CN104457730A - 一种微结构核磁共振陀螺仪 - Google Patents

一种微结构核磁共振陀螺仪 Download PDF

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Abstract

一种微结构核磁共振陀螺仪，属于原子传感器领域。为了解决现有的核磁共振陀螺仪测量范围小、体积大不适用微结构惯导系统问题。所述陀螺仪包括微结构原子气室和核磁共振陀螺仪功能外壳；所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的前侧和后侧分别设置有第一光源和第一光电探测器，所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的左侧和右侧分别设置有第二光源和第二光电探测器，第一光源和第一光电探测器、第二光源和第二光电探测器形成的光路在前后与左右两个方向成正交结构，所述微结构原子气室位于核磁共振陀螺仪功能外壳的底部中心位置，且所述中心位置为所述正交结构的交点处。本发明用于惯性导航定位系统中。

Description

一种微结构核磁共振陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种微结构核磁共振陀螺仪，属于原子传感器领域。
背景技术
陀螺仪用来测量物体的转动和方向，它是惯性导航定位系统中最重要的传感器之一，为系统提供姿态和转动速率信息。目前广泛使用的芯片陀螺仪属于机械陀螺仪，然而芯片机械陀螺仪有长期漂移率大，对振动敏感等缺点，测量精度不理想。核磁共振陀螺仪是采用核磁共振技术的原子陀螺仪，核磁共振陀螺仪长期漂移率小，且不包含运动部件，利用几乎不受外界干扰的原子惯性特性来测量旋转，因此对振动不敏感，但存在体积大和测量动态范围小的缺点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的核磁共振陀螺仪测量范围小、体积大不适用微结构惯导系统问题，本发明提供一种微结构核磁共振陀螺仪。
本发明的一种微结构核磁共振陀螺仪，
所述陀螺仪包括微结构原子气室和核磁共振陀螺仪功能外壳；
所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的前侧和后侧分别设置有第一光源和第一光电探测器，所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的左侧和右侧分别设置有第二光源和第二光电探测器，第一光源和第一光电探测器、第二光源和第二光电探测器形成的光路在前后与左右两个方向成正交结构，所述微结构原子气室位于核磁共振陀螺仪功能外壳的底部中心位置，且所述中心位置为所述正交结构的交点处。
所述核磁共振陀螺仪功能外壳包括上方挡板、前挡板、后挡板、左挡板、右挡板和底座；所述上方挡板、前挡板、后挡板、左挡板、右挡板和底座围成矩形空间；
所述底座为“十”字形结构，其中一个“l”字形结构的两端分别设置一个定位孔，所述前挡板和后挡板结构相同，左挡板和右挡板结构相同，均为矩形结构；
所述前挡板、后挡板、左挡板和右挡板的下侧面分别与底座的“十”字形结构的四个凸出结构的侧面通过柔性连接件相连；
左挡板和右挡板的下侧面分别设置一凸起，左挡板和右挡板分别通过所述凸起与底座的两个定位孔相应连接；
左挡板、右挡板的左侧面和右侧面分别设置2个凸起，前挡板和后挡板上的两侧分别设置2个定位孔，左挡板和右挡板的凸起与前挡板和后挡板上的定位孔相应连接；
上方挡板上设置3个定位孔，后挡板、左挡板和右挡板的上侧面分别设置一个凸起，所述上方挡板的3个定位孔分别与所述后挡板、左挡板和右挡板上侧面的凸起连接，前挡板的上侧面与上方挡板的侧面通过柔性连接件相连；
所述前挡板的中心位置处安装有第一光电探测器，所述后挡板的中心位置处安装有第一光源；
所述左挡板的中心位置处安装有第二光电探测器，所述前挡板的中心位置处安装有第二光源；
所述微结构原子气室安装在底座的中心位置处。
所述陀螺仪还包括第一可调节1/4波片和第二可调节1/4波片；
所述第一光源的前方安装有第一可调节1/4波片；
所述第二光源前方安装有第二可调节1/4波片。
所述前挡板和后挡板上配套安装有第一组磁场线圈，所述左挡板和右挡板上配套安装有第二组磁场线圈7
所述陀螺仪还包括加热片，所述底座的上表面贴有加热片。
所述第一光源、第二光源、第一光电探测器、第二光电探测器、第一组磁场线圈、第二组磁场线圈和加热片的供电输入端通过柔性连接件内的导线与电连接线的一端连接。
所述微结构原子气室为玻璃吹制的微结构球型气室，所示气室内含有碱金属原子Rb、缓冲气体N2和两种或两种以上惰性气体同位素。
所述柔性连接件为聚酰亚胺—导线—聚酰亚胺结构的连接件。
本发明的有益效果在于，本发明采用的由玻璃吹制的微结构球型气室，相对于阳极键合制备的微结构气室漏率较低，保证了本发明的核磁共振陀螺仪具有较好的长期稳定性；本发明在前后方向与左右方向上分别各有一套光源与光电探测器，在本发明工作时可分别实现原子沿两个轴向的核磁共振，从而扩大了陀螺仪角度测量的范围；本发明的微结构核磁共振陀螺仪一体化程度较高，使得整个系统具有高精度、微结构、低功耗的优点。
附图说明
图1为具体实施方式中所述的一种微结构核磁共振陀螺仪折叠后的结构示意图。
