CN108931239A - 一种嵌入式微小型单轴光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式微小型单轴光纤陀螺，包括圆柱体的外壳和骨架，外壳内部结构分为三层结构；三层结构包括上层的信号处理板装配层，中层的光学器件装配层，以及下层的光源部分；光学器件装配层包括集成Y波导、耦合器、探测器和光纤环圈；光源部分包括超辐射发光光源和光源驱动板；环形环圈以四极对称绕法紧密绕制于骨架上；超辐射发光光源的输出端光纤穿过骨架，与位于中层的耦合器相连；探测器的信号引脚穿过光学器件装配层与信号处理板装配层中的信号处理板相连；信号处理板上设置有陀螺数字闭环控制电路。本发明实现了陀螺光路部分和电路部分的分离，整体设备整体空间得到极大的利用，同时沉入的陀螺部分极大的有利于陀螺的散热。

Description

一种嵌入式微小型单轴光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺惯性仪表领域，尤其涉及一种嵌入式微小型单轴光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺作为惯性技术的核心器件之一，各种场合适用的光纤陀螺不断研制成功，且已广泛应用于战术导弹、伺服控制等系统。高精度和小型化是光纤陀螺的两个发展方向，前者是其战略意义上的需求，后者则主要体现在产业价值上。向体积小、高度集成、价格便宜、结构更牢固的嵌入式微型方向发展，为战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器对光纤陀螺的产业化发展。目前，世界上的光纤陀螺已在多个精度层次上得到发展，并广泛应用于海、陆、空、天等领域。在国内，光纤陀螺已成为0.01°/s到0.015°/h首选的角速度测量器件，大量应用于铁轨测量、石油钻井、伺服跟踪、姿态控制、制导武器等领域。相比于以俄罗斯VG系列为代表的开环光纤陀螺产品，数字闭环光纤陀螺在动态范围、线性度、寿命和工程化水平等方面具有绝对的优势。

微小型化光纤陀螺面临设计和工程化上的双重困难，追求体积小、重量轻势必导致光纤陀螺敏感核心的光纤环圈规格变小，随之直接影响光纤陀螺的设计性能降低；同时，在极小体积下的光纤陀螺如何设计其光学部分、电路部分装配在结构上是决定陀螺的可靠性和工程化难易程度的关键。满足飞机吊舱、机器人平台、车载传感等应用场合的精度较高、体积小、重量轻的微小型光纤陀螺开发具有实际意义。

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小型化设计难度大的缺陷，提供一种嵌入式微小型单轴光纤陀螺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种嵌入式微小型单轴光纤陀螺，该光纤陀螺包括圆柱体的外壳和骨架，骨架设置在外壳内部，且外壳内部结构分为三层结构；三层结构包括上层的信号处理板装配层，中层的光学器件装配层，以及下层的光源部分；光学器件装配层包括集成Y波导、耦合器、探测器和光纤环圈；光源部分包括超辐射发光光源和光源驱动板；其中：

环形环圈以四极对称绕法紧密绕制于骨架上；超辐射发光光源的输出端光纤穿过骨架，与位于中层的耦合器相连；超辐射发光光源的光波信号接入耦合器中，耦合器的输出端与集成Y波导的单端输入相连，集成Y波导的双端输出与光纤环圈的两条输入端对轴连接；光波信号通过光纤环圈后发生干涉，干涉返回的光波信号经过耦合器后进入探测器；探测器的信号引脚穿过光学器件装配层与信号处理板装配层中的信号处理板相连；信号处理板上设置有陀螺数字闭环控制电路，陀螺数字闭环控制电路用于对探测器的输出信号进行检测。

进一步地，本发明的骨架上设置有U型槽，光纤环圈的尾纤穿过U型槽与集成Y波导相连。

进一步地，本发明的骨架上设置有斜口槽，超辐射发光光源的输出端光纤穿过骨架上的斜口槽与耦合器相连。

进一步地，本发明的光源驱动板通过精密恒流源提供超辐射发光光源的管芯的恒定注入电流，同时用致冷电路对超辐射发光光源的管芯进行温控，并通过精密参考源、场效应管、精密电阻实现超辐射发光光源的恒流驱动。

进一步地，本发明的外壳底部预先挖出一个圆柱形凹槽，下层的光源部分沉入安装在该圆柱形凹槽内部。

进一步地，本发明的信号处理板采用双层设计，包括第一PCB电路板和第二PCB电路板，两层电路板的电路通过软板连接，软板可折叠，实现第一PCB电路板和第二PCB电路板上下对齐安装在上层的空间中。

