CN111964661A - 一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构 - Google Patents

Abstract

一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，包括壳体、正交光纤环组件、光源驱动组件、正交光路组件、电源组件、系统电路组件、棱镜、上盖和侧盖；正交光纤环组件分别安装在壳体的X、Y、Z轴三个方向的安装平台上，Z轴方向平台位于壳体内；正交光路组件分别安装在壳体的X、Y、Z轴三个方向的安装平台中心圆内，光源驱动组件安装在Z方向安装平台背面；系统电路组件安装在Z方向安装平台背面的支撑柱上，且位于上盖下方；上盖安装在壳体的顶部，棱镜安装在壳体的顶部，电源组件安装在壳体的底部，侧盖覆盖在壳体两侧的可视窗口上。本发明具有体积小、重量轻、散热良好、装配工艺性好等优点。

Description

一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构

技术领域

本发明涉及光纤陀螺组件结构，具体涉及一种用于姿态控制的三轴一体光纤陀螺组件结构布局。

背景技术

光纤陀螺组件是一种基于Sagnac效应的全固态惯性仪表，用来测量载体的角速率，在卫星姿态控制中必须保持工作良好，是姿态控制系统中关键组成单元。

姿态控制需要测量3个正交方向的角速率，考虑卫星系统空间载重的严格限制，三轴一体光纤陀螺组件结构紧凑、高度集成、体积小等明显优势。随着卫星的快速发展，对三轴一体光纤陀螺组件的重量和体积要求越来越严格；同时随着卫星的应用范围越来越广泛，其设备成本的要求也愈发严格。

现有姿态控制的三轴一体光纤陀螺组件，由于光学器件的温度敏感性，普遍将其中的高功率和高发热率的二次电源组件与光路组件、陀螺电路、光源驱动组件分离开；但这种设计的三轴一体光纤陀螺组件其体积和质量极限限制过多，不满足现在姿态控制系统的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术上的不足，提供一种兼具小型化、轻量化、模块化、装配工艺性强用于姿态控制的三轴一体光纤陀螺组件结构设计，本发明将电子箱体与三轴一体陀螺仪表一体化设计；本发明克服组件的其体积和质量极限的限制，合理运用空间将高功率和高发热率的电源组件与光路组件、陀螺电路、光源驱动组件分离开；本发明创新系统本体采用框架式结构，达到可视化安装的效果，并在关键部位加强处理。本发明在本体起四圈光纤路径导轨，保护光纤。本发明具有良好的散热设计，为发热量高的二次电源组件提供独立的工作区域，该工作区域位于组合底部。本发明的电源板采用铝基印制板，并置于组合底端，提高散热和力学性能直接与外界接触，散热路径短。本发明的电源模块与印制板连接采用导线连接，防止电源模块与印制板振型不同造成应力。本发明局部采用激光封焊，避免繁琐的螺钉连接，提高了结构的可靠性且实现轻量化。本发明电连接器的安装方式提出了可拆卸设计，组合拆卸调测时，电连接器无需解焊实现模块化。

本发明所采用的技术方案是：一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构：包括壳体、正交光纤环组件、光源驱动组件、正交光路组件、电源组件、系统电路组件、棱镜、上盖和侧盖；

正交光纤环组件分别安装在壳体的X、Y、Z轴三个方向的安装平台上，Z轴方向平台位于壳体内；正交光路组件分别安装在壳体的X、Y、Z轴三个方向的安装平台中心圆内，光源驱动组件安装在Z方向安装平台背面；系统电路组件安装在Z方向安装平台背面的支撑柱上，且位于上盖下方；上盖安装在壳体的顶部，棱镜安装在壳体的顶部，电源组件安装在壳体的底部，侧盖覆盖在壳体两侧的可视窗口上。

光纤环组件包含磁屏蔽罩、光纤环、磁屏蔽盖、陀螺盖板、陀螺电路；光纤环安装在磁屏蔽罩内腔中，磁屏蔽罩与磁屏蔽盖形成封闭空间；磁屏蔽罩最内侧的壁面上设置有上中两层安装凸台，中部凸台安装陀螺电路，上面凸台安装陀螺盖板。

磁屏蔽罩、磁屏蔽盖采用软磁材料铁镍合金。

光源驱动组件包含光源、MOS管、3×3耦合器、驱动电路、光纤；驱动电路通过MOS管接收电源组件的电流，光源通过驱动电路获取驱动电流；光源通过光纤与3×3耦合器连接，光源发出的光经3×3耦合器分散成三束光。

