CN107843247B - 一种小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构，主要由碱金属气室温控组件、磁补偿线圈骨架、磁屏蔽筒、主结构、抽运光稳频组件、检测光稳频组件、检测光束分光组件等组成。碱金属气室温控组件用于夹持作为陀螺仪核心敏感部件的碱金属气室。磁补偿线圈骨架设计为独立的中空结构。主结构采用分立小腔室设计。抽运光稳频组件采用饱和吸收稳频光路结构设计方案。检测光稳频组件采用FP腔稳频光路设计方案。检测光束分光组件采用BS分光的结构设计方案。本发明结构简单、功能完备，可实现两个自由度角速率的同时测量，简化了无自旋交换弛豫陀螺仪的装配和调试过程，碱金属气室二级温控方案和抽运、检测激光稳频方案可以提高陀螺仪稳定性。

Description

一种小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构

技术领域

本发明涉及陀螺仪的技术领域，具体涉及一种小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构。

背景技术

目前，在高精度惯性导航领域，原子陀螺仪是新一代高精度陀螺仪的重要发展方向，其中，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，其理论零偏稳定性指标可高达10^-8°/h，是未来长航时、高精度惯性导航系统的首选；发展SERF原子自旋陀螺仪对于国防安全和经济发展具有重大意义。

目前研究的无自旋交换弛豫陀螺仪结构，碱金属气室采用一级温控结构，且碱金属气室与磁补偿线圈采用一体结构，不便于气室的拆装，增加样机拆装的工作量；另外，现有陀螺仪装置中虽具备双轴加速率测试的能力，但是其结构过于复杂，不便于安装与调试；第三，SERF原子自旋陀螺仪主要依靠抽运光和检测光的闭环实现角速度的测量，但现有的SERF陀螺仪结构采用整机统一控制的方式，导致各部件组装后容易形成干扰，降低测量精度。总之，现有的SERF陀螺仪装置的结构形式使得陀螺仪结构复杂，拆装困难，且各组件之间易形成干扰，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

本发明要解决的技术问题是：克服现有无自旋弛豫陀螺仪结构的不足，提供一种结构简单、功能完备，可实现两个自由度角速率的同时测量的小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构，简化了无自旋交换弛豫陀螺仪的装配和调试过程，碱金属气室二级温控方案和抽运、检测激光稳频方案可以提高陀螺仪稳定性。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构，包括碱金属气室温控组件、磁补偿线圈骨架、磁屏蔽筒、主结构、抽运光稳频组件、检测光稳频组件和检测光束分光组件，碱金属气室温控组件用于夹持作为陀螺仪核心敏感部件的碱金属气室，为碱金属气室提供安装基准，并可降低光路调试的复杂性。磁补偿线圈骨架设计为独立的中空结构，为碱金属气室温控组件提供安装基准，二者通过轴孔配合实现同轴定位，并用轴向安装螺母实现固定。磁屏蔽筒为三层屏蔽结构且采用筒体在内，桶盖在外的结构设计，每层通过磁屏蔽筒支撑环之间的配合实现定位，整体结构依靠内部的消磁杆实现与主结构的同轴定位，桶盖与主结构通过六个定位孔与屏蔽筒轴向安装螺母实现定位与压紧。检测光稳频组件中TEC位于FP腔与组件垫板之间，通过定位孔与螺钉实现在检测光稳频组件的定位与紧固，用于FP腔的温度控制。检测光束分光组件采用BS分光结构设计，将检测光分为两路，其中一路经过折入主结构底部的反射镜后再次进入磁屏蔽筒。主结构为陀螺仪所有部件提供安装基准，抽运光稳频组件通过主结构上均匀分布的定位孔实现定位，并用螺钉紧固在主结构上。

所述结构的碱金属气室温控组件采用两级温控结构，以进一步提高气室的温度稳定性和均匀性。碱金属气室温控组件与磁补偿线圈骨架在结构上是分离的，可以在不拆除线圈骨架的情况下更换气室，减少了陀螺仪样机拆装复杂性，减少工作量。

所述的主结构采用分立小腔的设计，隔离不同组件之间的影响。同时，主结构作为样机的热沉，有较为明显的温度波动，所以抽运光稳频组件、检测光稳频组件、检测光束分光组件与主结构之间都有垫板，减少光学器件与主结构的热交换，以提高光路系统稳定性。

所述的抽运光稳频组件采用了饱和吸收光路，但K原子在室温下密较小，导致饱和吸收谱信号较弱，故通过组件中的TEC加热充满K原子的气室，以增强稳频信号，提高稳频效果。

所述的检测光稳频组件采用FP腔稳频，并且对FP腔进行了温度控制，保证参考频率的稳定性。

所述的检测光束分光组件采用BS分光的结构设计方案，将检测光分为两路，其中一路经过折入主结构底部的反射镜后再次进入磁屏蔽筒，形成与原光路垂直路径的第二路检测光，通过主结构顶端的双轴检测组件能够实现两个自由度角速率的同时测量。对比于一代陀螺仪样机具备的双轴加速率测试模块，新样机结构简单，拆装与调试更简便。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明主结构作为陀螺仪结构的重要基准部件，连接陀螺仪主结构、碱金属气室温控组件、磁补偿线圈骨架、抽运光稳频组件、检测光稳频组件、检测光束分光组件，为陀螺仪所有部件提供安装基准，保证陀螺仪各主要部件的装配精度。

