CN106197392B - 一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，由碱金属气室基座、无磁电加热组件基座、内真空基座、磁补偿线圈骨架、磁屏蔽筒、定位销、锁紧圆螺母、外壳、主结构、底座、消磁杆、热管基座组成；主结构为陀螺仪各器部件提供支撑和安装基准。热管基座用于安装热管和水冷管路。消磁杆用于磁屏蔽筒安装导向和消磁。外壳和底座构成外真空腔，磁补偿线圈骨架和内真空基座组成内真空腔，两级真空将陀螺仪内外环境隔离开来。本发明组件布局合理、紧凑，减小了体积和重量，解决了无自旋交换弛豫陀螺仪安装基准问题，采用真空、水冷和热管温控方案提高陀螺仪精度。

Description

一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构

技术领域

本发明涉及一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，该结构各个组件布局合理、紧凑，减小了陀螺仪的体积和重量，解决了无自旋交换弛豫陀螺仪的安装基准问题，采用真空、水冷和热管组合温控方案提高陀螺仪精度。

背景技术

随着现代物理的快速发展，自冷原子捕获成功以来，玻色-爱因斯坦凝聚、量子相干光学理论，以及单个量子系统的测量与操控等关键物理基础理论和技术的新发现、新突破，使得基于量子调控理论与技术的量子科学仪器得到了快速发展。目前，在高精度惯性导航领域，基于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)技术的原子自旋陀螺仪因其具有超越现有相关测量手段的超高理论精度，得到了国内外的广泛关注。

目前研究的无自旋交换弛豫陀螺仪结构，通常采用通用镜架，所需光源用光纤从外部导入到装置内部，导致陀螺仪结构不利于集成，体积庞大；另外，现有陀螺仪装置中采用的屏蔽筒为圆柱形多层屏蔽筒，组装后一般采用导线进行消磁，导线缠绕在磁屏蔽筒内部，增加磁屏蔽筒结构复杂性，拆装过程复杂；第三，碱金属气室、无磁电加热组件、磁屏蔽筒以及磁补偿线圈等关键部件的轴线重合时，才能保证陀螺仪性能达到最佳，但现有的SERF陀螺仪结构没有安装基准，导致各部件组装后轴线重合度差。总之，现有的SERF陀螺仪装置的结构形式使得陀螺仪体积庞大，组装过程复杂，且没有统一的安装基准，不利于无自旋交换弛豫陀螺仪精度的提高和进一步小型化。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有无自旋弛豫陀螺仪结构的不足，提供一种组件布局合理、结构紧凑的无自旋交换弛豫陀螺仪结构，减小了体积和重量，解决了无自旋交换弛豫陀螺仪的安装基准问题，采用真空、水冷和热管组合温控方案减少内部环境受外部环境变化的干扰，提高陀螺仪精度。

本发明的技术解决方案是：一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，包括碱金属气室基座、无磁电加热组件基座、内真空基座、磁补偿线圈骨架、磁屏蔽筒、定位销、锁紧圆螺母、外壳、主结构、底座、消磁杆、热管基座等部件。无磁电加热组件基座通过螺钉夹持碱金属气室基座，为碱金属气室提供安装基准。内真空基座一侧与无磁电加热组件基座通过轴孔配合实现同轴定位，并用螺钉连接。磁补偿线圈骨架安装在内真空基座上组成陀螺仪的内真空腔。内真空腔通过安装在内真空基座上的定位销实现相对于主结构相位定位，通过内真空基座另一侧与主结构的轴孔配合实现同轴定位，通过锁紧圆螺母紧固在主结构上。消磁杆通过端部螺纹安装在主结构相应螺纹孔上，磁屏蔽筒为多层结构，每层通过相互之间的配合实现定位，磁屏蔽筒整体通过端部的两处定位轴与主结构腔体相应的基准孔配合实现定位，通过安装在消磁杆上的螺母压紧每层屏蔽筒。热管基座通过磁屏蔽筒上圆周均匀分布的四个定位孔实现定位，并用螺钉紧固在外壳上。外壳和主结构均安装在底座上，底座位于陀螺仪的最底部，与外壳构成了陀螺仪的外真空腔。

所述结构具有内外两级真空，磁补偿线圈骨架安装在内真空基座上组成陀螺仪的内真空腔。外壳安装在底座上组成陀螺仪的外真空腔，内真空腔在外真空内部，比外真空腔维持更高真空度，隔离无磁电加热组件基座与主结构的热交换。

所述消磁杆通过端部螺纹安装在主结构相应螺纹孔上，磁屏蔽筒为多层结构，每层通过相互之间的配合实现定位，整体部件通过端部的两处定位轴与主结构腔体实现定位，通过安装在消磁杆上的螺母压紧每层屏蔽筒，消磁杆在磁屏蔽筒安装时起导向作用，并在磁屏蔽筒安装完成后起消磁线作用。

所述的内真空基座一侧分别与无磁电加热组件基座、磁补偿线圈骨架连接，实现二者的定位与支承，另一侧与主结构连接，实现内真空腔本身的定位，同时，内真空腔起到光路通路和真空管路复用功能。

