CN111609845B - 一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪，包括碱金属气室基座、无磁电加热组件、磁场补偿组件、筒形光路支撑结构、磁屏蔽筒、支撑底座、消磁杆、主结构顶盖、屏蔽筒压紧结构和激光器。支撑底座为陀螺仪各器部件提供支撑和安装基准，消磁杆用于屏蔽筒和筒形光路支撑结构的导向和消磁，碱金属气室基座用于固定气室，主结构顶盖和屏蔽筒压紧结构用于结构的密封和磁屏蔽筒的固定。本发明置于屏蔽筒内部的筒形光路支撑结构解决了陀螺仪的小型化需求与减小磁屏蔽筒体积会增大磁噪声之间的矛盾，筒形光路支撑结构紧凑、对称，增强了陀螺仪的小型化、工程化前景，外层的磁屏蔽筒有效减小了磁噪声，有利于陀螺仪稳定性的提升。

Description

一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪，该陀螺仪置于屏蔽筒内部的筒形光路支撑结构解决了陀螺仪的小型化需求与减小磁屏蔽筒体积会增大磁噪声之间的矛盾，筒形光路支撑结构紧凑、对称，增强了陀螺仪的小型化、工程化前景，外层磁屏蔽筒有效减小了磁噪声，有利于陀螺仪稳定性的提升。

背景技术

基于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange-Relaxation-Free,SERF)原理的原子陀螺仪由于其具有远高于现有测量手段的理论精度，在量子传感领域和高精度惯性导航领域备受国内外相关研究机构的广泛关注。而无自旋交换弛豫原子陀螺仪的小型化、工程化潜力，对未来高精度、长航时惯性导航系统的发展具有重要意义。

目前研究的无自旋交换弛豫原子陀螺仪的光路系统均置于磁屏蔽系统外部，然而SERF态对敏感元件处低磁场和低磁噪声的性能要求导致磁屏蔽系统体积无法缩小，这就导致现有陀螺仪结构与陀螺仪的小型化、工程化需求的矛盾。此外，现有的SERF原子陀螺仪光路长，而不同光学器件的组件之间基准不统一，整个光路的不稳定性高，不易于装配和调试。且由于检测光路置于屏蔽筒外部，就导致屏蔽筒侧壁的气室敏感轴位置上必须开通光孔，减小了屏蔽筒在敏感轴上的屏蔽系数，恶化敏感元件处的磁环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有SERF原子陀螺仪结构的不足，提供一种将整个光路支撑结构一体化并置于磁屏蔽筒内部的结构，解决了陀螺仪的小型化、工程化需求与减小屏蔽筒体积会增大磁噪声之间的矛盾，一体化的筒形光路支撑结构紧凑、对称，增强了陀螺仪小型化、工程化前景，且较大体积的外层高导磁屏蔽筒进一步减小了陀螺仪的磁噪声。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪，包括碱金属气室基座，无磁电加热组件，磁场补偿组件，筒形光路支撑结构，磁屏蔽筒，支撑底座，消磁杆，主结构顶盖，屏蔽筒压紧结构和激光器；碱金属气室基座用于夹持作为陀螺仪敏感元件的玻璃气室，无磁电加热组件用于夹持碱金属气室基座，磁场补偿组件为无磁电加热组件提供安装基准，并通过无磁材料螺钉紧固，经过轴孔配合实现与筒形光路支撑结构的同轴定位；筒形光路支撑结构经过轴孔配合实现与支撑底座的同轴定位。消磁杆通过端部螺纹安装在支撑底座的对应螺纹孔上，磁屏蔽筒包含两层屏蔽筒，采用筒盖在内，筒体在外的结构设计，层与层之间通过支撑隔环实现配合定位，整体通过消磁杆实现与支撑底座的同轴定位，并利用主结构顶盖和屏蔽筒压紧结构进行固定与压紧；激光器通过螺钉固定在支撑底座上，发出激光进入磁屏蔽筒内部为陀螺仪提供所需光束；主结构顶盖和屏蔽筒压紧结构都通过螺钉安装在支撑底座上，三者共同构成整个陀螺仪结构的最外层封装，支撑底座位于陀螺仪最底部并为陀螺仪各部件提供安装基准。