(2)本发明抽运光稳频组件采用了饱和吸收光路，并通过组件中的TEC加热充满K原子的气室，以增强稳频信号，提高稳频效果。

(3)本发明主结构采用分立小腔的设计，隔离不同组件之间的影响。同时，考虑到主结构作为样机的热沉，易产生较大的温度波动，故抽运光稳频组件、检测光稳频组件、检测光束分光组件与主结构之间都有垫板，减少光学器件因与主结构热交换产生的热变形，以提高光路系统稳定性。

(4)检测光束分光组件采用BS分光的结构设计方案，将检测光分为两路，其中一路经过折入主结构底部的反射镜后再次进入磁屏蔽筒，形成与原光路垂直路径的第二路检测光，通过主结构顶端的双轴检测组件能够实现两个自由度角速率的同时测量，且结构简单，拆装与调试简便。

(5)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为本发明的主结构轴侧视图、剖面图和右视图，其中图2(a)为轴侧视图，图2(b)为剖视图，图2(c)为右视图；

图3为本发明的碱金属气室温控组件端面图和轴向剖面图，其中图3(a)为端面图，图3(b)为轴向剖面图；

图4为本发明的磁补偿线圈骨架端面图和轴向剖面图，其中图4(a)为端面图，图4(b)为轴向剖面图；

图中附图标记含义为：1为碱金属气室温控组件，2为磁补偿线圈骨架，3为磁屏蔽筒，4为主结构，5为抽运光稳频组件，6为检测光稳频组件，7为检测光束分光组件，101为第一基准孔，102为第一通光定位孔，103为第二通光定位孔，104为，105为磁屏蔽筒支撑环，106为隔环，107为第二基准孔，108为定位孔，109为第三基准孔，110为第三通光定位孔，111为第四通光定位孔，112为平行钢钉，113为第一螺纹间隙孔，114为第五通光定位孔，115为第一螺钉间隙孔，116为基座端部的平行钢钉，117为第二螺纹间隙孔，201为第一基准面，202为第二基准面，501为航空插头，502为SMA插头，503为第二螺钉间隙孔，504为第三螺纹间隙孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的具体实施结构如图1所示，一种小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构，主要由碱金属气室温控组件1、磁补偿线圈骨架2、磁屏蔽筒3、主结构4、抽运光稳频组件5、检测光稳频组件6、检测光束分光组件7等组成。碱金属气室温控组件1用于夹持作为陀螺仪核心敏感部件的碱金属气室，为碱金属气室提供安装基准。磁补偿线圈骨架2设计为独立的中空结构，为碱金属气室温控组件1提供安装基准，二者通过轴孔配合实现同轴定位，并用轴向安装螺母实现固定。磁屏蔽筒3为三层屏蔽结构且采用筒体在内，桶盖在外的结构设计，每层通过磁屏蔽筒支撑环之间的配合实现定位，整体结构依靠内部的消磁杆实现与主结构4的同轴定位，桶盖与主结构4通过六个定位孔与屏蔽筒轴向安装螺母实现定位与压紧。检测光稳频组件6中TEC位于FP腔与组件垫板之间，通过定位孔与螺钉实现在检测光稳频组件6的定位与紧固，用于FP腔的温度控制。检测光束分光组件7采用BS分光结构设计，将检测光分为两路，其中一路经过折入主结构4底部的反射镜后再次进入磁屏蔽筒3。主结构4为陀螺仪所有部件提供安装基准，抽运光稳频组件5通过主结构4上均匀分布的定位孔实现定位，并用螺钉紧固在主结构4上。

图2为本发明的主结构4，图2(a)为轴侧视图，图2(b)为主视图，图2(c)为俯视图。主结构4为陀螺仪所有部件提供安装基准。两根消磁杆在主结构4上通过定位孔100实现定位。安装在主结构4上的航空插头501与SMA插头502。主结构4上的第一基准孔101和基准面200实现磁屏蔽筒3在主结构4中的定位，并通过屏蔽筒轴向安装螺母固定。第一通光定位孔102位于主结构4的顶端，在需要双轴角速度测量时用于双轴检测组件的定位安装。检测光束分光组件7通过主结构4的上的第二通光定位孔103实现定位，并通过周围均匀分布的第二螺钉间隙孔503实现固定。检测光稳频组件6安装在主结构4底板上，通过穿过第二螺纹间隙孔504的螺钉定位与紧固。抽运光稳频组件5通过主结构4底板上的定位孔104实现定位，并通过螺钉固定。

