CN103557857B - 一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，该光纤陀螺环模块包括由上盖与外罩构成的壳体、设置在壳体内的内上盖与内胆以及由以上部分组成的空腔，光纤环线圈和光纤环骨架，所述的光纤环线圈和光纤环骨架置于内胆中，相变材料存储在空腔内。本发明结构简单，温控和结构设计一体化，通过这种结构可以减小光纤环线圈温度变化，有效的减少了外界环境对光纤陀螺环模块内部的影响，提高了光纤陀螺的使用精度。

Description

一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块
技术领域
本发明涉及一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，属于惯性技术领域。
背景技术
光纤环线圈是光纤陀螺的核心部件，它的质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前，传统的光纤环线圈多是将光纤环绕制在金属骨架上，然后将光纤环装配到角度传感器当中，角度传感器通常包括一些有源器件，包括光源、调制器、光探测器等。这些器件在工作过程当中往往会散发热量，这些热量往往是局部的，不连续的或不均匀的，这些热量会在光纤环上产生局部温度梯度，从而使光纤环产生非互易度，造成角度传感器的精度降低。另外，整个角度传感器在使用过程中，其整体使用环境温度的变化，如水下、外太空的低温和高速飞行产生的高温等，都可能会对光纤环的温度对称性造成影响。
早在1980年D.M.Shupe就指出温度变化时光纤线圈上的非互易性相位误差使光纤陀螺的零点随温度的变化而发生漂移，温度变化导致了光纤折射率变化，沿相反方向传播的两束光相位偏移，在光纤长度方向产生累积误差，用公式表示为：
式(1)中：k为自由空间的传播常数，n为有效折射率，cm为光纤中光的传播速度，L为光纤波导的长度，T为光纤的温度，t为时间，α为热膨胀系数，l为dl段光纤距光纤起始端的长度。
与温度的变化率T'(l,t)有关。热源传入的热量在光纤线圈内传导，温度变化率T'(l,t)将形成一个自外而内或自内而外的温度梯度。从应用和实验数据可以发现，在温度变化条件下，光纤环内部存在不均匀温度场及温度梯度，光纤陀螺性能受到很大影响，特别是全温性能劣化，很难达到惯性级使用精度，不能满足我国武器装备对惯导系统的迫切需求。其最根本的原因是光纤陀螺中最重要的敏感部件-光纤环在全温条件下的性能还没有达到应用要求，陀螺零偏随温度变化较大，且零偏和温度梯度之间变化规律的一致性不好。
发明内容
本发明的目的是为了减小温度作用下Shupe效应产生的非互易相位差对光纤陀螺输出精度的影响，提供一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，使其有效减小外界温度场对光纤环线圈的影响，保证光纤陀螺在使用过程中的精度，其中，控制其光纤环线圈部分温度变化是提高其全温性能稳定性以及保持陀螺高精度的关键。
一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，包括上盖、第一玻璃纤维尼龙压盖、第二玻璃纤维尼龙压盖、外罩、内胆、内上盖和光纤环；
上盖与外罩构成外壳；第一玻璃纤维尼龙压盖为环状，内径与内上盖连接，外径与上盖连接，第二玻璃纤维尼龙压盖为环状，内径与内胆外围连接，外径与外罩连接；内上盖与内胆相对应，内上盖与内胆之间形成封闭的第一腔体；内上盖与上盖之间形成封闭的第二腔体；内胆中间设有凸起和小孔A，小孔A均匀分布在内胆上，内胆的凸起与外罩之间形成密闭的第三腔体；光纤环包括光纤环线圈和光纤环骨架，光纤环线圈位于光纤环骨架上，光纤环骨架上设有小孔B，小孔B与小孔A相对应，光纤环骨架通过小孔A、小孔B安装在内胆上；光纤环位于第一腔体内；第二腔体和第三腔体内均设有相变材料。
本发明的优点在于：
（1）本发明用于光纤陀螺环模块中，采用热容大，导热系数低的相变材料，较常规同体积结构温度变化速率控制效果好，提高光纤陀螺全温性能精度；
（2）本发明用于光纤陀螺环模块中，通过采取导热系数很小的玻璃纤维尼龙压盖作为连接件，能有效延长导热距离，使得光纤环线圈的温度变化滞后于外界环境温度变化；
（3）本发明用于光纤陀螺环模块中，内胆以及内上盖采用导热系数大的Al合金，辐射给光纤环线圈温度均匀，有助减小光纤环温度梯度，从而减小Shupe误差。
附图说明
图1为一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块的结构示意图；
图2为一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块拆解图；
图3为一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块内胆的结构截面示意图；
图4为一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块的结构示意图。
图中：
1-上盖2-第一玻璃纤维尼龙压盖3-第二玻璃纤维尼龙压盖
4-外罩5-内胆6-内上盖
7-光纤环线圈8-光纤环骨架9-凸起
10-小孔A11-小孔B
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，如图1、图2所示，包括上盖1、第一玻璃纤维尼龙压盖2、第二玻璃纤维尼龙压盖3、外罩4、内胆5、内上盖6和光纤环。
上盖1与外罩4构成外壳；
第一玻璃纤维尼龙压盖2为环状，内径与内上盖6通过螺纹连接，外径与上盖1通过螺纹连接，第二玻璃纤维尼龙压盖3为环状，内径与内胆5外围通过螺纹连接，外径与外罩4通过螺纹连接；上述螺纹连接中，螺距为2mm，螺纹的深度为3-5mm；
内上盖6与内胆5相对应，内上盖6与内胆5之间形成封闭的第一腔体；
内上盖6与上盖1之间形成封闭的第二腔体；
内胆5如图3所示，内胆5中间设有凸起9和三个小孔A10，小孔A10均匀分布在内胆5上，内胆5的凸起9与外罩4之间形成密闭的第三腔体，凸起9是为了使光纤环线圈内侧和外侧受热一致以及增大相变材料的体积，中间小孔A10的作用是连接光纤环。
如图4所示，光纤环包括光纤环线圈7和光纤环骨架8，光纤环线圈7位于光纤环骨架8上，光纤环骨架8也同样设有三个小孔B11，其内径和圆心的位置与内胆5的小孔A10相同，光纤环骨架8通过小孔A、小孔B安装在内胆5上。光纤环位于第一腔体内；
第二腔体和第三腔体内均设有相变材料；
所述的内上盖6、上盖1、外罩4和内胆5采用导热系数大的Al合金材料，由于辐射的存在，内上盖6采用Al合金，Al合金导热系数大，温度分布均匀，辐射给光纤环温度也是均匀的，有助减小光纤环温度梯度，从而减小Shupe误差。
所述的三个空腔结构由导热系数很小的第一玻璃纤维尼龙压盖2、第二玻璃纤维尼龙压盖3、以及空气阻止内胆5以及内上盖6和外罩4与上盖1之间热量的传递，这种独特的空腔结构能够延缓内部光纤环线圈7温度随外界环境温度变化。
所述的第一玻璃纤维尼龙压盖2、第二玻璃纤维尼龙压盖3厚度为3-5mm，优选为5mm，采用玻璃纤维尼龙压盖是因为热膨胀系数和铝合金差不多，在温度变化范围大时，仍然保持结构的密封性。
所述的内上盖6厚度为3-5mm，优选为5mm。
所述的光纤陀螺环模块中，在螺纹连接处通过硅橡胶封住，当相变材料为液态时，防止其泄露。
所述的第二腔体和第三腔体可填充相变材料，相变材料的特点是温度升高时发生相变，潜热大，能大量吸收传进来得热量。当环境温度降低时，能释放热量，维持里面温度不变。相变材料的热容比较大，在温度变化过程中，有效地降低光纤环线圈7的温变速率，减小Shupe误差，提高陀螺输出精度。
通过仿真及实验分析，本发明的光纤陀螺环模块能有效减小光纤环线圈温度变化，从而提高光纤陀螺输出精度，在光纤陀螺环模块的设计过程中，主要根据温度场的流向对光纤环线圈分布进行合理的设计。第一玻璃纤维尼龙压盖2和第二玻璃纤维尼龙压盖3为起到延长外部环境热量到内部光纤环线圈7的导热距离，阻止热流流入光纤环线圈7；其次利用第二空腔和第三空腔中的相变材料的相变效应，温度升高时发生相变，潜热大，大量吸收传进来的热量。当环境温度降低时，释放大量的热量，有效减轻光纤陀螺环内部的温度变化幅度，另外相变材料的热容比较大，降低光纤环线圈7温变速率；再利用相变材料的较小的导热系数同样达到延长外部环境热量到内部光纤环线圈的导热距离的效果；在考虑辐射效果情况下，内上盖6及内胆5采用导热系数大的Al合金材料，其温度分布均匀，辐射给光纤环线圈7温度也是均匀的，有助减小光纤环线圈温度梯度，从而减小Shupe误差。

