CN111089575B - 一种微小型光纤陀螺封装结构 - Google Patents

一种微小型光纤陀螺封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微小型光纤陀螺封装结构，包括：光路结构、电路结构和机械结构；光路结构和电路结构采用胶粘剂Ⅰ灌封固定在机械结构上。本发明从光纤熔接点溶剂及保护、结构封装、大功率发热器件散热、光路、电路减振等方面设计，实现光纤陀螺仪小型化、高可靠封装；在保证光纤陀螺在高温、大量级振动冲击条件下的可靠性的同时实现了光纤陀螺的小型化。

Description

一种微小型光纤陀螺封装结构
技术领域
本发明属于光纤惯导技术领域，尤其涉及一种微小型光纤陀螺封装结构。
背景技术
光纤陀螺仪作为一种新型惯性仪表，由于其精度、功耗、质量等方面的优势，已广泛应用于导弹、飞机、舰船和车辆等领域。
随着光纤陀螺广泛应用，对小型化的光纤陀螺需求越来越高，同时还要求光纤陀螺在高温、振动、冲击等环境下的可靠性满足要求。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种微小型光纤陀螺封装结构，从光纤熔接点溶剂及保护、结构封装、大功率发热器件散热、光路、电路减振等方面设计，实现光纤陀螺仪小型化、高可靠封装；在保证光纤陀螺在高温、大量级振动冲击条件下的可靠性的同时实现了光纤陀螺的小型化。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种微小型光纤陀螺封装结构，包括：光路结构、电路结构和机械结构；光路结构和电路结构采用胶粘剂Ⅰ灌封固定在机械结构上。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，机械结构，包括：结构本体、上盖和下盖；上盖和下盖分别设置在结构本体的上方和下方，实现结构封装。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，光路结构，包括：光纤环、Y波导、耦合器、光源、光电探测器和连接尾纤；
光纤环、Y波导、耦合器、光源和光电探测器之间通过连接尾纤熔接连接；
光纤环、Y波导和耦合器设置在结构本体的下方；
光源和光电探测器设置在结构本体的上方；
光源输出光束，光束经耦合器传递至Y波导，Y波导将光束分成两束子光束，两束子光束分别进入光纤环的两个输入端，并沿光纤环光路返回至Y波导，然后经耦合器传递至光电探测器。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，电路结构，包括：A/D转换器、FPGA逻辑运算单元、D/A转换器和电路基板；
A/D转换器、FPGA逻辑运算单元和D/A转换器依次间隔设置在电路基板上，间隔处填充导热材料；
电路基板安装在结构本体上、位于光源上方；
A/D转换器将采集到的光电探测器输出的电压模拟信号发送给FPGA逻辑运算单元进行处理运算，将处理运算结果作为光纤陀螺的输出信号发送至D/A转换器，D/A转换器将输出信号转换为输出模拟信号后发送给Y波导。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，
光纤环采用胶粘剂Ⅱ与结构本体连接；
耦合器采用胶粘剂Ⅲ与结构本体连接；
连接尾纤采用胶粘剂Ⅳ与结构本体连接并全埋覆。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，
导热材料为：导热系数≥2.5W/m·℃，使用温度范围-50～80℃，体积电阻率≥1012Ω·cm，击穿电压强度≥10kV/mm，邵氏硬度≤30，杨氏模量≤0.5MP的有机基复合材料；
胶粘剂Ⅰ为：密度≤1.2g/cm3，发泡率≥2倍，导热系数≥0.8W/m·℃，体积电阻率≥1012Ω·cm，击穿电压强度≥5KV/mm，使用温度范围-55～150℃，≤75℃温度条件下成型≤30min的导热发泡胶；
胶粘剂Ⅱ为：硅橡胶、或丙烯酸胶；
胶粘剂Ⅲ为：硅橡胶、或丙烯酸胶、或环氧胶；
胶粘剂Ⅳ为：硅橡胶。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，连接尾纤采用：
外径80μm的包层+外径165μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤；或，
外径80μm的包层+外径135μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤；或，
外径60μm的包层+外径100μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，
连接尾纤熔接后熔接点强度≥7N，保偏光纤消光比≥30dB，保偏光纤损耗≤0.3dB，单模光纤损耗≤0.05dB。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，
连接尾纤熔接后剥除原涂覆层进行重新涂覆，重新涂覆的涂覆层的外径不大于195μm；
连接尾纤熔接点及熔接点涂覆部位可弯曲成≥20mm直径。