进一步地，所述磁屏蔽筒采用高磁导率低噪声材料，从而屏蔽包括地磁场在内的环境磁场，陀螺仪除激光器以外的全部光路结构均置于磁屏蔽筒内部，并集成于筒形光路支撑结构上。

进一步地，所述筒形光路支撑结构材料为低导热率、低膨胀系数且无磁的塑料，通过定位柱与支撑底座进行轴孔配合实现同轴定位，该结构置于磁屏蔽筒内部并利用支撑隔环与磁屏蔽筒相互配合；光束通过磁屏蔽筒筒盖上的通光孔进入磁屏蔽筒内部，并分别通过筒形光路支撑结构上安装的直角棱镜和反射镜反射进入气室。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明筒形光路支撑组件将陀螺仪除激光光源外的整个光路集成为一个一体化筒形结构并置于高导磁屏蔽筒内部，解决了陀螺仪的小型化、工程化需求与减小屏蔽筒体积会增大磁噪声之间的矛盾，筒形结构紧凑，对称。

(2)本发明筒形光路组件的支撑结构所采用的无磁材料，具有质量轻、导热率低、热膨胀系数与光学器件接近的优点，减小由温度和重力导致的光学系统的形变，光路稳定性高。

(3)本发明外层高导磁屏蔽筒组件体积大，中心处的涡流损耗噪声小，剩磁梯度小。径向不需要开通光孔，敏感轴剩磁与磁场梯度低。

(4)本发明体积小、结构对称、集成度高、易于装配，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪结构简图；

图2为本发明的支撑底座的轴侧视图和后视图，其中，图2(a)为轴侧视图，图2(b)为后视图；

图3为本发明的磁屏蔽筒的轴向剖面图和前视图，其中，图3(a)为轴向剖面图，图3(b)为前视图；

图4为本发明的筒形光路支撑结构的后视图、轴侧视图和轴向剖面图，其中，图4(a)为后视图，图4(b)为轴侧视图，图4(c)为轴向剖面图；

图中附图标记含义为：1为碱金属气室基座，2为无磁电加热组件，3为磁场补偿组件，4为筒形光路支撑结构，5为磁屏蔽筒，6为支撑底座，7为消磁杆，8为主结构顶盖，9为屏蔽筒压紧结构，10为激光器，101为第一螺纹孔，102为第二螺纹孔，103为第一通光孔，104为第二通光孔，105为第三螺纹孔，106为第四螺纹孔，107为第一定位孔，108为第二定位孔，109为第五螺纹孔，201为支撑盖一，202为支撑盖二，203为屏蔽筒隔环一，204为屏蔽筒隔环二，205为第三通光孔，206为第四通光孔，207为第三定位孔，301为第六螺纹孔，302为第五通光孔，303为第六通光孔，304为第七螺纹孔，305为第八螺纹孔，306为第七通光孔，307为第九螺纹孔，308为第十螺纹孔，309为第八通光孔，310为第十一螺纹孔，311为第九通光孔，312为第十通光孔，313为第四定位孔，314为筒形光路支撑结构的定位柱。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出一种光路一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪，包括碱金属气室基座1，无磁电加热组件2，磁场补偿组件3，筒形光路支撑结构4，磁屏蔽筒5，支撑底座6，消磁杆7，主结构顶盖8，屏蔽筒压紧结构9和激光器10；碱金属气室基座1用于夹持作为陀螺仪敏感元件的玻璃气室，无磁电加热组件2用于夹持碱金属气室基座，磁场补偿组件3为无磁电加热组件2提供安装基准，并通过无磁材料螺钉紧固，经过轴孔配合实现与筒形光路支撑结构4的同轴定位；筒形光路支撑结构4经过轴孔配合实现与支撑底座的同轴定位。消磁杆7通过端部螺纹安装在支撑底座的对应螺纹孔上，磁屏蔽筒5包含两层屏蔽筒，采用筒盖在内，筒体在外的结构设计，层与层之间通过支撑隔环实现配合定位，整体通过消磁杆7实现与支撑底座6的同轴定位，并利用主结构顶盖8和屏蔽筒压紧结构9进行固定与压紧；主结构顶盖8和屏蔽筒压紧结构9都通过螺钉安装在支撑底座6上，三者共同构成整个陀螺仪结构的最外层封装，支撑底座6位于陀螺仪最底部并为陀螺仪各部件提供安装基准。

图2为本发明的支撑底座6的轴侧视图和后视图，其中图2(a)为轴侧视图，其中，图2(b)为后视图。支撑底座6为陀螺仪所有部件提供安装基准，其中，第一螺纹孔101用于定位并紧固抽运激光器，第二螺纹孔102用于定位并紧固检测激光器，第三螺纹孔105用于定位并紧固饱和吸收稳频组件，抽运光束和检测光束分别通过第一通光孔103和第二通光孔104打入陀螺仪内部。第四螺纹孔106用于定位并紧固主结构顶盖8，第五螺纹孔109用于固定并紧固屏蔽筒压紧结构9，主结构顶盖8、屏蔽筒压紧结构9和支撑底座6共同构成整个陀螺仪结构的外壳。两根消磁杆通过第二定位孔108定位，筒形光路支撑结构4通过第一定位孔107与支撑底座6实现同轴定位，并通过第六螺纹孔301利用螺钉紧固。

