CN111044023B - 一种弹用大量程高过载金属筒形谐振陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弹用大量呈高过载筒形谐振陀螺仪，包含金属筒形谐振子，内同轴心固装有电容检测板支架，电容检测板支架上端固连有电容检测板；谐振子下方固连有电磁激励座，谐振子外部位于电磁激励座上方设有上部外壳；在电磁励座上设有激励头，激励头上部分与电磁励座烧结连接，激励头下部分为裸露部分，并缠绕有激励线圈；在上部外壳上烧结有多个接线柱；谐振子的侧壁采用阶梯型结构，由上下设置的谐振环和导振环两部分构成；电容检测板上溅射有沿圆周方向均布设置的8个电极，引线到上部外壳的接线柱上；电极内圈直径小于谐振环上端部内圈直径，电极外圈直径大于谐振环上端部外环直径。本发明提高了金属筒形谐振陀螺仪的量程和抗过载性能。

Description

一种弹用大量程高过载金属筒形谐振陀螺仪
技术领域
本发明属于陀螺仪技术领域，具体涉及一种弹用大量程高过载金属筒形谐振陀螺仪。
背景技术
现代战争对武器的精确打击能力提出了苛刻的要求，其中炮弹等传统打击武器的精确制导需求亦越来越迫切。由于炮弹的应用特点，要求用于角速度测量的陀螺仪必须成本低、抗过载能力强、量程大(过载能力要求的典型值为20000g冲击，量程达20转/s)、可靠性高，并且速率分辨率还必须尽量的高。
金属筒形谐振陀螺属于谐振陀螺仪中低成本的一类，近些年来发展迅猛，除了应用于宇航领域，在陆用、弹用等领域有较大的应用优势。对于该类谐振陀螺，采用的激励方式对陀螺仪的抗过载性能具有重要的影响，比如专利PCT/EP2011/068907中公开了压电陶瓷激励方案，通过有限元仿真分析容易知道压电陶瓷将是薄弱环节，将对陀螺仪的抗过载性能产生较强的制约；另外地，若采用静电激励也会面临金属谐振子Q值不高与静电激励效能低的问题。
如国外专利经典结构采用压电陶瓷方案，由于压电陶瓷属于脆性材料，造成抗冲击能力差；采用压电陶瓷结构通常采用力反馈控制方案，受制于电源电压限制和压电陶瓷的压电/ 逆压电(如d33)限制，量程不可能太高，通过降低振幅的方式又会对分辨率产生影响。为了提高量程，采用全角模式对压电陶瓷的一致性提出了极高的要求，对于压电陶瓷的极化，测试挑选提出了极大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可提高金属筒形谐振陀螺仪的量程和抗过载性能，使得金属筒形谐振陀螺仪能够满足制导炮弹等高过载领域姿态敏感测量的需求的弹用大量程高过载筒形谐振陀螺仪。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种弹用大量程高过载筒形谐振陀螺仪，其特征在于：
包含金属筒形谐振子，在谐振子内同轴心固定安装有电容检测板支架，在电容检测板支架的上端固定连接有电容检测板；在谐振子下方固定连接有电磁激励座，在谐振子的外部位于电磁激励座上方设置有上部外壳；上部外壳与电磁激励座材料相同，并与电磁激励座焊接连接；
在电磁激励座上设置有2、4、8或16个激励头，每个激励头由上下两部分构成，激励头的上部分与电磁激励座烧结连接，激励头的下部分为裸露部分，在裸露部分上缠绕有或套装有激励线圈；在电磁激励座的下部位于激励头裸露部分的外围设置有下部外壳，所述下部外壳与电磁激励座材料相同，通过粘接方式连接；
在上部外壳上烧结有4个接线柱，并设置有抽气孔或者抽气嘴；
谐振子的材料为弹性合金，谐振子的侧壁采用阶梯型结构，由上下设置的谐振环和导振环两部分构成；谐振环的上端部与电容检测板接触，且上端部的壁厚大于谐振环主体部分的壁厚，谐振环主体部分的壁厚大于导振环的壁厚；
