CN110954099B - 惯性测量单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性测量单元，包括：基座，其为铝碳化硅陶瓷材料制成的一体成型结构，并具有一容纳腔；三个加速度计，其设于所述容纳腔内，并空间正交安装于所述基座的内壁上；三个光纤陀螺，其空间正交安装在所述基座的外壁上。本发明结构简单、刚性好，有助于实现惯性测量单元的轻质小型化；并且本发明的温度稳定性好，可有效避免热应力引发的加速度计、光纤陀螺的安装误差变化量。

Description

惯性测量单元

技术领域

本发明涉及惯性测量组合的技术领域，具体涉及一种惯性测量单元。

背景技术

是惯性测量组合轻质小型化的关键，国内外对惯性测量单元的结构设计领域进行的研究主要集中在传统金属材料基体以及规则框架式结构减振。其中，国内外研究一般使用铝合金制作光纤陀螺的安装基体，但是由于铝合金刚度较差，为满足惯性测量单元的结的整体刚度以及振动性能要求，使用铝合金设计陀螺安装基体时需要保证较大厚度的安装基面或者足够数量的加强筋。高精度的光纤陀螺本身的尺寸以及铝合金的基体导致惯性测量单元的小型化难以有实质性突破。同时，使用常见的金属材料作为陀螺的安装基体，也难以避免局部热应力集中。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种惯性测量单元，其结构简单、刚性好，有助于实现惯性测量单元的轻质小型化；并且本发明的温度稳定性好，可有效避免热应力引发的加速度计、光纤陀螺的安装误差变化量。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种惯性测量单元，包括：

基座，其为铝碳化硅陶瓷材料制成的一体成型结构，并具有一容纳腔；

三个加速度计，其设于所述容纳腔内，并空间正交安装于所述基座的内壁上；

三个光纤陀螺，其空间正交安装在所述基座的外壁上。

在上述技术方案的基础上，所述铝碳化硅陶瓷材料的线膨胀系数的范围为8.9×10^-6(1/℃)～1.2×10^-5(1/℃)。

在上述技术方案的基础上，所述基座由三个相互垂直连接的安装壁组成，三个所述安装壁共同界定形成所述容纳腔。

在上述技术方案的基础上，所述安装壁呈等腰直角三角形，且所有所述安装壁的底面共面以形成所述基座的底面。

在上述技术方案的基础上，所述基座的顶部开设有一连通所述容纳腔的开口。

在上述技术方案的基础上，所述开口上安装有环形的第一走线台体于基座上。

在上述技术方案的基础上，所述安装壁的内壁上开设有一加速度计安装盲孔和多个加速度计安装小孔，所有所述加速度计安装小孔环设于所述加速度计安装盲孔外，且所述加速度计部分伸入所述加速度计安装盲孔中。

在上述技术方案的基础上，所述安装壁的外壁上设有多个环形分布的陀螺安装凸台，所述陀螺安装凸台上开设有多个陀螺安装小孔。

在上述技术方案的基础上，所述安装壁上的所有所述陀螺安装凸台的中心线和所述加速度计安装盲孔的中心线大致重合。

在上述技术方案的基础上，相邻两所述安装壁的底部设有一用于安装减振器的减振安装孔，且所述减振安装孔的安装面与所述加速度计的安装面的夹角成54.7°；或

所述减振安装孔的安装面与所述光纤陀螺的安装面的夹角成54.7°。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供一种惯性测量单元，其包括一体成型结构的基座以及安装在基座外的光纤陀螺、安装在基座内的加速度计，该基座由铝碳化硅陶瓷材料制成，其质量低于常规的同精度的惯性测量单元，且所述基座的比刚度强于铝合金基座，有利于惯性测量单元的轻质小型化；可见，本发明中的基座能够提高整体的刚度性能，且基座的整体刚度越好，基座的固有频率越高，则能够避开用于安装基座的安装结构的固有频率，那么，惯性测量单元不易与所述安装结构形成谐振，避免了光纤陀螺的输出值漂移、加速度计的输出值失真。同时，在本发明中，所述基座的温度稳定性好，可有效避免热应力引发的加速度计、光纤陀螺的安装误差变化量。

附图说明

图1为本发明实施例中惯性测量单元的立体示意图；

图2为本发明实施例中惯性测量单元在另一视角的立体示意图；

图3为本发明实施例中惯性测量单元的爆炸图；

图4为本发明实施例中惯性测量单元在另一视角的立体示意图；

图5为基座的立体示意图；

图6为第一走线台体的立体示意图；

图7为加速度计安装面的仿真热变形分析云图；

图8为光纤陀螺安装面的仿真热变形分析云图；

图9为三个加速度计安装小孔的的分布示意图；

图10为四个陀螺安装小孔的分布示意图；

图中：1、基座；10、容纳腔；11、安装壁；12、开口；13、加速度计安装盲孔；14、加速度计安装小孔；15、陀螺安装凸台；16、陀螺安装小孔；17、减振安装孔；2、加速度计；3、光纤陀螺；4、第一走线台体；5、加速度计安装垫片；6、第二走线台体。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例