图3为本发明的磁屏蔽筒5的轴向剖面图和前视图，其中，图3(a)为轴向剖面图，图3(b)为前视图。磁屏蔽筒5为两层磁屏蔽结构，采用高磁导率低噪声的屏蔽材料用以屏蔽包括地磁场在内的环境磁场，为敏感元件提供近零磁环境。利用光路筒形支撑的定位柱314通过第三定位孔207进行定位，屏蔽筒盖之间通过支撑盖一201和支撑盖二202实现配合定位，屏蔽筒身通过屏蔽筒隔环一203和屏蔽筒隔环二204实现配合定位，屏蔽筒盖与筒身之间利用屏蔽筒压紧结构9进行压紧。第三通光孔205为抽运光通光孔，第四通光孔206为检测光通光孔。

图4为本发明的筒形光路支撑结构4的后视图、轴侧视图和轴向剖面图，其中，图4(a)为后视图，图4(b)为轴侧视图，图4(c)为轴向剖面图。筒形光路支撑结构4为陀螺仪的光路上的全部光学器件提供定位基准，由定位柱314定位于支撑底座6的第一定位孔107上，并利用第六螺纹孔301进行紧固。抽运光经由第五通光孔302射入，通过由第九螺纹孔307定位和紧固的抽运扩束稳光强组件，经由第十螺纹孔308定位和紧固的直角棱镜的反射，穿过第八通光孔309，再由第十一螺纹孔定位和紧固的反射镜反射，最终经由第九通光孔311进入气室。检测光经由第六通光孔303射入，通过由第七螺纹孔304定位和紧固的检测稳光强组件，经由第八螺纹孔305定位和紧固的反射镜反射，穿过第七通光孔306进入气室，并从第十通光孔312射出由光电探测器接收。

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公知的现有技术：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，进行的任何替换和改进都是允许的，也在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪，其特征在于：包括碱金属气室基座(1)，无磁电加热组件(2)，磁场补偿组件(3)，筒形光路支撑结构(4)，磁屏蔽筒(5)，支撑底座(6)，消磁杆(7)，主结构顶盖(8)，屏蔽筒压紧结构(9)和激光器(10)；碱金属气室基座(1)用于夹持作为陀螺仪敏感元件的玻璃气室，无磁电加热组件(2)用于夹持碱金属气室基座，磁场补偿组件(3)为无磁电加热组件(2)提供安装基准，并通过无磁材料螺钉紧固，经过轴孔配合实现与筒形光路支撑结构(4)的同轴定位；筒形光路支撑结构(4)经过轴孔配合实现与支撑底座的同轴定位，消磁杆(7)通过端部螺纹安装在支撑底座的对应螺纹孔上，磁屏蔽筒(5)包含两层屏蔽筒，采用筒盖在内，筒体在外的结构设计，层与层之间通过支撑隔环实现配合定位，整体通过消磁杆(7)实现与支撑底座(6)的同轴定位，并利用主结构顶盖(8)和屏蔽筒压紧结构(9)进行固定与压紧；激光器(10)通过螺钉固定在支撑底座(6)上，发出激光进入磁屏蔽筒(5)内部为陀螺仪提供所需光束；主结构顶盖(8)和屏蔽筒压紧结构(9)都通过螺钉安装在支撑底座(6)上，三者共同构成整个陀螺仪结构的最外层封装，支撑底座(6)位于陀螺仪最底部并为陀螺仪各部件提供安装基准。

2.根据权利要求1所述的一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪，其特征在于：所述磁屏蔽筒(5)采用高磁导率低噪声材料，从而屏蔽包括地磁场在内的环境磁场，陀螺仪除激光器(10)以外的全部光路结构均置于磁屏蔽筒(5)内部，并集成于筒形光路支撑结构(4)上。

3.根据权利要求1所述的一种一体式无自旋交换弛豫原子陀螺仪，其特征在于：所述筒形光路支撑结构(4)材料为低导热率、低膨胀系数且无磁的塑料，通过定位柱与支撑底座(6)进行轴孔配合实现同轴定位，该结构置于磁屏蔽筒(5)内部并利用支撑隔环与磁屏蔽筒(5)相互配合；光束通过磁屏蔽筒(5)筒盖上的通光孔进入磁屏蔽筒(5)内部，并分别通过筒形光路支撑结构(4)上安装的直角棱镜和反射镜反射进入气室。

Images