CN108931238A - 一种微型双轴光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型双轴光纤陀螺仪，包括外壳和光纤环支架结构，光纤环支架结构固定在外壳内部；光纤环支架结构为内外嵌式光纤环支架结构，包括：光纤环安装支架、配合安装支架、外嵌光纤环和内嵌光纤环；光纤环安装支架和配合安装支架相互正交，且呈井字型排列；外嵌光纤环和内嵌光纤环相互垂直的设置在井字型结构的内部，且外嵌光纤环的直径大于内嵌光纤环的直径；井字型结构的四周形成4个L型的安装面；该光纤陀螺仪还包括电路模块、系统光源、耦合器、Y波导和共用光源的双轴光纤，双轴光纤分别绕装在外嵌光纤环和内嵌光纤环上，电路模块、系统光源、耦合器和Y波导均安装在L型的安装面上。本发明在保证光纤陀螺应用要求的前提下，有效地减小了光纤陀螺的体积。

Description

一种微型双轴光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种微型双轴光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺是一种以光学相对论为理论基础的角速度传感器，相对于传统的转子式机电陀螺仪和存在“机抖”结构的激光陀螺仪，光纤陀螺真正实现了全固态结构设计，可实现极高的可靠性和设计灵活性。

在通常的光纤陀螺应用系统中，一般由结构件将2到3个单轴光纤陀螺按坐标轴方向组合在一起，再通过电路和软件来完成设备的角速度信息读取、闭环控制等技术功能。这样的设计一般存在体积大、质量重，结构复杂的问题。随着军民产品的广泛应用，对惯性敏感器技术性能要求越来越多样化，体积、重量要求越来越小，集成化、微小型化的光纤陀螺设计已是必然。因为采用光路、电路上的复用技术，两轴一体设计在制造成本上也存在优势。但两轴一体化光纤陀螺产品存在体积大、制造装配过程复杂、工程化水平低等问题。2014年底公布的发明专利《用于光纤陀螺的两轴一体化光纤环绕装置》(申请公布号：CN104236590A)，首次采用了正交嵌套内外光纤环设计，有效解决了双轴陀螺的小型化问题，但同时设计也存在着缺陷。如光纤直接绕制在金属结构上，易受金属直接热传导和热胀冷缩的影响；无法同时进行内、外光纤环的绕制，无法进行单只光纤环的筛选替换；结构件的后期拼装连接容易带来光纤环应力不均匀和正交性的偏差等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中光纤陀螺体积较大的缺陷，提供一种微型双轴光纤陀螺仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种微型双轴光纤陀螺仪，包括外壳和光纤环支架结构，光纤环支架结构固定在外壳内部；其中：

光纤环支架结构为内外嵌式光纤环支架结构，包括：光纤环安装支架、配合安装支架、外嵌光纤环和内嵌光纤环；光纤环安装支架和配合安装支架相互正交，且呈井字型排列；外嵌光纤环和内嵌光纤环相互垂直的设置在井字型结构的内部，且外嵌光纤环的直径大于内嵌光纤环的直径；井字型结构的四周形成4个L型的安装面；

该光纤陀螺仪还包括电路模块、系统光源、耦合器、Y波导和共用光源的双轴光纤，双轴光纤分别绕装在外嵌光纤环和内嵌光纤环上，电路模块、系统光源、耦合器和Y波导均安装在L型的安装面上。

进一步地，本发明的外壳包括外壳上盖和外壳底座，光纤环支架结构安装在外壳底座上。

进一步地，本发明的光纤环安装支架包括外嵌光纤环安装面、内嵌光纤环安装面、凸台表面、安装孔系、安装结构和安装面；其中：

凸台表面设置在外嵌光纤环安装面上；外嵌光纤环从凸台表面的方向穿过，并通过粘连剂固定在外嵌光纤环安装面上；内嵌光纤环安装面与外嵌光纤环安装面相互垂直，内嵌光纤环塞入光纤环安装支架内部，并通过粘连剂固定在内嵌光纤环安装面上；凸台表面设置有多个安装孔系；安装结构设置在L型的安装面上；光纤环支架通过安装面与外壳底座固定连接。

进一步地，本发明的配合安装支架包括陀螺底座配合安装面、光电器件安装面、通孔和空槽；其中：

配合安装支架通过陀螺底座配合安装面与外壳底座固定连接；光电器件安装面与安装结构组成L型的安装面，用于固定安装电路模块、系统光源、耦合器和Y波导；通孔与安装孔系相互配合，使光纤环安装支架和配合安装支架相互固定连接；空槽设置在内嵌光纤环安装面与配合安装支架相交的位置，内嵌光纤环塞入空槽内进行固定安装。