Claims (6)

1.一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，包括上盖、外罩和光纤环，上盖与外罩构成外壳；光纤环包括光纤环线圈和光纤环骨架，光纤环线圈位于光纤环骨架上，其特征在于：还包括第一玻璃纤维尼龙压盖、第二玻璃纤维尼龙压盖、内胆和内上盖；
第一玻璃纤维尼龙压盖为环状，内径与内上盖连接，外径与上盖连接，第二玻璃纤维尼龙压盖为环状，内径与内胆外围连接，外径与外罩连接；内上盖与内胆相对应，内上盖与内胆之间形成封闭的第一腔体；内上盖与上盖之间形成封闭的第二腔体；内胆中间设有凸起和小孔A，小孔A均匀分布在内胆上，内胆的凸起与外罩之间形成密闭的第三腔体；光纤环骨架上设有小孔B，小孔B与小孔A相对应，光纤环骨架通过小孔A、小孔B安装在内胆上；光纤环位于第一腔体内；第二腔体和第三腔体内均设有相变材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，所述的内上盖、上盖、外罩和内胆采用Al合金材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，所述的第一玻璃纤维尼龙压盖、第二玻璃纤维尼龙压盖厚度为3-5mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，所述的内上盖厚度为3-5mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，所述的第一玻璃纤维尼龙压盖的内径与内上盖通过螺纹连接，外径与上盖通过螺纹连接，第二玻璃纤维尼龙压盖内径与内胆外围通过螺纹连接，外径与外罩通过螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于相变材料控温机理的光纤陀螺环模块，所述的螺纹连接处通过硅橡胶粘封。
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