正交光路组件包含Y波导、2×2耦合器；从3×3耦合器分出的三条光纤分别与X、Y、Z轴三方向的Y波导的单端相连，Y波导光出口的光纤分成两束与对应方向的光纤环连接，陀螺电路通过2×2耦合器与Y波导相连；光源发出的光经3×3耦合器分散成3束光，分别进入X、Y、Z轴三方向的Y波导，通过Y波导上的相位调制器，实现相位偏置调制和相位反馈，从Y波导发出的光进入光纤环，从光纤环返回的光在Y波导发生干涉，干涉后的光通过2×2耦合器到达陀螺电路上的光电探测器，将光信号转换为电信号。

电源组件包含铝基印制板、底盖、MOS管、电源模块、滤波器；电源模块、滤波器通过导热硅脂分别倒放在底盖上，电源模块、滤波器上方安装铝基印制板；MOS管的发热面固定在底盖上。

系统电路组件包含电连接器支架、9针接插件、21针接插件、系统电路；9针接插件、21针接插件安装在电连接器支架内，分别通过柔性板及导线与系统电路连接，系统电路采集陀螺电路的电信号，通过21针接插件发动出去；9针接插件接通外部电源。

当光纤陀螺结构与外部平台安装时，外部平台与底盖之间的缝隙中填充导热硅脂。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明采用了将电子箱体与三轴一体陀螺仪表一体化设计，突破现有三轴一体陀螺仪表和电子箱体分体式小型化、轻量化的极限，并有更好的抗力学性；本发明提出了三轴一体陀螺仪表采用激光封焊技术，避免繁琐的螺钉连接，提高了陀螺结构的可靠性，且实现轻量化，具有更高的磁屏蔽性能。组合本体采用框架式结构，达到可视化安装与检验的效果，并在关键部位加强处理。电源采用铝基印制板，并置于组合底端，提高散热和力学性能。电源模块与印制板连接采用导线连接，防止电源模块与印制板振型不同，造成应力。电连接器的安装方式提出了可拆卸设计，组合拆卸调测时，电连接器无需解焊。

附图说明

图1为本发明三轴一体光纤陀螺结构的示意图；

图2为本发明三轴一体光纤陀螺结构的剖面示意图；

图3为本发明中系统本体结构示意图；

图4为本发明中光纤环组件安装关系图；

图5为本发明中光源驱动组件、光路组件及系统本体安装关系图；

图6为本发明中电源组件安装关系图；

图7为本发明中系统电路组件安装关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述：

如图1所示为本发明三轴一体光纤陀螺结构的构成示意图，由图可知光纤陀螺仪结构主要包括1个壳体1、3个正交光纤环组件2、1个光源驱动组件3、3个正交光路组件4、1个电源组件5、1个系统电路组件6、1个棱镜7、1个上盖8和2个侧盖9。

如图2为本发明三轴一体光纤陀螺组件的剖面示意图；3个正交光纤环组件2分别安装在壳体1的X、Y、Z轴三个方向的安装平台上，Z轴方向平台位于壳体1内；3个正交光路组件4分别安装在壳体1的X、Y、Z轴三个方向的安装平台中心圆内；电源组件5安装在壳体1的底部；光源驱动组件3安装在壳体1内且位于Z方向安装平台背面；系统电路组件6安装在壳体1内Z方向安装平台背面的四根支撑柱上且位于上盖8下方，上盖8安装在壳体1的顶部；棱镜7安装在壳体1的顶部凸出的一个台阶上；侧盖9覆盖在壳体1两侧的可视窗口上。通过以上布局实现壳体1大小与光纤环组件2的直径相差无几，整机装配后实现长宽高与光纤环直径比分别是1.37：1、1.37：1、1.18：1，实现整机小型化。