进一步地，本发明的电路模块包括3块电路板和挠性印刷板，挠性印刷板用于实现电路板之间的电气连接。

进一步地，本发明的外壳上盖包括陀螺外壳内壁，外壳底座包括底座上表面；陀螺外壳内壁和底座上表面之间通过软磁材料形成磁屏蔽罩，实现对光纤陀螺仪的电磁屏蔽。

进一步地，本发明的外壳上盖的横截面为正八边形，井字型形成的八个顶角与正八边形的八个顶点紧密接触，使光纤环支架结构固定安装在外壳内。

本发明产生的有益效果是：本发明的微型双轴光纤陀螺仪，通过对两轴一体化光纤陀螺光路设计、电路设计、结构设计和磁屏蔽设计等方案的创新与改进，在保证光纤陀螺应用要求的前提下，有效地减小了光纤陀螺的体积、工程化水平和生产难度。

采用内外正交嵌套的脱骨架光纤环及其安装支架结构的设计，可以对脱骨架的光纤环分别进行筛选以提高系统的综合性能，避免因单只光纤环或者绕环骨架质量问题而淘汰整个双轴环架系统，有效降低了产品生产过程的成本；光纤环底部采用环氧树脂胶等硬质胶粘剂固定在结构件上，提高了光纤陀螺在振动、冲击等恶劣环境下的性能；底面上胶的方案对于结构件热胀冷缩产生的应力以及热传导产生的温度梯度敏感性更低，有利于陀螺温度性能的提高。

硬件电路的实现采用普通印制板与挠性印制板间隔连接的一体化设计，既实现了不同安装位置电路板之间的弯曲连接，又提高了电路设计的紧凑性，大大降低了陀螺电路装配及调试的难度，提高了工程化水平。

采用外部屏蔽的磁屏蔽设计方案，通过陀螺外罩内壁与陀螺底座上部安装软磁材料的磁屏蔽罩的方法，有效地屏蔽了地磁场及其他外部低频磁场对陀螺性能的影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明中双轴一体化光纤陀螺外观示意图。

图2为本发明中双轴一体化光纤陀螺的双轴嵌套环架结构示意图。

图3为本发明中双轴一体化光纤陀螺的光纤环安装支架结构示意图。

图4为本发明中双轴一体化光纤陀螺的环架配合安装支架结构示意图。

图5为本发明中双轴一体化光纤陀螺挠性连接电路模块示意图。

图6为本发明中双轴一体化光纤陀螺内部结构示意图。

图7为本发明中双轴一体化光纤陀螺磁屏蔽罩设计示意图。

图中：1-外壳上盖，2-外壳底座，3-光纤环安装支架，4-配合安装支架，5-外嵌光纤环，6-内嵌光纤环，7-电路模块，31-外嵌光纤环安装面，32-内嵌光纤环安装面，33-凸台表面，34-安装孔系，35-安装结构，36-安装面，41-陀螺底座配合安装面，42-光电器件安装面，43-通孔，44-空槽，71-电路板，72-挠性印刷板，11-陀螺外壳内壁，21-底座上表面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的微型双轴光纤陀螺仪，包括外壳和光纤环支架结构，光纤环支架结构固定在外壳内部；其中：

光纤环支架结构为内外嵌式光纤环支架结构，包括：光纤环安装支架3、配合安装支架4、外嵌光纤环5和内嵌光纤环6；光纤环安装支架3和配合安装支架4相互正交，且呈井字型排列；外嵌光纤环5和内嵌光纤环6相互垂直的设置在井字型结构的内部，且外嵌光纤环5的直径大于内嵌光纤环6的直径；井字型结构的四周形成4个L型的安装面；

该光纤陀螺仪还包括电路模块7、系统光源、耦合器、Y波导和共用光源的双轴光纤，双轴光纤分别绕装在外嵌光纤环5和内嵌光纤环6上，电路模块7、系统光源、耦合器和Y波导均安装在L型的安装面上。

外壳包括外壳上盖1和外壳底座2，光纤环支架结构安装在外壳底座2上。光纤环安装支架3包括外嵌光纤环安装面31、内嵌光纤环安装面32、凸台表面33、安装孔系34、安装结构35和安装面36；其中：凸台表面33设置在外嵌光纤环安装面31上；外嵌光纤环5从凸台表面33的方向穿过，并通过粘连剂固定在外嵌光纤环安装面31上；内嵌光纤环安装面32与外嵌光纤环安装面31相互垂直，内嵌光纤环6塞入光纤环安装支架3内部，并通过粘连剂固定在内嵌光纤环安装面32上；凸台表面33设置有多个安装孔系34；安装结构35设置在L型的安装面上；光纤环支架3通过安装面36与外壳底座2固定连接。