电容检测板上溅射有沿圆周方向均布设置的8个电极，8个电极两两相连后引线到外壳的4个对应接线柱上；电极的内圈直径小于谐振环上端部的内圈直径，且电极的外圈直径大于谐振环上端部的外环直径。
而且的，谐振子通过设置在中心位置的第一螺钉安装固定在电磁激励座上，并通过第一螺钉与电容检测板支架固定连接。
而且的，电容检测板通过设置在中心位置的第二螺钉与电容检测板支架固定连接。
而且的，接线柱部位的烧结层采用玻璃或者陶瓷；激励头部位的烧结层采用玻璃或陶瓷。
而且的，所述激励头为分体粘接式结构，上部分采用软磁合金，下部分采用铁氧体。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明提出的电磁激励方案与金属谐振子的材质为弹性合金(铁镍基材料)具有匹配性，可以非接触激励，不影响振子Q值，同时激励效率高；同时，本发明把激磁线圈设计在表体外部，有效避免了激磁线圈整形灌胶或者漆包线外层漆皮对真空保持的不利影响。
2、采用电容检测用于谐振子的振幅和波幅位置的检测，可以获得较高的检测精度，与电磁激励配合，可以有效保证谐振子的Q值不受影响。
3、本发明利用电磁激励和电容检测替代压电陶瓷，可以极大提高抗过载性能。
4、本发明利用电磁激励，可以方便改变线圈匝数提高激励通道的一致性，便于采用全角模式控制方案，使得量程不再受限；甚至可以进一步电磁激励头数量及形状设计成类环形电极激励方案，提高全角模式控制精度。
附图说明
图1本发明提出的金属筒形谐振陀螺仪的结构示意图；
图2专利PCT/EP2011/068907给出的陀螺结构和谐振结构示意图；
图3本发明提出的金属筒形谐振陀螺仪的谐振子示意图；3a为平面图；3b为立体图；
图4本发明提出的金属筒形谐振陀螺仪的电磁激励座示意图；4a为平面俯视图，4b为局部侧剖图；
图5本发明提出的金属筒形谐振陀螺仪的电容基板示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
图1为本发明提出的金属筒形谐振陀螺仪的结构设计：结构包含金属筒形谐振子1，谐振子1通过第一螺钉5安装固定在电磁激励座8上；第一螺钉5在固定金属谐振子1的同时，还固定了电容检测板支架7；电容检测板2通过第二螺钉6固定在电容检测板支架7上；电磁激励座8上设置了2个、4个或者8个(也可以是16个)激励头3，激励头的磁场由激磁线圈4通电产生；上部外壳9与电磁激励座8材料相同，通过激光焊接在电磁激励座8上，上部外壳9上烧结有接线柱11，用于电容检测板上的电极引线，烧结层12通常为玻璃或者陶瓷，上部外壳9上还设计有抽气孔或者抽气嘴13，用于给陀螺仪抽真空后封装；下部外壳 10与电磁激励座8材料相同，通过粘接方式连接，用于电磁屏蔽。
图3为本发明设计的金属谐振子结构：谐振子的材料为弹性合金，可以是3J59、3J33、 3J53、3J71或者Alloy902(国外牌号)；谐振子结构是阶梯型结构，其中导振环壁厚为c；谐振环壁厚为b；谐振环的上端面与电容检测板配套形成检测电容，为了增大检测电容面积，谐振环的上端部壁厚a建议大于b，b大于c。谐振子各个设计参数，如直径
Figure GDA0003687458260000031
支柱直径
Figure GDA0003687458260000032
2，a～f等要跟据抗过载能力进行设计。对于过载能力要求20000g的指标，
Figure GDA0003687458260000033
的值推荐8mm～16mm。要求面1～面3有足够高的平行度，推荐＜0.005mm；为了便于加工，支柱的高度即面 1与面2距离，建议大于参数d约0.5mm～1mm即可。本发明的目的是给出一种陀螺仪结构设计方案，因此谐振参数的具体设计值在这里不明确给出。
