面202上(参见图8所示)。在此实例中调制器选用集成光学调制器，其有较佳的稳定性能，对整个光纤陀螺的相位补偿有利于测试精度的提高。

在本发明中的控制电路板15至少包括FPGA、信号转换电路、调制器驱动电路(参见图9所示)，FPGA接收经由X轴光纤组件16、Y轴光纤组件12和Z轴光纤组件17中探测器输出的光强电压信号经三轴的前放电路放大、经A/D转换器转换输出的数字信号，FPGA对接收的数字信号经时序控制处理后输出相位补偿电压信号给D/A转换器、三轴调制器的调制驱动电路，经调制驱动电路解调后输出电压信号控制三轴的调制器进行相位调制保持干涉光强恒定。本设计共享光源和FPGA，采用闭环检测控制方式。光纤陀螺的整体信号流程可以分为光路和电路两部分，其中，各轴的探测器(X轴探测器、Y轴探测器、Z轴探测器)和各轴的调制器(X轴调制器、Y轴调制器、Z轴调制器)分别完成光电、电光的信号转换。光源驱动电路504给光源505提供高稳定的恒流驱动并完成光源505内部的恒温控制，使光源505发出的光功率、光谱稳定。光源505发出的光经第一分光器502完成1∶2的功率分配，即到达第二分光器506的光功率是光源功率的三分之一，到达X轴耦合器的光功率是光源功率的三分之二。可以看出，光源505通过第一分光器502、第二分光器506和X轴耦合器将光功率三等分，使X轴光纤组件16、Y轴光纤组件12和Z轴光纤组件17中均有相同的光源。下面以Y轴向为例进行说明光路的信号流向(参见图9所示)，经第一分光器502分配后的光源505再经第二分光器506分配出三分之一的光经Y轴耦合器606至Y轴调制器604，光经Y轴调制器604完成起偏、分光和加载控制信号后以光相向进入Y轴的光纤603，由于光纤陀螺转动后产生的光偏斜的角度再又通过Y轴调制器604加载控制信号、干涉(合光)以及偏振滤波后通过Y轴耦合器606进入Y轴探测器601。光从第二分光器506起，光路部分运行着两路流向相反的光信号，一路是进入光纤603前不携带载体角运动信息的从光源505来的信号，一路是从光纤603返回的携带载体角运动信息的返回到探测器601的信号。光信号在探测器601中完成光电转换，经前放电路605完成模拟放大和滤波，再经A/D转换器转换志数字信号，由FPGA完成信号的解调、滤波、积分等工作后输出两路信号，其中一路送到载体的下位机完成引导解算；另一路经D/A转换器转换后输出至调制驱动供Y轴调制器得到一个干涉光强的恒定值，这样就实现了控制部分的全数字式闭环控制。闭环控制在相向传播的两束光波之间人为引入一个与Sagnac相移大小相等、方向相反的相位差，用以抵消Sagnac相移，使系统始终工作在零相位状态，从而扩大了系统的动态范围。相位调制技术是指在光路中人为地引入非互易相位，从而使光的相位发生改变的技术，是光纤陀螺中的主要技术之一，相位调制由相位调制器来实现，本发明选取集成光学调制器。集成光学调制器是一个多功能器件，当光源经一个回路后产生的光相移通过FPGA实时采集的信号进行调制使该调制器保持在一个相对稳定的一个干涉光强值。

由于角速率导致光纤603中相向传输的两束光相位发生偏置，该偏置经调制器后输出的干涉光强信号相应变化，该干涉光光强信号被探测器转换为电压信号，电压信号经前放电路放大处理后输出给A/D转换器转换成数字信号给FPGA，FPGA对接收的数字信号进行处理后输出反相电压信号给D/A转换器，经D/A转换器转换的模拟信号输出给调制驱动电路，调制驱动电路输出电压信号控制调制器进行相位调制，使得干涉光强保持恒定。其控制电路的原理图如图10所示，图中，FPGA选取XC2V50芯片，A/D转换器选取AD7854芯片，D/A转换器选取AD569芯片。FPGA分别与三片A/D转换器和D/A转换器联接实现对输入输出信息的时序控制。

Claims (7)