进一步地，本发明的陀螺数字闭环控制电路包括A/D转换器、第一锁存器、第二锁存器、减法器和阶梯高累加器；由A/D转换器在偏置方波的正、负半周分别对输出信号进行采样，并将采样结果分别存入第一锁存器和第二锁存器中，利用减法器将采样结果进行相减，将相减的结果送入阶梯高累加器中进行累加；累加器不清零，其累加过程在一直进行，只有当减法器的输出为零时，累加器输出才不再变化，这时闭环控制达到平衡。

本发明产生的有益效果是：本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，采用方波调制、阶梯波反馈的数字闭环的方案，克服了模拟电路温漂严重及电子交叉耦合严重的缺点；陀螺整体布局采用清晰的三层结构设计，实现了陀螺光路部分和电路部分的分离。尤其整体有近三分之一的结构部分在安装是沉在安装设备的结构体中，使得整体设备整体空间得到极大的利用，同时沉入的陀螺部分极大的有利于陀螺的散热。

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为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺光学器件部分和光路连接示意图；

图2为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺整体构成布置图；

图3为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺整体构成下层光源器件及光源驱动板安装图；

图4为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺整体外观图；

图5为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺光纤环圈骨架结构图；

图6为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺光学元件装配布置图；

图7为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺光源驱动板恒流源驱动方案图；

图8为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺信号处理板的数字闭环控制电路逻辑图；

图9为本发明的嵌入式微小型单轴光纤陀螺信号处理板双层PCB设计示意图。

图中：1-信号处理板，2-集成Y波导，3-耦合器，4-探测器，41-信号引脚，5-光纤环圈，6-光源驱动板，7-超辐射发光光源，8-骨架，9-外壳，10-U型槽，11-斜口槽，12-圆柱形凹槽。

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，本发明实施例的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，该光纤陀螺包括圆柱体的外壳和骨架，骨架设置在外壳内部，且外壳内部结构分为三层结构；三层结构包括上层的信号处理板装配层，中层的光学器件装配层，以及下层的光源部分；光学器件装配层包括集成Y波导、耦合器、探测器和光纤环圈；光源部分包括超辐射发光光源和光源驱动板；其中：

环形环圈以四极对称绕法紧密绕制于骨架上；超辐射发光光源的输出端光纤穿过骨架，与位于中层的耦合器相连；超辐射发光光源的光波信号接入耦合器中，耦合器的输出端与集成Y波导的单端输入相连，集成Y波导的双端输出与光纤环圈的两条输入端对轴连接；光波信号通过光纤环圈后发生干涉，干涉返回的光波信号经过耦合器后进入探测器；探测器的信号引脚穿过光学器件装配层与信号处理板装配层中的信号处理板相连；信号处理板上设置有陀螺数字闭环控制电路，陀螺数字闭环控制电路用于对探测器的输出信号进行检测。

骨架上设置有U型槽，光纤环圈的尾纤穿过U型槽与集成Y波导相连。骨架上设置有斜口槽，超辐射发光光源的输出端光纤穿过骨架上的斜口槽与耦合器相连。光源驱动板通过精密恒流源提供超辐射发光光源的管芯的恒定注入电流，同时用致冷电路对超辐射发光光源的管芯进行温控，并通过精密参考源、场效应管、精密电阻实现超辐射发光光源的恒流驱动。外壳底部预先挖出一个圆柱形凹槽，下层的光源部分沉入安装在该圆柱形凹槽内部。

信号处理板采用双层设计，包括第一PCB电路板和第二PCB电路板，两层电路板的电路通过软板连接，软板可折叠，实现第一PCB电路板和第二PCB电路板上下对齐安装在上层的空间中。陀螺数字闭环控制电路包括A/D转换器、第一锁存器、第二锁存器、减法器和阶梯高累加器；由A/D转换器在偏置方波的正、负半周分别对输出信号进行采样，并将采样结果分别存入第一锁存器和第二锁存器中，利用减法器将采样结果进行相减，将相减的结果送入阶梯高累加器中进行累加；累加器不清零，其累加过程在一直进行，只有当减法器的输出为零时，累加器输出才不再变化，这时闭环控制达到平衡。

在本发明的另一个具体实施例中：

嵌入式微小型单轴光纤陀螺的装配方案也是光机电综合考虑的结果。依据陀螺整体设计首先选定所用的光学器件、制备结构部分、按照方波调制、阶梯波反馈的数字闭环的电路方案结合装配的结构部分设计制备PCB。陀螺整机装配过程为：首先将SLED和光源驱动电路板安装在底壳体的结构件上，即陀螺整体布局的下层部分；然后，按照陀螺光路连接图将光学器件通过光纤熔接后安装在中层部分；最后，将双层信号处理板PCB安装在上层部分。陀螺上中下三部分通过螺钉进行连接、安装固定。