图3为本发明的磁屏蔽筒3端面图和轴向剖面图，其中图3(a)为端面图，图3(b)为轴向剖面图。磁屏蔽筒3作为碱金属气室温控组件1与磁补偿线圈骨架2的安装基准，又作为两路检测光的通路，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。磁屏蔽筒3为三层屏蔽结构，每层通过磁屏蔽筒支撑环105与隔环106之间的配合实现定位，隔环106通过4个第二基准孔107与第一基准面201每层屏蔽筒在整体结构内的具体位置，确定整体结构依靠内部的消磁杆实现与主结构的同轴定位，消磁杆通过端部的螺纹穿过磁屏蔽筒端部的定位孔安装在主结构4相应的螺纹孔上，消磁杆的另一端通过定位孔108用于磁屏蔽筒桶盖的安装定位。磁补偿线圈骨架2通过第三基准孔109、第三通光定位孔110和第二基准面202实现在磁屏蔽筒3内的定位，通过筒壁上的第四通光定位孔111确定径向通光孔的位置。第三通光定位孔110与第四通光定位孔111同时也为碱金属气室温控组件1提供了安装基准。

图4为本发明的磁补偿线圈骨架端面图和轴向剖面图，其中图4(a)为端面图，图4(b)为轴向剖面图。磁补偿线圈骨架2为碱金属气室温控组件1提供安装基准，通过端部的平行钢钉112实现加热基座的定位，并通过穿过均匀分布的四个第一螺纹间隙孔113的螺钉实现加热基座的紧固。均匀分布的第五通光定位孔114与加热基座相应通光孔对准，实现碱金气室温控组件1在其内部的定位。线圈与线圈基座通过四个穿过线圈基座上第一螺钉间隙孔115的螺钉紧固，通过基座端部的平行钢钉116实现磁补偿线圈骨架2实现在主结构4上的定位，并通过穿过螺纹间隙孔117的螺钉进行紧固。

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 (1)

1.一种小型一体化双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构，其特征在于：包括碱金属气室温控组件（1）、磁补偿线圈骨架（2）、磁屏蔽筒（3）、主结构（4）、抽运光稳频组件（5）、检测光稳频组件（6）和检测光束分光组件（7），碱金属气室温控组件（1）用于夹持作为陀螺仪核心敏感部件的碱金属气室，为碱金属气室提供安装基准，并可降低光路调试的复杂性；磁补偿线圈骨架（2）设计为独立的中空结构，为碱金属气室温控组件（1）提供安装基准，二者通过轴孔配合实现同轴定位，并用轴向安装螺母实现固定；磁屏蔽筒（3）为三层屏蔽结构且采用筒体在内，桶盖在外的结构设计，每层通过磁屏蔽筒支撑环之间的配合实现定位，整体结构依靠内部的消磁杆实现与主结构（4）的同轴定位，桶盖与主结构（4）通过六个定位孔与屏蔽筒轴向安装螺母实现定位与压紧；检测光稳频组件（6）中TEC位于FP腔与组件垫板之间，通过定位孔与螺钉实现在检测光稳频组件（6）的定位与紧固，用于FP腔的温度控制；检测光束分光组件（7）采用BS分光结构设计，将检测光分为两路，其中一路经过折入主结构（4）底部的反射镜后再次进入磁屏蔽筒（3）；主结构（4）为陀螺仪所有部件提供安装基准，抽运光稳频组件（5）通过主结构（4）上均匀分布的定位孔实现定位，并用螺钉紧固在主结构（4）上；

碱金属气室温控组件（1）采用两级温控结构，以进一步提高气室的温度稳定性和均匀性；碱金属气室温控组件（1）与磁补偿线圈骨架（2）在结构上是分离的，可以在不拆除线圈骨架的情况下更换气室，减少了陀螺仪样机拆装复杂性，减少工作量；

主结构（4）采用分立小腔的设计，隔离不同组件之间的影响；同时，抽运光稳频组件（5）、检测光稳频组件（6）、检测光束分光组件（7）与主结构（4）之间都有垫板，减少光学器件与主结构（4）的热交换，以提高光路系统稳定性；

抽运光稳频组件（5）采用了饱和吸收光路，通过抽运光稳频组件（5）中的TEC加热充满K原子的气室，以增强稳频信号，提高稳频效果；

检测光稳频组件（6）采用FP腔稳频，并且对FP腔进行了温度控制，保证参考频率的稳定性；

所述的检测光束分光组件（7）采用BS分光的结构设计方案，将检测光分为两路，其中一路经过折入主结构（4）底部的反射镜后再次进入磁屏蔽筒（3），形成与原光路垂直路径的第二路检测光，通过主结构（4）顶端的双轴检测组件能够实现两个自由度角速率的同时测量。

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