图4为本发明提出的金属筒形谐振陀螺仪的电磁激励座示意图：激励座8材料推荐铁镍软磁合金1J79，也可以是1J80、1J80等材料；设计激励头3数量理论上最少数量是2个，2个激励头空间上45°角(2激励头中心与激励座8的中心点连线夹角)，为了保证对称性和激励力，推荐4个激励头，见图4的14、15两对激励头，当然，为了增加激励能力，也可以设置8个激励头；为了进行频率裂解控制也可以设置16个激励头；激励头3烧结在玻璃/陶瓷20内的部分推荐为软磁合金，如1J79,裸露在外的部分需要缠绕上或者套上激励线圈17, 线圈的匝数要根据激励效果计算确定，推荐400匝左右；本发明把激励线圈17设置在外部，便于对线圈进行灌胶整形，批量绕下线后再安装电磁激励座8上；激励头3被激励线圈17缠绕或套的部分18，可以设计成与16为一体柱子，也可以更换为更好的磁性材料(如铁氧体) 与16粘接成一体；电磁激励座8的结构中，对所有的激励头如14、15要形成包围结构，见图4的结构19，这样设计可以使得激励线圈通电形成的磁力线沿图4所示虚线方向，减少漏磁的不利影响。
图5本发明提出的金属筒形谐振陀螺仪的电容基板示意图：电容检测板2推荐为复合材料以保证耐冲击能力不低于谐振子1，并推荐玻璃或者陶瓷层经过改性后线胀系数与谐振子的线胀系数接近；电容检测板2上利用溅射上8个电极21，8个电极两两相连后引线到外壳 9的四个对应接线柱11上；电极的宽度应大于谐振子的尺寸b，即图5中Φ4大于图3的Φ1，图5中的Φ3小于图3中(Φ1-2a)，以保证谐振振动变形时，电极仍能够覆盖谐振子端面面 3；安装时保证电容电极与谐振子端面面3间隙一致，推荐间距0.1～0.3mm。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种弹用大量程高过载筒形谐振陀螺仪，其特征在于：
包含金属筒形谐振子，在谐振子内同轴心固定安装有电容检测板支架，在电容检测板支架的上端固定连接有电容检测板；在谐振子下方固定连接有电磁激励座，在谐振子的外部位于电磁激励座上方设置有上部外壳；上部外壳与电磁激励座材料相同，并与电磁激励座焊接连接；
在电磁激励座上设置有2、4、8或16个激励头，每个激励头由上下两部分构成，激励头的上部分与电磁激励座烧结连接，激励头的下部分为裸露部分，在裸露部分上缠绕有或套装有激励线圈；在电磁激励座的下部位于激励头裸露部分的外围设置有下部外壳，所述下部外壳与电磁激励座材料相同，通过粘接方式连接；
在上部外壳上烧结有4个接线柱，并设置有抽气孔或者抽气嘴；
谐振子的材料为弹性合金，谐振子的侧壁采用阶梯型结构，由上下设置的谐振环和导振环两部分构成；谐振环的上端部与电容检测板接触，且上端部的壁厚大于谐振环主体部分的壁厚，谐振环主体部分的壁厚大于导振环的壁厚；
电容检测板上溅射有沿圆周方向均布设置的8个电极，8个电极两两相连后引线到外壳的4个对应接线柱上；电极的内圈直径小于谐振环上端部的内圈直径，且电极的外圈直径大于谐振环上端部的外环直径。
2.根据权利要求1所述的弹用大量程高过载筒形谐振陀螺仪，其特征在于：谐振子通过设置在中心位置的第一螺钉安装固定在电磁激励座上，并通过第一螺钉与电容检测板支架固定连接。
3.根据权利要求1所述的弹用大量程高过载筒形谐振陀螺仪，其特征在于：电容检测板通过设置在中心位置的第二螺钉与电容检测板支架固定连接。
4.根据权利要求1所述的弹用大量程高过载筒形谐振陀螺仪，其特征在于：接线柱部位的烧结层采用玻璃或者陶瓷；激励头部位的烧结层采用玻璃或陶瓷。
5.根据权利要求1所述的弹用大量程高过载筒形谐振陀螺仪，其特征在于：所述激励头为分体粘接式结构，上部分采用软磁合金，下部分采用铁氧体。
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