CN113503868B - 一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，属于惯性测量技术领域；包括箱体、系统电路组件、仪表组件、上盖导电密封圈、第一密封接插件、第二密封接插件、电源组件和底盖导电密封圈；上盖导电密封圈设置在箱体的顶端开口处；仪表组件设置在箱体的内腔中；系统电路组件安装在箱体的顶端开口处；底盖导电密封圈安装在电源组件的顶端四周；电源组件与箱体的底端开口处对接；第一密封接插件和第二密封接插件设置在箱体的同一侧壁上；且第一密封接插件位于第二密封接插件的上方；本发明采用了五路惯性仪表、五路加速度计相互独立工作并冗余配置，合理运用空间，具有体积小、重量轻、散热良好、装配工艺性好等优点。

Description

一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构

技术领域

本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构。

背景技术

随着组合导航技术的发展，捷联惯组/惯导以其低成本和便于维护等优点，在导航领域发挥着愈来愈重要的作用，对惯性传感器精度和可靠性要求也日益提高。

光纤陀螺是一种利用光纤传感技术测量空间惯性转动的新型全固态传感器，具有高精度、高可靠性、长寿命等优点，且易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，因此在导航领域得以大量应用。

然而，现有光纤陀螺惯测模块多采用三轴设计方案，没有惯性仪表的冗余设计，其中任一个轴发生故障时均不能提供三轴相对于惯性空间的姿态。由于惯性仪表、二次电源的无冗余设计使系统中存在单点故障，为实现高可靠性，需要付出的代价相对于多轴冗余方案往往会高很多。另外，为满足高精度测量要求，光纤陀螺惯测模块功耗大、减振器散热性差、体积大、重量也相对较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，采用了五路惯性仪表、五路加速度计相互独立工作并冗余配置，合理运用空间，具有体积小、重量轻、散热良好、装配工艺性好等优点。

本发明解决技术的方案是：

一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，包括箱体、系统电路组件、仪表组件、上盖导电密封圈、第一密封接插件、第二密封接插件、电源组件和底盖导电密封圈；其中，箱体为中空方形壳体结构，且箱体的上下两端为开口结构；上盖导电密封圈设置在箱体的顶端开口处；仪表组件设置在箱体的内腔中；系统电路组件安装在箱体的顶端开口处；底盖导电密封圈安装在电源组件的顶端四周；电源组件与箱体的底端开口处对接；第一密封接插件和第二密封接插件设置在箱体的同一侧壁上；且第一密封接插件位于第二密封接插件的上方。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述电源组件安装在箱体下部，实现电源组件中的发热器件直接从底部接触散热。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述仪表组件设置在箱体的几何中心位置，实现减少杆臂效应；箱体对非承重部分进行了减重处理，实现降低整机重量。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述第一密封接插件与仪表组件中的信号线对接，第二密封接插件实现与电源组件中的电源线对接，实现避免信号线与电源线之间相互干扰；所述上盖导电密封圈和底盖导电密封圈实现增强密封性和电磁兼容性。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述系统电路组件包括上盖、5个IF电路、散热支架、中转集成电路、柔性板、紧固件和2个系统电路；其中，散热支架为水平放置的板状结构；散热支架上设置有散热孔；其中4个IF电路呈2×2矩阵形式水平安装在散热支架的上表面；另一个IF电路、中转集成电路和2个系统电路均水平安装在散热支架的下表面；IF电路、中转集成电路和系统电路之间通过柔性板互连；5个IF电路、中转集成电路和2个系统电路均紧固件固定安装在散热支架上；上盖水平设置在4个IF电路的顶部；上盖的底端与箱体顶端开口对接时，5个IF电路、散热支架、中转集成电路、柔性板、紧固件和2个系统电路伸入箱体的内腔中。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述5个IF电路与2个系统电路在电路板中加散热铜层；且5个IF电路与2个系统电路通过紧固件实现将热量快速传递到散热支架上。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述仪表组件包括5个加速度计、5个陀螺仪、系统本体、第一转接连接器、第二转接连接器、第三转接连接器和第四转接连接器；其中，5个加速度计与5个陀螺仪一一对应，组成5个仪表组；系统本体为空间四点减振结构；第一转接连接器和第二转接连接器安装在系统本体的顶端；第三转接连接器和第四转接连接器安装在系统本体的底端；5个仪表组安装在系统本体的侧壁上。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述5个仪表组的分布位置为：

建立测量坐标系OXYZ；其中，原点O位于上盖的上表面；X轴正方向竖直向上；Y轴正方向沿上盖所在平面垂直指向第一密封接插件和第二密封接插件所在箱体的侧壁；Z轴由右手定则确定；另设置OS轴和OT轴，其中，OS轴正向与X、Y、Z轴正向的夹角分别为127.0°、46.6°、66.0°；OT轴正向与X、Y、Z轴正向的夹角分别为46.5°、71.0°、49.6°；OX、OY、OZ、OS、OT轴的正向分别为5个仪表组的法线。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述IF电路与系统电路的输出端经中转集成电路进行集中处理后，由第一转接连接器和第二转接连接器连接至第一密封接插件；电源组件的输入端经第三转接连接器和第四转接连接器连接至第二密封接插件。

在上述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，所述电源组件包含紧固件、6个减振器组件、6个散热片、二次电源电路和底盖；其中，底盖水平放置；6个散热片呈2列对称安装在底盖的上表面；6个减振器组件与6个散热片一一对应，减振器组件安装在对应散热片的上表面；二次电源电路通过紧固件与6个减振器组件固连。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用五个测量轴冗余配置，在一度故障下仍能向整机提供导航所需的视加速度和角速度信息，降低了对单个测量轴的可靠性要求及成本；