所述的主结构与底座在结构上是分立的，之间通过导热率低的材料如陶瓷、聚四氟乙烯塑料等隔离，并通过螺钉联接组装成一个整体，所述结构能够隔离底座温度变化对主结构的影响。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明碱金属气室基座用于夹持陀螺仪装置核心敏感部件。无磁电加热基座为加热膜提供支承。磁补偿线圈骨架用于安装磁屏蔽及磁补偿组件。主结构为陀螺仪各器部件提供支撑和安装基准。热管基座用于安装热管和水冷管路。消磁杆用于磁屏蔽筒安装导向和消磁。外壳和底座构成外真空腔，磁补偿线圈骨架和内真空基座组成内真空腔，两级真空将陀螺仪内外环境隔离开来。因此上述结构布局合理、结构紧凑的无自旋交换弛豫陀螺仪结构，减小了体积和重量，解决了无自旋交换弛豫陀螺仪的安装基准问题，采用真空、水冷和热管组合温控方案减少内部环境受外部环境变化的干扰，提高陀螺仪精度。

(2)本发明内真空基座作为本发明中陀螺仪结构的重要基准部件，连接陀螺仪主结构、无磁电加热组件基座、碱金属气室基座、磁补偿线圈骨架，实现各部件安装基准的统一，保证陀螺仪各主要部件的装配精度。

(3)本发明消磁杆在磁屏蔽筒安装时起导向作用，并在磁屏蔽筒安装完成后起到消磁线作用，利于陀螺仪集成小型化，保证磁屏蔽筒的安装精度，降低装配复杂性。

(4)本发明具有内外两级真空，磁补偿线圈骨架安装在内真空基座上组成陀螺仪的内真空腔，外壳安装在底座上组成陀螺仪的外真空腔，内真空腔在外真空内部，比外真空腔维持更高的真空度，与现有技术相比，充分隔离无磁电加热组件基座与主结构的热交换，抑制温度变化引起的陀螺仪漂移。另外，内真空基座具有光路和真空管路复用功能，提高陀螺仪结构集成度，减小体积和重量。

(5)本发明的主结构与底座是分立的，主结构与底座通过导热率低的材料隔离，并用螺钉连接为一个整体，使主结构在外壳与底座组成的外真空腔中处于“悬浮”状态，隔离底座温度变化导致的主结构温度变化，减少器件热变形。

(6)本发明体积小、重量轻、集成度高，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明的一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构简图；

图2为本发明的无磁电加热组件基座端面图和轴向剖面图，其中(a)为端面图，(b)为轴向剖面图；

图3为本发明的内真空基座端面图和轴向剖面图，其中(a)为端面图，(b)为轴向剖面图；

图4为本发明的主结构与底座装配体的轴侧视图、剖面图和右视图，其中(a)为轴侧视图，(b)为剖视图，(c)为右视图；

图5为本发明的磁补偿线圈骨架端面图和轴向剖面图，其中(a)为端面图，(b)为轴向剖面图。

具体实施方式

本发明的具体实施结构如图1所示，一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，包括碱金属气室基座1、无磁电加热组件基座2、内真空基座3、磁补偿线圈骨架4、磁屏蔽筒5、定位销6、锁紧圆螺母7、外壳8、主结构9、底座10、消磁杆11、热管基座12等部件。无磁电加热组件基座2通过螺钉将碱金属气室基座1夹持在其内部，为碱金属气室提供安装基准。内真空基座3右侧与无磁电加热组件基座2通过轴孔配合实现同轴定位，并用螺钉连接。磁补偿线圈骨架4安装在内真空基座3上组成陀螺仪的内真空腔。内真空腔通过安装在内真空基座3上的定位销6实现相对于主结构9相位定位，通过内真空基座3左侧与主结构9的轴孔配合实现同轴定位，通过锁紧圆螺母7紧固在主结构9上。消磁杆11通过端部螺纹安装在主结构9相应螺纹孔上，磁屏蔽筒5为多层结构，每层通过相互之间的配合实现定位，磁屏蔽筒整体通过端部的两处定位轴与主结构9腔体中相应的基准孔配合实现定位，通过安装在消磁杆11上的螺母压紧每层屏蔽筒。热管基座12通过磁屏蔽筒5上圆周均匀分布的四个定位孔实现定位，并用螺钉紧固在外壳8上。外壳8和主结构9均安装在底座10上，底座10位于陀螺仪的最底部，与外壳8构成了陀螺仪的外真空腔。

图2为本发明的无磁电加热组件基座端面图和轴向剖面图，其中(a)为端面图，(b)为轴向剖面图。无磁电加热组件基座2包括加热膜固定筒21、下加热炉22和上加热炉23。碱金属气室基座1安装在下加热炉22的基准槽内，上加热炉23通过销钉24实现相对于下加热炉的定位，以满足碱金属气室基座1的通光孔要求，通过两个螺钉201安装在下加热炉22上，将碱金属气室压紧在下加热炉22内，防止碱金属气室晃动。加热膜固定筒21通过两个螺钉202固定在上加热炉上，以将加热膜箍紧在气室加热组件上。装配好的无磁电加热组件基座2通过基准面211与内真空基座3保证同轴，通过穿过四个螺钉间隙孔212的螺钉固定在内真空基座3上。