如图3为本发明中壳体1结构示意图，其中，壳体1为支撑各部组件的主体结构，为立方框架式结构，由12根支撑柱连接的结构形式；在腰部、及相邻两个侧面有加强筋连接的平面，分别为3个正交光纤环组件2、1个光源驱动组件3、3个正交光路组件4提供安装平台；腰部支撑板上表面为光源驱动组件3安装平台，腰部支撑板下表面为Z方向安装平台，与腰部支撑板相邻的两个垂直平面分别为X方向安装平台、Y方向安装平台；在腰部支撑板上表面有通往X、Y、Z三个平台的轨道槽，这三个平面中部有一圈护墙10，护墙10是为合理的利用拐角位置用作光纤导轨，也是避免光纤环组件2与光纤35干涉，起到保护光纤35与装配定位光纤环组件2的作用；护墙10把该平面分为护墙内外平台，护墙外平台提供高精度平面安装光纤环组件2，内护墙平台给陀螺电路25、光纤35、Y波导41、2×2耦合器42提供安装平台，节省空间；壳体1从腰部由支撑板分为上端与底端两个空腔，腰部支撑板上表面设置安装光源驱动组件3的凸台，发热器件直接与壳体1接触散热；再往上是为了安装系统电路组件6的四根支撑柱；壳体1最顶端安装遮挡作用的上盖8；腰部支撑板下表面安装Z方向的光纤环组件2、正交光路组件4，再往下是为了安装电源组件5开的槽，这样可以使两者大面积接触散热，并且在光纤陀螺安装平台与电源组件5底部有小于0.1mm导热硅脂填充缝隙，使电源组件5与安装面更有效的接触散热；壳体1顶端有一凸起位置用于装棱镜7；壳体1两侧观察窗位置在安装其他部件是留用观察内部导线状况，无误后安装2个侧盖9；壳体1充分合理利用结构空间，使用铝合金主体结构件且只占组合总重的五分之一的情况下，保证足够的结构固有频率，抗力学性好。

如图4，本发明中光纤环组件2安装关系图，其中光纤环组件2包含磁屏蔽罩21、光纤环22、磁屏蔽盖23、陀螺盖板24、陀螺电路25；磁屏蔽罩21、磁屏蔽盖23采用软磁材料铁镍合金(1J85)；光纤环22通过胶黏剂安装在磁屏蔽罩21内腔底端均匀分布的6个凸台上，粘牢后磁屏蔽罩21与磁屏蔽盖23采用激光封焊，使其中形成一个封闭空间，屏蔽来自外部的磁场，减少螺钉安装，既增强结构强度，又减少电子设备的接触热阻，便于散热；待激光封焊后三个光纤环组件2分别安装在壳体1的X、Y、Z方向三个护墙外平台上；光纤环22的光纤分成两束沿磁屏蔽罩21内墙的导轨路径，到达壳体1的X、Y、Z方向三个护墙内平台上；磁屏蔽罩21最内侧的壁面上设置有上中2层安装凸台，中部凸台安装陀螺电路25，上面凸台安装陀螺盖板24，避免多余物进入。陀螺盖板24带有防插错设计，便于安装。

如图5，为本发明中光源驱动组件3、正交光路组件4及壳体1安装关系图，其中光源驱动组件3包含光源31、MOS管32、3×3耦合器33、驱动电路34、光纤35；正交光路组件4包含Y波导41、2×2耦合器42；壳体1腰部平台的中间位置用螺钉紧凑安装光源31、MOS管32、驱动电路34，其相互连接采用柔性电路板连接图5的主视图，相比导线而言，柔性电路板的导体界面薄而扁平，空间可节省约60％，相同载流量下重量可减轻约70％；驱动电路34通过与MOS管32连接的柔性线将从电源组件5来的电流分给驱动电路34，光源31通过与驱动电路34的柔性线连接获取驱动电流；壳体1腰部平台的四周位置用胶黏剂将3×3耦合器33与从光源31出来的光纤固定在平台上；光的路径是由光源31发出的光经3×3耦合器33分散成3束光进入光纤，3束光纤分别通过壳体1腰部平台上轨道槽进入壳体1的X、Y、Z轴三个位置的安装平台保护墙上如图4后视图，顺着保护墙内沿到Y波导41的单端，再从Y波导41分成两束光纤从Y波导41双端进入与之相连的光纤环22，通过Y波导41上的相位调制器，实现相位偏置调制和相位反馈，从光纤环22返回的光在Y波导41发生干涉，干涉后的光通过2×2耦合器42到达陀螺电路25上的光电探测器，将光信号转换为电信号到陀螺电路25进行处理。

如图6，为本发明中电源组件5安装关系图，其中电源组件5包含铝基印制板51、底盖52、MOS管53、电源模块54、滤波器55；铝基印制板51是一种独特的金属覆铜板，具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能；底盖52上起有6个凸台2高4矮，将电源模块54、滤波器55通过导热硅脂分别倒放在底盖52上，使其上表面封装完全接触底盖52；其模块上面再安装铝基印制板51组成的电源电路，更有效接触散热，其模块的插针穿过铝基印制板51上的孔，采用导线连接，防止模块与印制板振型不同对管腿造成应力；MOS管53通过沉头钉将其发热面固定在底盖52上的定位墙内。