嵌入式微小型单轴光纤陀螺，采用国内普遍的方波调制、阶梯波反馈的数字闭环方案，陀螺性能优秀。陀螺整体布局设计分为三层，巧妙的利用了内部空间对光学器件、电路板进行装配，布局设计方便陀螺的工程化与可靠性。与此同时，陀螺最下层部分在陀螺安装使用时是沉入设备结构内部的，这样进一步减小了陀螺安装时的高度要求，也有利于陀螺的散热。陀螺上层的电路板安装部分，采用两块电路板上下层重叠安装中间用软板连接的方式，解决了尺寸小的电路板设计问题。此发明是同等性能下，目前国内体积最小的数字闭环光纤陀螺。

(1)陀螺整体结构布局设计

如图2所示，陀螺整体构成可分为上、中、下三层，上层为信号处理板装配层、中层为光学器件(MIOC、PIN-FET、耦合器、光纤环)装配层、下层为光源部分(包含光源器件SLED和光源驱动板，如图3所示)。其中陀螺径向最大边长52mm×52mm，高度39mm。根据所选用材料，进行整体仿真计算得出，光纤陀螺的整体重量约为171g，陀螺整机外观如图4所示。

在实际使用中，陀螺安装在设备上时，设备按照底层部分尺寸规格预先挖出一个柱形凹槽，下层部分完全沉入安装设备的结构内部，即安装后的陀螺只有上层和中层可见。去除下层部分，陀螺上层和中层部分高度只有28mm，这样更加减小了设备需要预留给陀螺的内部空间高度。由于陀螺主要发热部分是底层的光源驱动部分，底层设计的为嵌入式的结构，嵌入进设备的底层结构和设备结构体紧密接触，此种设计能有效将光源部分产生的热量迅速地传导到设备的大结构体上。中层为光学器件的装配层，将光学器件放置的一个平面上有利于器件之间光纤的连接。信号处理板装配层的上层放置的两层PCB电路板，两层板通过软板连接。中层和上层设计实现了光学元件和电路部分的分离，既有利于装配时光路部分受到电路部分物理损伤的风险也避免了两者之间可能的干扰。

(2)陀螺光路部分设计

作为陀螺核心元件的光纤环圈其光纤以四极对称绕法紧密绕制于硬铝骨架(如图5所示)上，用胶粘剂与骨架紧密粘合，以保证其温度与骨架结构保持一致，并因此保证了良好的抗振性能。光纤尾纤通过U形槽接入内部光路元件板，光纤依结构壁而走，不悬空。

根据光纤尾纤不能大角度弯曲的特点，设计光学元件布局如图6所示。下层放置的SLED光纤尾纤通过光纤环骨架的斜口槽引入中层，和耦合器尾纤连接。光波信号接入光纤耦合器，尾纤和集成光学器件单端输入，集成光学器件的双端尾纤与光纤环圈输入的两条尾纤实现对轴连接。光纤环尾纤由光纤环骨架上的U型槽引入。光路干涉返回的光波信号经耦合器返回端进入探测器。所有器件尾纤熔接后的光纤贴在光纤环骨架内沿壁上并用胶水固定。光电探测器用压板固定在元件板上，接脚针透过元件板探出，接光纤陀螺数据处理电路板，这样比传统的探测器直接焊接在电路板上工程化性能更好。

(3)陀螺电路部分设计

SLED驱动电路通过一个精密恒流源提供SLED管芯的恒定注入电流，同时用致冷电路对SLED管芯进行温控，图7所示。通过一个精密参考源、场效应管、精密电阻R7实现恒流驱动。

如图8所示，信号处理板的陀螺数字闭环控制电路逻辑图。由A/D转换器在偏置方波的正、负半周分别对PIN/FET输出信号进行采样，并将采样结果分别存入锁存器A和B中，利用减法器将采样结果进行相减，将相减的结果送入由加法器和锁存器构成的阶梯高累加器中进行累加。累加器不清零，其累加过程在一直进行，只有当减法器的输出为零时，累加器输出才不再变化，这时闭环控制达到平衡。累加器的输出结果作为阶梯波的阶梯高度信号，并通过另一个由数字累加器构成的数字阶梯波信号发生器，产生阶梯波数字信号。该累加器采用自动丢失高位数据的方式，来实现阶梯波的复位，产生一个周期性变化的数字阶梯波。数字阶梯波经过D/A转换器生成模拟阶梯波信号，去驱动MIOC。当减法器的输出为零时，表明数字闭环控制已经达到平衡，这时阶梯波的阶梯高度值也就不会改变了，而当减法器的输出不为零时，表明数字闭环还没有达到平衡，应改变阶梯波的阶梯高度，抵消未被抵消的相移。