图2为具体实施方式中所述的一种微结构核磁共振陀螺仪的内部结构示意图。
图3为具体实施方式中所述的核磁共振陀螺仪功能外壳的结构示意图。
具体实施方式
结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，
所述陀螺仪包括微结构原子气室14和核磁共振陀螺仪功能外壳；
所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的前侧和后侧分别设置有第一光源10和第一光电探测器8，所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的左侧和右侧分别设置有第二光源11和第二光电探测器9，第一光源和第一光电探测器8、第二光源11和第二光电探测器9形成的光路在前后与左右两个方向成正交结构，所述微结构原子气室14位于核磁共振陀螺仪功能外壳的底部中心位置，且所述中心位置为所述正交结构的交点处。
所述核磁共振陀螺仪功能外壳包括上方挡板1、前挡板2、后挡板3、左挡板4、右挡板5和底座15；所述上方挡板1、前挡板2、后挡板3、左挡板4、右挡板5和底座15围成矩形空间；
所述底座15为“十”字形结构，其中一个“l”字形结构的两端分别设置一个定位孔19，所述前挡板2和后挡板3结构相同，左挡板4和右挡板5结构相同，均为矩形结构；
所述前挡板2、后挡板3、左挡板4和右挡板5的下侧面分别与底座15的“十”字形结构的四个凸出结构的侧面通过柔性连接件18相连；
左挡板4和右挡板5的下侧面分别设置一凸起，左挡板4和右挡板5分别通过所述凸起与底座15的两个定位孔19相应连接；
左挡板4、右挡板5的左侧面和右侧面分别设置2个凸起，前挡板2和后挡板3上的两侧分别设置2个定位孔，左挡板4和右挡板5的凸起与前挡板2和后挡板3上的定位孔相应连接；
上方挡板1上设置3个定位孔，后挡板3、左挡板4和右挡板5的上侧面分别设置一个凸起，所述上方挡板1的3个定位孔分别与所述后挡板3、左挡板4和右挡板5上侧面的凸起连接，前挡板2的上侧面与上方挡板1的侧面通过柔性连接件18相连；
所述前挡板2的中心位置处安装有第一光电探测器8，所述后挡板3的中心位置处安装有第一光源10；所述左挡板4的中心位置处安装有第二光电探测器9，所述前挡板3的中心位置处安装有第二光源11；所述微结构原子气室14安装在底座15的中心位置处。
所述核磁共振陀螺仪功能外壳为对称式可折叠装配结构，通过定位孔、柔性连接件(18)的连接使得整个外壳在前后与左右两个方向上为正交结构，从而保证四面挡板的中心处于同一平面上，同时使气室中心也处于该平面上，正交的系统结构保证了两条光路也是正交的，使得该陀螺仪可以实现两个轴向上的角度测量。
所述陀螺仪还包括第一可调节1/4波片12和第二可调节1/4波片13；
所述第一光源10的前方安装有第一可调节1/4波片12；
所述第二光源11前方安装有第二可调节1/4波片13。
所述前挡板2和后挡板3上配套安装有第一组磁场线圈6，所述左挡板4和右挡板5上配套安装有第二组磁场线圈7。
本实施方式中，第一组磁场线圈6绕在前挡板2和后挡板3的边缘上；第二组磁场线圈7绕在左挡板4和右挡板5的边缘上。
所述陀螺仪还包括加热片16，所述底座的上表面贴有加热片16，所述微结构原子气室14安装在底座的加热片16上。
本实施方式中的加热片16，用于实现对气室温度的控制。
所述微结构原子气室14为玻璃吹制的微结构球型气室，所述气室内含有碱金属原子Rb、缓冲气体N2和两种或两种以上惰性气体同位素。
所述柔性连接件18为聚酰亚胺—导线—聚酰亚胺结构的连接件。
所述第一光源10、第二光源11、第一光电探测器8、第二光电探测器9、第一组磁场线圈6、第二组磁场线圈7和加热片16的供电输入端均通过底座上柔性连接件(18)中的导线与电连接线17的一端连接，所述电连接线17的另一端用于连接外接电路。
本实施方式在工作时，在所有结构根据各自定位孔装配完成后，首先使第一光源10发出的光经第一可调节1/4波片12后转换为圆偏光，作为激励光源射入微结构原子气室14内，使气室内的Rb原子和Xe原子的两种同位素处于激发态，第二光源11发出的光经第二可调节1/4波片13后转换为线偏光，作为探测光穿过微结构原子气室14入射到第二光电探测器9上，同时底座15上的加热片16对气室进行温度控制，第一组磁场线圈6提供稳恒磁场，第二组磁场线圈7提供震荡磁场，当陀螺仪系统发生角度变化时，探测器信号发生相应变化从而实现对角度变化的测量。另外，由于整个系统前后挡板与左右挡板上的安装有相同的光源、探测器、可调节1/4波片和磁场线圈组合，因此当前后挡板与左右挡板上的组合装置的功能互换时则可实现另一个轴向的角度测量。
微结构原子气室14由玻璃吹制而成，气室内部含有碱金属原子Rb、缓冲气体N2和两种或两种以上惰性气体同位素(如129Xe、131Xe)，第一光源10和第二光源11采用VCSEL激光管制成，其波段为794.9nm，第一可调节1/4波片12和第二可调节1/4波片13可分别沿垂直镜面的轴心实现360°旋转，底座15边缘贴的加热片16采用ITO加热膜，第一组磁场线圈6和第二组磁场线圈7采用细漆包线绕制，第一光电探测器8和第二光电探测器9为794.9nm波段探测器，柔性连接件18为聚酰亚胺—导线—聚酰亚胺的三明治结构。