配合安装支架4包括陀螺底座配合安装面41、光电器件安装面42、通孔43和空槽44；其中：配合安装支架4通过陀螺底座配合安装面41与外壳底座2固定连接；光电器件安装面42与安装结构35组成L型的安装面，用于固定安装电路模块7、系统光源、耦合器和Y波导；通孔43与安装孔系34相互配合，使光纤环安装支架3和配合安装支架4相互固定连接；空槽44设置在内嵌光纤环安装面32与配合安装支架4相交的位置，内嵌光纤环6塞入空槽44内进行固定安装。电路模块7包括3块电路板71和挠性印刷板72，挠性印刷板72用于实现电路板71之间的电气连接。

外壳上盖1包括陀螺外壳内壁11，外壳底座2包括底座上表面21；陀螺外壳内壁11和底座上表面21之间通过软磁材料形成磁屏蔽罩，实现对光纤陀螺仪的电磁屏蔽。外壳上盖1的横截面为正八边形，井字型形成的八个顶角与正八边形的八个顶点紧密接触，使光纤环支架结构固定安装在外壳内。

在本发明的另一个具体实施例中，其技术方案具体为：

(1)由共用光源的双轴光纤光路、包含磁屏蔽的正交式双轴陀螺结构、包含挠性印制板的功能电路组成；

(2)双轴光纤陀螺光路采用内外正交嵌套的脱骨架光纤环，与其支架结构组成核心的双轴转速敏感部件，其中的光纤环可以为椭圆环、跑道形环、圆形环或其它形状的光纤环；

(3)双轴光纤环安装的结构部分采用两轴一体设计和加工方案，整体加工保障光纤环支架结构的平面度和正交性，结构件材料可以是铝合金或其它金属材料；

(4)磁屏蔽材料为1J50或1J79或1J85或其它牌号的高磁导率软磁材料，直接做成陀螺外罩或嵌入陀螺外罩内部，可以采用粘贴、焊接、螺钉连接等方式与其它部分结构件连接固定；

(5)采用普通印制板与挠性印制板的一体设计，既确保了电路板在紧凑结构上的弯曲安装，又实现了电路本身的不间断整体设计；

(6)光纤环采用环氧树脂胶等硬质胶粘剂固定在结构件上，安装次序不分前后，光纤尾纤盘绕在陀螺底座上方，与光路的光源、光电调制器和探测器对应连接。印制电路板按设计采用螺钉固定在结构件上。

本发明的原理是：采用内外正交嵌套的脱骨架光纤环及其一体化结构设计，有效降低了结构件的热胀冷缩和直接热传导带来的光纤陀螺温度敏感性问题，保障双轴光纤环的正交性和光纤环粘贴面的平面度，避免二次装配误差的产生，也保障了结构件的刚度和抗振性能；采用软硬结合的一体化电路板设计，保证安装的同时最大程度的抑制了电磁干扰的产生。本发明通过光机电和装配工艺的优化设计，在进一步缩小双轴光纤陀螺体积的同时，大幅度提高了产品的工程化性能。

如图1所示，本发明中的微型两轴一体化光纤陀螺设计外观示意图，包括光纤陀螺的外壳上盖1，光纤陀螺的外壳底座2。

如图2所示，本发明中的内外嵌套光纤环支架结构是光纤陀螺内部最重要的安装与支撑结构，主要由光纤环安装支架3和配合安装支架4两部分组成。光路中的内外嵌套的光纤环分别安装在光纤环安装支架3的两个正交安装面上，由一体化加工保证安装轴系的正交性。光纤环安装支架3和配合安装支架4配合安装后，形成了四个L形的安装面，作为陀螺系统中光源、耦合器、Y波导等光学元件以及系统中的电路板的安装平面。光纤环支架结构作为支撑部件，在设计时要根据设计要求保证一定的结构强度和刚度；同时要考虑结构件的振动特性，通过CAE软件辅助模态分析，对于支撑结构的设计进行优化。