1.一种轻小型三轴一体光纤陀螺，包括光源组件、光纤组件、控制电路板和以及用于同外部产生信息联络的外部接口，其特征在于：还包括用于安装光源组件、光纤组件和控制电路板的机械骨架(11)，光源组件(14)安装在机械骨架(11)的顶端，X轴光纤组件(16)、Y轴光纤组件(12)和Z轴光纤组件(17)分别安装在机械骨架(11)的X轴凸台体(1)、Y轴安装壁(2)和Z轴安装壁(3)的定位面上，外部接口(13)安装在机械骨架(11)的法兰盘(4)上，控制电路板(15)安装在机械骨架(11)底部的固紧装置(401)上并嵌入机械骨架(11)底部的大凹腔(406)内；X轴光纤组件(16)和Z轴光纤组件(17)的结构与Y轴光纤组件(12)的结构相同；

所述机械骨架(11)为符合右手坐标系规则的一体结构，X轴凸台体(1)设在法兰盘(4)上，X轴凸台体(1)的第一侧面(104)上垂直设有Y轴安装壁(2)，X轴凸台体(1)的第二侧面(105)上垂直设有Z轴安装壁(3)，Y轴安装壁(2)和Z轴安装壁(3)的共面(106)垂直；所述机械骨架(11)的X轴凸台体(1)的中心是一空腔(101)，空腔(101)内设有供X轴光纤组件(16)固定用的定位面(102)，X轴凸台体(1)与共面(106)的对角处设有安装台(103)；所述机械骨架(11)的Y轴安装壁(2)的中心是一空腔(201)，Y轴安装壁(2)的背部设有凹腔(203)，凹腔(203)内设有凸起的定位面(202)；所述机械骨架(11)的Z轴安装壁(3)的中心是一空腔(301)，Z轴安装壁(3)的背部设有凹腔，凹腔内设有凸起的定位面；所述机械骨架(11)的法兰盘(4)上设有通孔(405)和用于安装部件的多个安装孔(404)，各个安装孔(404)按照120°角均匀分布，法兰盘(4)的背部设有供控制电路板(15)固紧用的固紧装置(401)和大凹腔(406)，法兰盘(4)背部的连接盘(407)上设有安装台(403)；

所述的光源组件(14)，由光源(505)、第一分光器(502)、第二分光器(506)、光源驱动(504)和光源底板(501)组成，光源底板(501)上设有扇形凸台(503)，扇形凸台(503)上安装有光源(505)，光源底板(501)的两对角上分别设有第一分光器(502)和第二分光器(506)，光源底板(501)的安装柱上安装有光源驱动(504)；光源组件(14)安装在机械骨架(11)上部的Y轴安装壁(2)和Z轴安装壁(3)顶端；

所述的Y轴光纤组件(12)，由环骨架(602)、光纤(603)、探测器(601)、前放电路(605)、调制器(604)、耦合器(606)组成，环骨架(602)上缠绕有光纤(603)，环骨架(602)的上部安装有调制器(604)和耦合器(605)，探测器(601)安装在前放电路(605)上，前放电路(605)安装在环骨架(602)上的螺纹柱(607)上；Y轴光纤组件(12)安装在机械骨架(11)的Y轴安装壁(2)的定位面(202)上；

所述控制电路板(15)至少包括FPGA、信号转换电路、调制器驱动电路，FPGA接收经由X轴光纤组件(16)、Y轴光纤组件(12)和Z轴光纤组件(17)中探测器输出的光强电压信号经三轴的前放电路放大、经A/D转换器转换输出的数字信号，FPGA对接收的数字信号经时序控制处理后输出相位补偿电压信号给D/A转换器、三轴调制器的调制驱动电路，经调制驱动电路解调后输出电压信号控制三轴的调制器进行相位调制保持干涉光强恒定。

2.根据权利要求1所述的轻小型三轴一体光纤陀螺，其特征在于：光源(505)是SLD光源或者SFS掺铒光纤光源。

3.根据权利要求1所述的轻小型三轴一体光纤陀螺，其特征在于：第一分光器(502)和第二分光器(506)是一分三分光器或者一分二分光器。

4.根据权利要求1所述的轻小型三轴一体光纤陀螺，其特征在于：调制器为集成光学调制器。

5.根据权利要求1所述的轻小型三轴一体光纤陀螺，其特征在于：光纤陀螺控制采用全数字闭环控制。

6.根据权利要求1所述的轻小型三轴一体光纤陀螺，其特征在于：FPGA选取XC2V50芯片，A/D转换器选取AD7854芯片，D/A转换器选取AD569芯片。

7.根据权利要求1所述的轻小型三轴一体光纤陀螺，其特征在于：法兰盘(4)是有一平截面(402)的圆形盘结构。

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