CN111964661B - 一种高散热、轻小型的三轴一体光纤陀螺结构 - Google Patents
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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
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 (5)
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;
壳体(1)为立方框架式结构,在腰部及相邻两个侧面有加强筋连接的平面,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三个方向安装平台的轨道槽,X、Y、Z三个方向安装平台中部分别设置一圈护墙(10),护墙(10)将所在平面分为护墙内外平台,护墙外平台提供平面安装光纤环组件(2),护墙内平台用于安装光纤(35)、Y波导(41)、2×2耦合器(42);壳体(1)由腰部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,腰部支撑板上设置用于安装系统电路组件(6)的支撑柱;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),在光纤陀螺安装平台与电源组件(5)底部设置导热硅脂填充缝隙;
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)通过胶黏剂安装在磁屏蔽罩(21)内腔底端均匀分布的凸台上,磁屏蔽罩(21)与磁屏蔽盖(23)采用激光封焊形成封闭空间;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);
电源组件(5)包含铝基印制板(51)、底盖(52)、第一MOS管(53)、电源模块(54)、滤波器(55);铝基印制板(51)为金属覆铜板,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);电源模块(54)、滤波器(55)上方安装铝基印制板(51);第一MOS管(53)的发热面固定在底盖(52)上;电源模块的插针穿过铝基印制板(51)上的孔,采用导线连接;
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)两个半封闭槽内,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)发送出去;9针接插件(62)接通外部电源。
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:磁屏蔽罩(21)、磁屏蔽盖(23)采用软磁材料铁镍合金。
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:光源驱动组件(3)包含光源(31)、第二MOS管(32)、3×3耦合器(33)、驱动电路(34)、光纤(35);驱动电路(34)通过第二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。
4.根据权利要求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: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轴三个方向的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轴三个方向的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。
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: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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