如图7为本发明中系统电路组件6安装关系图，系统电路组件6包含电连接器支架61、9针接插件62、21针接插件63、系统电路64；将9针接插件62、21针接插件63分别通过柔性板及导线连接到系统电路64上，可以无解焊拆卸，因为其安装在电连接器支架61两个半封闭槽内。系统电路64采集陀螺电路25的电信号，通过21针接插件63发动出去；9针接插件62接通外部电源。

本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：包括壳体(1)、正交光纤环组件(2)、光源驱动组件(3)、正交光路组件(4)、电源组件(5)、系统电路组件(6)、棱镜(7)、上盖(8)和侧盖(9)；

正交光纤环组件(2)分别安装在壳体(1)的X、Y、Z轴三个方向的安装平台上，Z轴方向平台位于壳体(1)内；正交光路组件(4)分别安装在壳体(1)的X、Y、Z轴三个方向的安装平台中心圆内，光源驱动组件(3)安装在Z方向安装平台背面；系统电路组件(6)安装在Z方向安装平台背面的支撑柱上，且位于上盖(8)下方；上盖(8)安装在壳体(1)的顶部，棱镜(7)安装在壳体(1)的顶部，电源组件(5)安装在壳体(1)的底部，侧盖(9)覆盖在壳体(1)两侧的可视窗口上。

2.根据权利要求1所述的一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：光纤环组件(2)包含磁屏蔽罩(21)、光纤环(22)、磁屏蔽盖(23)、陀螺盖板(24)、陀螺电路(25)；光纤环(22)安装在磁屏蔽罩(21)内腔中，磁屏蔽罩(21)与磁屏蔽盖(23)形成封闭空间；磁屏蔽罩(21)最内侧的壁面上设置有上中两层安装凸台，中部凸台安装陀螺电路(25)，上面凸台安装陀螺盖板(24)。

3.根据权利要求2所述的一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：磁屏蔽罩(21)、磁屏蔽盖(23)采用软磁材料铁镍合金。

4.根据权利要求2或3所述的一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：光源驱动组件(3)包含光源(31)、MOS管(32)、3×3耦合器(33)、驱动电路(34)、光纤(35)；驱动电路(34)通过MOS管(32)接收电源组件(5)的电流，光源(31)通过驱动电路(34)获取驱动电流；光源(31)通过光纤(35)与3×3耦合器(33)连接，光源(31)发出的光经3×3耦合器(33)分散成三束光。

5.根据权利要求4所述的一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：正交光路组件(4)包含Y波导(41)、2×2耦合器(42)；从3×3耦合器(33)分出的三条光纤分别与X、Y、Z轴三方向的Y波导(41)的单端相连，Y波导(41)光出口的光纤分成两束与对应方向的光纤环(22)连接，陀螺电路(25)通过2×2耦合器(42)与Y波导(41)相连；光源(31)发出的光经3×3耦合器(33)分散成3束光，分别进入X、Y、Z轴三方向的Y波导(41)，通过Y波导(41)上的相位调制器，实现相位偏置调制和相位反馈，从Y波导(41)发出的光进入光纤环(22)，从光纤环(22)返回的光在Y波导(41)发生干涉，干涉后的光通过2×2耦合器(42)到达陀螺电路(25)上的光电探测器，将光信号转换为电信号。

6.根据权利要求5所述的一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：电源组件(5)包含铝基印制板(51)、底盖(52)、MOS管(53)、电源模块(54)、滤波器(55)；电源模块(54)、滤波器(55)通过导热硅脂分别倒放在底盖(52)上，电源模块(54)、滤波器(55)上方安装铝基印制板(51)；MOS管(53)的发热面固定在底盖(52)上。

7.根据权利要求6所述的一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：系统电路组件(6)包含电连接器支架(61)、9针接插件(62)、21针接插件(63)、系统电路(64)；9针接插件(62)、21针接插件(63)安装在电连接器支架(61)内，分别通过柔性板及导线与系统电路(64)连接，系统电路(64)采集陀螺电路(25)的电信号，通过21针接插件(63)发动出去；9针接插件(62)接通外部电源。

8.根据权利要求7所述的一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构，其特征在于：当光纤陀螺结构与外部平台安装时，外部平台与底盖(52)之间的缝隙中填充导热硅脂。

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