如图3所示，本发明中的光纤环安装支架结构3用以内外嵌套的光纤环的安装，包括外嵌光纤环的安装面31和内嵌光纤环的安装面32，外嵌光纤环从安装面的凸台方向穿过，其底面与安装面通过环氧树脂胶等硬质胶粘剂进行固定。为保证光纤环敏感轴与安装面的正交性，安装面应保证一定的加工精度，安装面的胶粘剂应该涂抹均匀并以合适的力压实。外嵌光纤环的内壁与凸台曲面之间应该保证一定的间距，以减小内壁传热带来的径向温度梯度影响，并避免光纤环内壁与所接触的凸台曲面之间材料不一致所引起的应力影响。同时椭圆凸台高度应该比外嵌光纤环高度略大，以避免环架装配过程中由于安装面配合所造成的光纤环轴向应力。内嵌光纤环通过安装面上方的空槽塞入槽体内部，并通过光纤环底面与安装面的粘接进行配合。同样为保证光纤环敏感轴与安装面的正交性，安装面应保证一定的加工精度，安装面的胶粘剂应该涂抹均匀并以合适的力压实。为了便于内嵌光纤环的装配，内嵌光纤环的安装面32上方的孔槽截面的长度和宽度均应该大于光纤环安装截面的最大长度和宽度。由于两正交安装的光纤环以内外嵌套的方式进行安装，在光纤环设计时内外嵌套光纤环的内外径尺寸配合应该满足一定的要求，应该根据设计要求的测量精度与动态范围合理选择光纤环光纤的长度，并优化出内外嵌套光纤环的设计参数。凸台的表面33为光纤环安装支架结构3与配合安装支架结构4的配合安装面，配合安装支架结构上有用于配合安装的孔槽，安装时光纤环安装支架的内嵌光纤环安装面穿过安装孔槽相应的位置到达相应的安装面进行配合安装。凸台表面上有四个安装螺纹孔组成的安装孔系34，用于两结构体在椭圆凸台的表面的螺钉连接。环架结构上设置有用于固定光学器件以及硬件电路板部分的安装结构35。光纤环安装支架结构36与光纤陀螺外壳底座进行配合的安装面，两结构体通过螺钉进行固定。为保证双轴光纤陀螺敏感轴与陀螺安装面法向的正交性，光纤环安装支架结构36面应该保证一定的平面度加工精度，且该安装面与正交嵌套光纤环的安装面要保证一定的垂直度。同理光纤陀螺外壳底座上与该安装进行配合的安装面也要保证相应的平面度要求，并且该安装面与陀螺底座的底面要保证一定的平行度，以确保最终的陀螺安装面与敏感轴系之间的正交关系。

如图4所示，本发明中的配合安装支架结构4主要用于和光纤环安装支架结构○3配合安装组成光纤环支架结构，共同完成系统中光源、耦合器、Y波导等光学元件以及系统中的电路板的安装固定，并用作支撑结构提高环架的结构强度。其中包括：该结构与陀螺底座配合安装面41，二者通过螺钉进行固连；光、电器件的安装平面42，面上有用于固定的安装槽或者螺纹孔；用于和螺纹孔34进行配合安装的通孔43，为避免干扰安装面上的光、电器件的固定安装，通孔应该做一定的沉孔或者倒角处理。配合光纤环安装支架结构3与配合安装支架结构4进行安装的孔槽结构44，二者进行装配时，内嵌光纤环安装平面32所在的安装板插入孔槽的缺口部分，并与之构成一个安装光、电器件的L形安装面，二者之间的空隙为内嵌光纤环的安装空间。

如图5所示，本发明中的电路模块采用普通硬质电路板与挠性印制板间隔连接的方案。本发明中的一组电路模块，该组电路模块由三块普通电路板和电路板之间的挠性印制板组成，模块中所有电子元器件均固定在普通电路板上，电路板之间所有的电气连接均通过二者之间的挠性印制板实现。电路模块通过一体化的设计及印制来实现，保证了设计的紧凑性以及连接的可靠性，提高了模块的抗电磁干扰的能力。由于挠性印制板的存在，电路模块在安装过程中可以实现一定的弯曲安装，提高了空间的利用率，降低了系统的小型化设计难度。

如图6所示，本发明中的双轴一体化光纤陀螺内部实现了紧凑设计。图中，光纤环支架结构作为本发明中最重要的设计，用于内外嵌套光纤环的安装支撑结构及安装基准，光纤环支架结构的四个L形安装面作为系统中光路、电路元件的安装面。在进行设计时，根据双轴一体化光纤陀螺光路的特点以及内外嵌套光纤环支架结构的设计，合理规划系统光源、耦合器、Y波导等器件的安装位置以及光路光纤走向，兼顾设计的合理性与光学装配的实现难度。对于光路中的尾纤要规划有合理的导纤槽，用于光纤的盘装及固定，并防止装配过程中损坏光纤。系统的电路板通过螺钉固定在环架上，电路板间的挠性印制板保证了两电路板在光纤环支架的不同安装面以一定的角度弯曲连接。