参见图1～5所示，本发明实施例提供一种惯性测量单元，包括：

基座1，其为铝碳化硅陶瓷材料制成的一体成型结构，并具有一容纳腔10；

三个加速度计2，其设于所述容纳腔10内，并空间正交安装于所述基座1的内壁上；

三个光纤陀螺3，其空间正交安装在所述基座1的外壁上。

本发明实施例中，使用铝碳化硅AlSiC陶瓷材料制成一体成型的基座1，其整体的比刚度优于铝合金材料制成的基座，并结合所述基座1的自身特点，在所述基座1外安装三个空间正交的光纤陀螺3，在所述基座1内的容纳腔10中安装三个空间正交的加速度计2。本发明实施例中的光纤陀螺3的骨架的材料为1J50，加速度计2的外壳的材料为1Cr18Ni9Ti，其结构总重量低于同等精度的惯性测量单元。

优选地，所述铝碳化硅陶瓷材料的线膨胀系数的范围为8.9×10^-6(1/℃)～1.2×10^-5(1/℃)。

具体地，所述基座1由三个相互垂直连接的安装壁11组成，三个所述安装壁11共同界定形成所述容纳腔10。所述安装壁11呈等腰直角三角形，且所有所述安装壁11的底面共面以形成所述基座1的底面。

参见图6所示，更为具体地，所述基座1的顶部开设有一连通所述容纳腔10的开口12。所述开口12上安装有环形的第一走线台体4于基座1上。所述开口12能够提供一个走线通道，且所述第一走线台体4上设有弧度较大的走线槽，能够保障光纤的走线安装。

同样地，所述安装壁11的外壁上适配于所述光纤陀螺3的光线的第二走线台体6，所述第二走线台体6具有较大弧度的面。所述第一走线台体4、第二走线台体6的材料为2A12。

具体地，所述安装壁11的内壁上开设有一加速度计安装盲孔13和多个加速度计安装小孔14，所有所述加速度计安装小孔14环设于所述加速度计安装盲孔13外，且所述加速度计2部分伸入所述加速度计安装盲孔13中。且所述加速度计2上套设一加速度计安装垫片5安装在所述加速度计安装盲孔13中，所述加速度计安装垫片5的材料为可加工陶瓷TSG。

更为具体地，所述安装壁11的外壁上设有多个环形分布的陀螺安装凸台15，所述陀螺安装凸台15上开设有多个陀螺安装小孔16。

进一步地，所述安装壁11上的所有所述陀螺安装凸台15的中心线和所述加速度计安装盲孔13的中心线大致重合。

作为本发明实施例的一种优选方案，相邻两所述安装壁11的底部设有一用于安装减振器的减振安装孔17，且所述减振安装孔17的安装面与所述加速度计2的安装面的夹角成54.7°；或所述减振安装孔17的安装面与所述光纤陀螺3的安装面的夹角成54.7°。在本发明实施例中，所述惯性测量单元采用三点减振动，且减振平面与光纤陀螺3的安装面或加速度计2的安装面成54.7°的夹角，即所述减振平面平行于所述基座1的底面，且无需再行设置其他的结构，集成于所述基座1上，减小惯性测量单元在需要减振设计时的尺寸。

本发明实施例提供的惯性测量单元通过减振器安装在惯性测量组合的内部，或通过螺纹固接在单轴旋转调制平台上。

下面结合仿真数据对本发明实施例进一步解释。表1为本发明实施例提供的惯性测量单元中的主要材料的物理性能。

表1惯性测量单元中的主要材料的物理性能

使用上述材料制成的惯性测量单元的总质量为2.6kg，其远低于常规的惯性测量单元。

对本发明实施例提供的惯性测量单元进行振动模态分析以及高低温循环环境下的热变形分析。

首先，所述惯性测量单元的振动模态分析结果如表2。

表2惯性测量单元的振动模态分析结果

模态(阶)	1	2	3	4	5	6
							频率(Hz)	3058.2	3059.8	3075.3	3402.9	3406.7	3774.2

根据表2中的惯性测量单元的振动模态分析结果可知，本发明实施例提供的惯性测量单元的一阶频率为3058Hz，高于现有技术中的一种陀螺惯性测量单元的一阶频率2200Hz。可见，本发明实施例提供的惯性测量单元不易形成谐振，避免光纤陀螺的输出值漂移、加速度计的输出值失真。