图3为本发明的内真空基座3，其中(a)为端面图，(b)为轴向剖面图。内真空基座3是本发明一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构的重要部件之一。其既作为磁补偿线圈骨架4、无磁电加热组件基座2等的安装基准，又作为真空管路和光路的通路。基准孔301和基准面302实现无磁电加热组件在内真空基座3上的定位，通过销孔3005中的定位销实现径向通光孔的定位，通过穿过四个螺纹孔3004的螺钉固定在内真空基座3上。磁补偿线圈骨架4通过基准轴311和基准面312实现在内真空基座3上的定位，通过销孔3007中的定位销实现径向通光孔的定位，通过穿过四个螺钉间隙孔3002的螺钉固定在内真空基座3上。密封槽31中安装氟橡胶密封圈，使得内真空基座3与磁补偿线圈骨架4形成真空腔。内真空基座通过基准轴321和基准面322实现在主结构9上的定位，通过销孔3008中的定位销实现径向通光孔的定位。

图4为本发明的主结构与底座装配体，(a)为轴侧视图，(b)为剖视图，(c)为右视图。底座10位于陀螺仪的底部，主结构9通过定位块43实现相对于底座10的定位，并通过螺钉连接在一起。两根消磁杆11通过主结构9上的螺纹孔412安装在主结构9上。44和42分别为安装在底座10上的航空插头和SMA插头。密封槽41用于安装氟橡胶密封圈。底座10上的螺纹孔45用于安装外壳8，构成所述陀螺仪结构的外真空。主结构9上的基准孔401和基准面402实现磁屏蔽筒组件在主结构中的定位。基准孔403和基准面401实现内真空基座3相对于主结构的定位，并通过安装在螺纹33上的锁紧圆螺母7固定。46为安装在底座10的真空阀门，用于抽外真空。

图5为本发明的磁补偿线圈骨架4，其中(a)为端面图，(b)为轴向剖面图。磁补偿线圈骨架4通过基准孔502和基准面501实现在内真空基座3上的定位，通过穿过销孔5004的定位销实现4个通光孔5001与内真空基座3上的4个通光孔对准，满足通光要求，并通过4个穿过螺钉间隙孔5002的螺钉紧固。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：包括碱金属气室基座(1)、无磁电加热组件基座(2)、内真空基座(3)、磁补偿线圈骨架(4)、磁屏蔽筒(5)、外壳(8)、主结构(9)、底座(10)、消磁杆(11)和热管基座(12)；所述结构具有内外两级真空，磁补偿线圈骨架(4)安装在内真空基座(3)上组成陀螺仪的内真空腔，外壳(8)安装在底座(10)上组成陀螺仪的外真空腔；无磁电加热组件基座(2)通过螺钉将碱金属气室基座(1)夹持在其内部，为碱金属气室提供安装基准；内真空基座(3)一侧分别与无磁电加热组件基座(2)、磁补偿线圈骨架(4)连接，实现二者的定位与支承，另一侧与主结构(9)连接，实现内真空腔本身的定位，内真空腔起到光路通路和真空管路复用功能；消磁杆(11)通过端部螺纹安装在主结构(9)的螺纹孔中；磁屏蔽筒(5)为多层结构，每层通过相互之间的配合实现定位，整体部件通过端部的两处定位轴与主结构(9)腔体实现定位，通过安装在消磁杆(11)上的螺母压紧每层屏蔽筒；热管基座(12)通过磁屏蔽筒(5)实现定位，并紧固在外壳(8)上；外壳(8)和主结构(9)均安装在底座(10)上，底座(10)位于陀螺仪的最底部，与外壳(8)构成了陀螺仪的外真空腔。

2.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：所述内真空腔在外真空内部，比外真空腔维持更高真空度，隔离无磁电加热组件基座(2)与主结构(9)的热交换。

3.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：所述消磁杆(11)在磁屏蔽筒(5)安装时起导向作用，并在磁屏蔽筒(5)安装完成后起到消磁线作用。

4.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：所述内真空基座(3)一侧与无磁电加热组件基座(2)通过轴孔配合固定实现同轴定位，并用螺钉连接；内真空腔通过安装在内真空基座(3)上的定位销(6)实现相对于主结构(9)相位定位；内真空基座(3)另一侧与主结构(9)的轴孔配合实现同轴定位，并通过锁紧圆螺母(7)紧固在主结构(9)上。

5.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：所述主结构(9)与底座(10)在结构上是分立的，之间通过导热率低的材料隔离，并通过螺钉连接成一个整体，所述结构隔离底座(10)温度变化对主结构(9)的影响。

6.根据权利要求5所述的一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：所述导热率低的材料为陶瓷、聚四氟乙烯塑料。

7.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：所述热管基座(12)通过磁屏蔽筒(5)上圆周均匀分布的四个定位孔实现定位。