Claims (8)

1.一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括微结构原子气室(14)和核磁共振陀螺仪功能外壳；
所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的前侧和后侧分别设置有第一光源(10)和第一光电探测器(8)，所述核磁共振陀螺仪功能外壳内的左侧和右侧分别设置有第二光源(11)和第二光电探测器(9)，第一光源和第一光电探测器(8)、第二光源(11)和第二光电探测器(9)形成的光路在前后与左右两个方向成正交结构，所述微结构原子气室(14)位于核磁共振陀螺仪功能外壳的底部中心位置，且所述中心位置为所述正交结构的交点处。
2.根据权利要求1所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述核磁共振陀螺仪功能外壳包括上方挡板(1)、前挡板(2)、后挡板(3)、左挡板(4)、右挡板(5)和底座(15)；所述上方挡板(1)、前挡板(2)、后挡板(3)、左挡板(4)、右挡板(5)和底座(15)围成矩形空间；
所述底座(15)为“十”字形结构，其中一个“l”字形结构的两端分别设置一个定位孔(19)，所述前挡板(2)和后挡板(3)结构相同，左挡板(4)和右挡板(5)结构相同，均为矩形结构；
所述前挡板(2)、后挡板(3)、左挡板(4)和右挡板(5)的下侧面分别与底座(15)的“十”字形结构的四个凸出结构的侧面通过柔性连接件(18)相连；
左挡板(4)和右挡板(5)的下侧面分别设置一凸起，左挡板(4)和右挡板(5)分别通过所述凸起与底座(15)的两个定位孔(19)相应连接；
左挡板(4)、右挡板(5)的左侧面和右侧面分别设置2个凸起，前挡板(2)和后挡板(3)上的两侧分别设置2个定位孔，左挡板(4)和右挡板(5)的凸起与前挡板(2)和后挡板(3)上的定位孔相应连接；
上方挡板(1)上设置3个定位孔，后挡板(3)、左挡板(4)和右挡板(5)的上侧面分别设置一个凸起，所述上方挡板(1)的3个定位孔分别与所述后挡板(3)、左挡板(4)和右挡板(5)上侧面的凸起连接，前挡板(2)的上侧面与上方挡板(1)的侧面通过柔性连接件(18)相连；
所述前挡板(2)的中心位置处安装有第一光电探测器(8)，所述后挡板(3)的中心位置处安装有第一光源(10)；
所述左挡板(4)的中心位置处安装有第二光电探测器(9)，所述前挡板(3)的中心位置处安装有第二光源(11)；
所述微结构原子气室(14)安装在底座15的中心位置处。
3.根据权利要求1或2所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪还包括第一可调节1/4波片(12)和第二可调节1/4波片(13)；
所述第一光源(10)的前方安装有第一可调节1/4波片(12)；
所述第二光源(11)前方安装有第二可调节1/4波片(13)。
4.根据权利要求3所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述前挡板(2)和后挡板(3)上配套安装有第一组磁场线圈(6)，所述左挡板(4)和右挡板(5)上配套安装有第二组磁场线圈(7)。
5.根据权利要求4所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪还包括加热片(16)，所述底座的上表面贴有加热片(16)，所述微结构原子气室(14)安装在底座的加热片(16)上。
6.根据权利要求4所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述第一光源(10)、第二光源(11)、第一光电探测器(8)、第二光电探测器(9)、第一组磁场线圈(6)、第二组磁场线圈(7)和加热片(16)的供电输入端通过柔性连接件(18)内的导线与电连接线(17)的一端连接。
7.根据权利要求6所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述微结构原子气室(14)为玻璃吹制的微结构球型气室，所述气室内含有碱金属原子Rb、缓冲气体N2和两种或两种以上惰性气体同位素。
8.根据权利要求7所述的一种微结构核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述柔性连接件(18)为聚酰亚胺—导线—聚酰亚胺结构的连接件。
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