其次，对本发明实施例提供的惯性测量单元进行-20℃～50℃的高低温循环条件下加速度计、光纤陀螺的安装面进行热变形分析。

在本发明实施例中，所述基座1的三个安装壁11上分别安装有所述加速度计2、光纤陀螺3的安装，其结构关于所述基座1的轴线对称，即三个加速度计安装面因热应力产生的安装误差变化量是一致的，三个光纤陀螺安装面因热应力产生的安装误差变化量也是一致的。参见图7和图8所示，图7为加速度计安装面的仿真热变形分析云图，图8为光纤陀螺安装面的仿真热变形分析云图，从图7、图8中各点变形量级范围通过所处色度初步判读，或使用ANSYS软件直接提取各点变形量的具体数值，且可从左侧标度盘中看出变形数据范围与色度的对应关系。

根据图7的加速度计安装面的仿真热变形分析云图，取加速度计安装面上的三个加速度计安装小孔作为分析点，分析点编号为分析点1、分析点2、分析点3，三个所述加速度计安装小孔的孔间距参见图9所示，三个分析点的变形量如表3所示。

表3分析点1、分析点2、分析点3的变形量

分析点编号	分析点1	分析点2	分析点3
				变形量(mm)	3.78e-3	3.76e-3	3.75e-3

根据表3中分析点1～3的变形量和相互之间的孔间距计算该加速度计安装面上的加速度计的安装误差变化量，即经过温度变化后的安装面与初始安装面之间的夹角，经计算该夹角为0.3角秒。

根据图8的光纤陀螺安装面的仿真热变形分析云图，取光纤陀螺安装面上的四个陀螺安装小孔作为分析点，分析点编号为分析点4、分析点5、分析点6、分析点7，四个陀螺安装小孔的孔间距参见图10所示，四个分析点的变形量如表4所示。

表4分析点4～分析点7的变形量

分析点编号	4	5	6	7
					变形量(mm)	9.38e-3	9.40e-3	9.55e-3	9.53e-3

根据表4中分析点4～7的变形量和相互之间的孔间距计算该光纤陀螺安装面上的光纤陀螺的安装误差变化量，即经过温度变化后的安装面与初始安装面之间的夹角，经计算该夹角为0.53角秒。

从表3和表4的计算结果可知，本发明实施例的温度稳定性很好，且能有效避免热应力引发的加速度计、光纤陀螺的安装误差。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本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 (4)

1.一种惯性测量单元，其特征在于，包括：

基座(1)，其为铝碳化硅陶瓷材料制成的一体成型结构，并具有一容纳腔(10)，所述铝碳化硅陶瓷材料的线膨胀系数的范围为8.9×10^-6(1/℃)～1.2×10^-5(1/℃)；

三个加速度计(2)，其设于所述容纳腔(10)内，并空间正交安装于所述基座(1)的内壁上，所述加速度计(2)的外壳的材料为1Cr18Ni9Ti；

三个光纤陀螺(3)，其空间正交安装在所述基座(1)的外壁上，所述光纤陀螺(3)的骨架的材料为1J50；

其中，所述基座(1)由三个相互垂直连接的安装壁(11)组成，三个所述安装壁(11)共同界定形成所述容纳腔(10)；

所述安装壁(11)呈等腰直角三角形，且所有所述安装壁(11)的底面共面以形成所述基座(1)的底面；

所述基座(1)的顶部开设有一连通所述容纳腔(10)的开口(12)；

所述开口(12)上安装有环形的第一走线台体(4)于基座(1)上；

所述安装壁(11)的外壁上适配于所述光纤陀螺(3)的光纤的第二走线台体(6)，所述第一走线台体(4)、第二走线台体(6)的材料为2A12；

相邻两所述安装壁(11)的底部设有一用于安装减振器的减振安装孔(17)，且所述减振安装孔(17)的安装面与所述加速度计(2)的安装面的夹角成54.7°；或

所述减振安装孔(17)的安装面与所述光纤陀螺(3)的安装面的夹角成54.7°。

2.如权利要求1所述的惯性测量单元，其特征在于，所述安装壁(11)的内壁上开设有一加速度计安装盲孔(13)和多个加速度计安装小孔(14)，所有所述加速度计安装小孔(14)环设于所述加速度计安装盲孔(13)外，且所述加速度计(2)部分伸入所述加速度计安装盲孔(13)中。

3.如权利要求2所述的惯性测量单元，其特征在于，所述安装壁(11)的外壁上设有多个环形分布的陀螺安装凸台(15)，所述陀螺安装凸台(15)上开设有多个陀螺安装小孔(16)。

4.如权利要求3所述的惯性测量单元，其特征在于，所述安装壁(11)上的所有所述陀螺安装凸台(15)的中心线和所述加速度计安装盲孔(13)的中心线大致重合。

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