在上述微小型光纤陀螺封装结构中，上盖和下盖采用激光焊接方式与结构本体连接；焊缝的宽度为0.2mm-1.2mm，深度为0.2mm-1.5mm，深宽比不小于1，焊缝与光纤线环之间的距离不小于0.5mm。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种微小型光纤陀螺封装结构，在大功率发热器件与金属结构件之间填充高导热绝缘材料，避免了由于导热材料导热系数低使得器件表面温度过高，或导热材料绝缘能不好，影响电子器件安全，提高了光纤陀螺在高温环境下的可靠性。
(2)本发明公开了一种微小型光纤陀螺封装结构，采用灌封的方式对电路及光纤环进行固定，灌封胶具有低密度、良好的导热性能，快速成型，良好的绝缘性能。该灌封方式工艺性好，保证了光纤陀螺轻质以及光路、电路温度性能，实现了陀螺的抗振动、抗冲击性能。
(3)本发明公开了一种微小型光纤陀螺封装结构，光纤熔接采用高强熔接技术，实现了不同尺寸细径光纤高可靠、高性能熔接。熔接后采用涂覆方式对熔接点保护，利于实现光纤陀螺小型化，涂覆后器件连接尾纤采用全埋覆固定，提高了陀螺抗振动、抗冲击性能。
附图说明
图1是本发明实施例中一种微小型光纤陀螺封装结构的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该微小型光纤陀螺封装结构，包括：光路结构1、电路结构2和机械结构3；光路结构1和电路结构2采用胶粘剂Ⅰ42灌封固定在机械结构3上。
优选的，机械结构3具体可以包括：结构本体31、上盖32和下盖33。其中，上盖32和下盖33分别设置在结构本体31的上方和下方，实现结构封装。
优选的，光路结构1具体可以包括：光纤环11、Y波导12、耦合器13、光源14、光电探测器15和连接尾纤16。其中，光纤环11、Y波导12、耦合器13、光源14和光电探测器15之间通过连接尾纤16熔接连接；光纤环11、Y波导12和耦合器13设置在结构本体31的下方；光源14和光电探测器15设置在结构本体31的上方；光源14输出光束，光束经耦合器13传递至Y波导12，Y波导12将光束分成两束子光束，两束子光束分别进入光纤环11的两个输入端，并沿光纤环11光路返回至Y波导12，然后经耦合器13传递至光电探测器15。
优选的，电路结构2具体可以包括：A/D转换器21、FPGA逻辑运算单元22、D/A转换器23和电路基板24。其中，A/D转换器21、FPGA逻辑运算单元22和D/A转换器23依次间隔设置在电路基板24上，间隔处填充导热材料41；电路基板24安装在结构本体31上、位于光源14上方；A/D转换器21将采集到的光电探测器15输出的电压模拟信号发送给FPGA逻辑运算单元22进行处理运算，将处理运算结果作为光纤陀螺的输出信号发送至D/A转换器23，D/A转换器23将输出信号转换为输出模拟信号后发送给Y波导12。
在本发明的一优选实施例中，光纤环11采用胶粘剂Ⅱ43与结构本体31连接；耦合器13采用胶粘剂Ⅲ44与结构本体31连接；连接尾纤16采用胶粘剂Ⅳ45与结构本体31连接并全埋覆。
在本发明的一优选实施例中，导热材料41为：导热系数≥2.5W/m·℃，使用温度范围-50～80℃，体积电阻率≥1012Ω·cm，击穿电压强度≥10kV/mm，邵氏硬度≤30，杨氏模量≤0.5MP的有机基复合材料。胶粘剂Ⅰ42为：密度≤1.2g/cm3，发泡率≥2倍，导热系数≥0.8W/m·℃，体积电阻率≥1012Ω·cm，击穿电压强度≥5KV/mm，使用温度范围-55～150℃，≤75℃温度条件下成型≤30min的导热发泡胶。胶粘剂Ⅱ43为：硅橡胶、或丙烯酸胶。胶粘剂Ⅲ44为：硅橡胶、或丙烯酸胶、或环氧胶。胶粘剂Ⅳ45为：硅橡胶。
在本发明的一优选实施例中，连接尾纤16采用：外径80μm的包层+外径165μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤；或，外径80μm的包层+外径135μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤；或，外径60μm的包层+外径100μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤。
在本发明的一优选实施例中，连接尾纤16熔接后熔接点强度≥7N，保偏光纤消光比≥30dB，保偏光纤损耗≤0.3dB，单模光纤损耗≤0.05dB。
在本发明的一优选实施例中，连接尾纤16熔接后剥除原涂覆层进行重新涂覆，重新涂覆的涂覆层的外径不大于195μm。连接尾纤16熔接点及熔接点涂覆部位可弯曲成≥20mm直径。
在本发明的一优选实施例中，上盖32和下盖33采用激光焊接方式与结构本体31连接；焊缝的宽度为0.2mm-1.2mm，深度为0.2mm-1.5mm，深宽比不小于1，焊缝与光纤线环11之间的距离不小于0.5mm。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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的公知技术。