如图7所示，本发明中光纤陀螺的电磁屏蔽通过陀螺外壳内壁与底座上方固定软磁材料形成磁屏蔽罩来实现。由于软磁材料导磁率较高，磁场经过软磁材料时会发生畸变，导致绝大部分磁力线从软磁材料中经过，达到磁屏蔽的效果。进行磁屏蔽设计时，要注意软磁材料的选用、磁屏蔽罩的厚度、软磁材料连接的设计等，尽量减小磁屏蔽罩的磁阻。根据设计需求，磁屏蔽要求较高时，可以考虑多层屏蔽。本发明中通过磁屏蔽罩的设计，基本消除了外界磁场对于陀螺内部的干扰。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种微型双轴光纤陀螺仪，其特征在于，包括外壳和光纤环支架结构，光纤环支架结构固定在外壳内部；其中：

光纤环支架结构为内外嵌式光纤环支架结构，包括：光纤环安装支架(3)、配合安装支架(4)、外嵌光纤环(5)和内嵌光纤环(6)；光纤环安装支架(3)和配合安装支架(4)相互正交，且呈井字型排列；外嵌光纤环(5)和内嵌光纤环(6)相互垂直的设置在井字型结构的内部，且外嵌光纤环(5)的直径大于内嵌光纤环(6)的直径；井字型结构的四周形成4个L型的安装面；

该光纤陀螺仪还包括电路模块(7)、系统光源、耦合器、Y波导和共用光源的双轴光纤，双轴光纤分别绕装在外嵌光纤环(5)和内嵌光纤环(6)上，电路模块(7)、系统光源、耦合器和Y波导均安装在L型的安装面上。

2.根据权利要求1所述的微型双轴光纤陀螺仪，其特征在于，外壳包括外壳上盖(1)和外壳底座(2)，光纤环支架结构安装在外壳底座(2)上。

3.根据权利要求2所述的微型双轴光纤陀螺仪，其特征在于，光纤环安装支架(3)包括外嵌光纤环安装面(31)、内嵌光纤环安装面(32)、凸台表面(33)、安装孔系(34)、安装结构(35)和安装面(36)；其中：

凸台表面(33)设置在外嵌光纤环安装面(31)上；外嵌光纤环(5)从凸台表面(33)的方向穿过，并通过粘连剂固定在外嵌光纤环安装面(31)上；内嵌光纤环安装面(32)与外嵌光纤环安装面(31)相互垂直，内嵌光纤环(6)塞入光纤环安装支架(3)内部，并通过粘连剂固定在内嵌光纤环安装面(32)上；凸台表面(33)设置有多个安装孔系(34)；安装结构(35)设置在L型的安装面上；光纤环支架(3)通过安装面(36)与外壳底座(2)固定连接。

4.根据权利要求3所述的微型双轴光纤陀螺仪，其特征在于，配合安装支架(4)包括陀螺底座配合安装面(41)、光电器件安装面(42)、通孔(43)和空槽(44)；其中：

配合安装支架(4)通过陀螺底座配合安装面(41)与外壳底座(2)固定连接；光电器件安装面(42)与安装结构(35)组成L型的安装面，用于固定安装电路模块(7)、系统光源、耦合器和Y波导；通孔(43)与安装孔系(34)相互配合，使光纤环安装支架(3)和配合安装支架(4)相互固定连接；空槽(44)设置在内嵌光纤环安装面(32)与配合安装支架(4)相交的位置，内嵌光纤环(6)塞入空槽(44)内进行固定安装。

5.根据权利要求1所述的微型双轴光纤陀螺仪，其特征在于，电路模块(7)包括3块电路板(71)和挠性印刷板(72)，挠性印刷板(72)用于实现电路板(71)之间的电气连接。

6.根据权利要求2所述的微型双轴光纤陀螺仪，其特征在于，外壳上盖(1)包括陀螺外壳内壁(11)，外壳底座(2)包括底座上表面(21)；陀螺外壳内壁(11)和底座上表面(21)之间通过软磁材料形成磁屏蔽罩，实现对光纤陀螺仪的电磁屏蔽。

7.根据权利要求2所述的微型双轴光纤陀螺仪，其特征在于，外壳上盖(1)的横截面为正八边形，井字型形成的八个顶角与正八边形的八个顶点紧密接触，使光纤环支架结构固定安装在外壳内。