上述数字闭环光纤陀螺的电路方案能够保证陀螺电路上的高性能。在此电路原理基础上，电路板PCB外形及其装配方案如图9所示，由于陀螺上层空间直径所限，信号处理板PCB采用双层设计，两层电路板PCB1和PCB2电路通过软板连接，软板可折叠实现PCB1、PCB2上下对齐安装在陀螺上层的空间中。

本发明的有益效果：嵌入式微小型单轴光纤陀螺在采用方波调制、阶梯波反馈的数字闭环方案是目前国际、国内光纤陀螺普遍采用的方案，克服了模拟电路温漂严重及电子交叉耦合严重的缺点，且数字电路采用FPGA进行数据处理，是目前伺服控制用光纤陀螺的主流方案。陀螺整体布局采用清晰的三层结构设计，实现了陀螺光路部分和电路部分的分离。尤其整体有近三分之一的结构部分在安装是沉在安装设备的结构体中，使得整体设备整体空间得到极大的利用，同时沉入的陀螺部分极大的有利于陀螺的散热。该发明实现了陀螺尺寸52mm×52mm×39mm，整机重量约为171g的小体积、小重量标准下的陀螺高性能，陀螺性能实现了零偏稳定性≤0.5°/h、角度随机游走系数≤0.05°/h^1/2、标度因数非线性度≤200ppm。

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)

1.一种嵌入式微小型单轴光纤陀螺，其特征在于，该光纤陀螺包括圆柱体的外壳和骨架，骨架设置在外壳内部，且外壳内部结构分为三层结构；三层结构包括上层的信号处理板装配层，中层的光学器件装配层，以及下层的光源部分；光学器件装配层包括集成Y波导、耦合器、探测器和光纤环圈；光源部分包括超辐射发光光源和光源驱动板；其中：

环形环圈以四极对称绕法紧密绕制于骨架上；超辐射发光光源的输出端光纤穿过骨架，与位于中层的耦合器相连；超辐射发光光源的光波信号接入耦合器中，耦合器的输出端与集成Y波导的单端输入相连，集成Y波导的双端输出与光纤环圈的两条输入端对轴连接；光波信号通过光纤环圈后发生干涉，干涉返回的光波信号经过耦合器后进入探测器；探测器的信号引脚穿过光学器件装配层与信号处理板装配层中的信号处理板相连；信号处理板上设置有陀螺数字闭环控制电路，陀螺数字闭环控制电路用于对探测器的输出信号进行检测。

2.根据权利要求1所述的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，其特征在于，骨架上设置有U型槽，光纤环圈的尾纤穿过U型槽与集成Y波导相连。

3.根据权利要求1所述的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，其特征在于，骨架上设置有斜口槽，超辐射发光光源的输出端光纤穿过骨架上的斜口槽与耦合器相连。

4.根据权利要求1所述的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，其特征在于，光源驱动板通过精密恒流源提供超辐射发光光源的管芯的恒定注入电流，同时用致冷电路对超辐射发光光源的管芯进行温控，并通过精密参考源、场效应管、精密电阻实现超辐射发光光源的恒流驱动。

5.根据权利要求1所述的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，其特征在于，外壳底部预先挖出一个圆柱形凹槽，下层的光源部分沉入安装在该圆柱形凹槽内部。

6.根据权利要求1所述的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，其特征在于，信号处理板采用双层设计，包括第一PCB电路板和第二PCB电路板，两层电路板的电路通过软板连接，软板可折叠，实现第一PCB电路板和第二PCB电路板上下对齐安装在上层的空间中。

7.根据权利要求1所述的嵌入式微小型单轴光纤陀螺，其特征在于，陀螺数字闭环控制电路包括A/D转换器、第一锁存器、第二锁存器、减法器和阶梯高累加器；由A/D转换器在偏置方波的正、负半周分别对输出信号进行采样，并将采样结果分别存入第一锁存器和第二锁存器中，利用减法器将采样结果进行相减，将相减的结果送入阶梯高累加器中进行累加；累加器不清零，其累加过程在一直进行，只有当减法器的输出为零时，累加器输出才不再变化，这时闭环控制达到平衡。