Claims (5)

1.一种微小型光纤陀螺封装结构，其特征在于，包括：光路结构(1)、电路结构(2)和机械结构(3)；
光路结构(1)和电路结构(2)采用胶粘剂Ⅰ(42)灌封固定在机械结构(3)上；
光路结构(1)，包括：光纤环(11)、Y波导(12)、耦合器(13)、光源(14)、光电探测器(15)和连接尾纤(16)；其中，光纤环(11)、Y波导(12)、耦合器(13)、光源(14)和光电探测器(15)之间通过连接尾纤(16)熔接连接；光纤环(11)、Y波导(12)和耦合器(13)设置在结构本体(31)的下方；光源(14)和光电探测器(15)设置在结构本体(31)的上方；光源(14)输出光束，光束经耦合器(13)传递至Y波导(12)，Y波导(12)将光束分成两束子光束，两束子光束分别进入光纤环(11)的两个输入端，并沿光纤环(11)光路返回至Y波导(12)，然后经耦合器(13)传递至光电探测器(15)；
电路结构(2)，包括：A/D转换器(21)、FPGA逻辑运算单元(22)、D/A转换器(23)和电路基板(24)；其中，A/D转换器(21)、FPGA逻辑运算单元(22)和D/A转换器(23)依次间隔设置在电路基板(24)上，间隔处填充导热材料(41)；电路基板(24)安装在结构本体(31)上、位于光源(14)上方；A/D转换器(21)将采集到的光电探测器(15)输出的电压模拟信号发送给FPGA逻辑运算单元(22)进行处理运算，将处理运算结果作为光纤陀螺的输出信号发送至D/A转换器(23)，D/A转换器(23)将输出信号转换为输出模拟信号后发送给Y波导(12)；
机械结构(3)，包括：结构本体(31)、上盖(32)和下盖(33)；上盖(32)和下盖(33)分别设置在结构本体(31)的上方和下方，实现结构封装；
光纤环(11)采用胶粘剂Ⅱ(43)与结构本体(31)连接；耦合器(13)采用胶粘剂Ⅲ(44)与结构本体(31)连接；连接尾纤(16)采用胶粘剂Ⅳ(45)与结构本体(31)连接并全埋覆；
其中，
导热材料(41)为：导热系数≥2.5W/m·℃，使用温度范围-50～80℃，体积电阻率≥1012Ω·cm，击穿电压强度≥10kV/mm，邵氏硬度≤30，杨氏模量≤0.5MP的有机基复合材料；
胶粘剂Ⅰ(42)为：密度≤1.2g/cm3，发泡率≥2倍，导热系数≥0.8W/m·℃，体积电阻率≥1012Ω·cm，击穿电压强度≥5KV/mm，使用温度范围-55～150℃，≤75℃温度条件下成型≤30min的导热发泡胶；
胶粘剂Ⅱ(43)为：硅橡胶、或丙烯酸胶；
胶粘剂Ⅲ(44)为：硅橡胶、或丙烯酸胶、或环氧胶；
胶粘剂Ⅳ(45)为：硅橡胶。
2.根据权利要求1所述的微小型光纤陀螺封装结构，其特征在于，连接尾纤(16)采用：
外径80μm的包层+外径165μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤；或，
外径80μm的包层+外径135μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤；或，
外径60μm的包层+外径100μm的涂覆层、模场直径为6μm的保偏光纤或者单模光纤。
3.根据权利要求2所述的微小型光纤陀螺封装结构，其特征在于，
连接尾纤(16)熔接后熔接点强度≥7N，保偏光纤消光比≥30dB，保偏光纤损耗≤0.3dB，单模光纤损耗≤0.05dB。
4.根据权利要求3所述的微小型光纤陀螺封装结构，其特征在于，
连接尾纤(16)熔接后剥除原涂覆层进行重新涂覆，重新涂覆的涂覆层的外径不大于195μm；
连接尾纤(16)熔接点及熔接点涂覆部位可弯曲成≥20mm直径。
5.根据权利要求1所述的微小型光纤陀螺封装结构，其特征在于，上盖(32)和下盖(33)采用激光焊接方式与结构本体(31)连接；焊缝的宽度为0.2mm-1.2mm，深度为0.2mm-1.5mm，深宽比不小于1，焊缝与光纤环(11)之间的距离不小于0.5mm。
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