(2)本发明克服组件的其体积和质量极限的限制，合理针对五轴特殊角度合理运用空间将体积和质量压缩到最低，并将高功率和高发热率的电源组件与仪表组件、电路组件分离开；

(3)本发明采用分区隔热方法，此法可以将对热敏感的部件远离热源；

(4)本发明采用分区走线方法，避免不同定义的线太近带来的干扰；本发明采用分区组装方法，中间使用转接接插件，拆卸无需解焊实现模块化；

(5)具有良好的导热设计，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；本发明克服橡胶减振器传热效率慢的难题，运用新型异性减振器并搭载散热片使用；

(6)本发明采用风扇加速散热，在组合内部设计风道，避免热量集中；使用方式灵活，既可搭配信号处理与接口电路形成惯性测量组合，也可用于制导、导航和姿控一体化组合，同时保证整机可满足大量级、长时间振动环境下的使用。

附图说明

图1为本发明光纤陀螺组合结构整体示意图；

图2为本发明光纤陀螺组合结构剖视图；

图3为本发明系统电路组件示意图；

图4为本发明仪表组件示意图；

图5为本发明测量坐标系示意图；

图6为本发明电源组件示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，采用了五路惯性仪表、五路加速度计相互独立工作并冗余配置，合理运用空间，具有体积小、重量轻、散热良好、装配工艺性好等优点。本发明采用正方形箱体，承载一个系统电路、一块电源、三个独立仪表，实现一箱多区段布局；各个分区的连接采用中转电连接器连接，便于每个分区独立装配，提高了装配效率；本发明采用十表一体结构设计，便于高精度仪表集中减振、隔热；针对五轴特殊角度合理运用空间将十表配置到最优位置，降低体积；在结构内部设计了风道并采用散热风扇组散热，便于将非接触的电路器件的热量加速传递到箱体；采用了改良的橡胶减振器，增加传热路径，改进了带有减振器的构型散热差的缺点；采用导电密封圈并设计止口改善电磁屏蔽。

五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，如图1、图2所示，具体包括箱体1、系统电路组件2、仪表组件3、上盖导电密封圈4、第一密封接插件5、第二密封接插件8、电源组件9和底盖导电密封圈10；其中，箱体1为中空方形壳体结构，且箱体1的上下两端为开口结构；上盖导电密封圈4设置在箱体1的顶端开口处；仪表组件3设置在箱体1的内腔中；系统电路组件2安装在箱体1的顶端开口处；底盖导电密封圈10安装在电源组件9的顶端四周；电源组件9与箱体1的底端开口处对接；第一密封接插件5和第二密封接插件8设置在箱体1的同一侧壁上；且第一密封接插件5位于第二密封接插件8的上方。

电源组件9安装在箱体1下部，实现电源组件9中的发热器件直接从底部接触散热。仪表组件3设置在箱体1的几何中心位置，实现减少杆臂效应；箱体1对非承重部分进行了减重处理，实现降低整机重量。第一密封接插件5与仪表组件3中的信号线对接，第二密封接插件8实现与电源组件9中的电源线对接，实现避免信号线与电源线之间相互干扰；所述上盖导电密封圈4和底盖导电密封圈10实现增强密封性和电磁兼容性。

箱体1设计成方形盒体，分为三个区域；系统电路组件2安装在箱体1上部；箱体1与系统电路组件2连接处设计了一圈凹槽，上端口凹槽内填充上盖导电密封圈4；电源组件9安装在箱体1下部，便于发热器件直接从底部接触散热；箱体1下部与电源组件9连接处做了止口设计，并添加了一圈凹槽，下端口凹槽内填充底盖导电密封圈10；仪表组件3安装在箱体1中部，在产品的几何中心位置减少杆臂效应；箱体1中部与仪表组件3连接处设计了4个安装孔，4个安装孔周围做了止口设计与密封凹槽设计，密封圈镶嵌在安装孔内的凹槽中，通过密封钉施加压力将仪表组件3固定在箱体1上；箱体1侧部中上端与中下端各设计了止口，分别对接X1密封接插件5、X2密封接插件8；箱体1对非承重部分进行减重处理，降低整机重量；两个接插件分区安装，分别为信号线和电源线，避免太近互相干扰；将上述箱内分为3个部分，使热敏感部件远离热源；上述安装密封增强了整机的密封性与电磁兼容性。

如图3所示，系统电路组件2包括上盖21、5个IF电路22、散热支架23、中转集成电路24、柔性板25、电路紧固件28和2个系统电路29；其中，散热支架23为水平放置的板状结构；散热支架23上设置有散热孔；其中4个IF电路22呈2×2矩阵形式水平安装在散热支架23的上表面；另一个IF电路22、中转集成电路24和2个系统电路29均水平安装在散热支架23的下表面；IF电路22、中转集成电路24和系统电路29之间通过柔性板25互连；5个IF电路22、中转集成电路24和2个系统电路29均电路紧固件28固定安装在散热支架23上；上盖21水平设置在4个IF电路22的顶部；上盖的底端与箱体1顶端开口对接时，5个IF电路22、散热支架23、中转集成电路24、柔性板25、电路紧固件28和2个系统电路29伸入箱体1的内腔中。

5个IF电路22与2个系统电路29在电路板中加散热铜层；且5个IF电路22与2个系统电路29通过电路紧固件28实现将热量快速传递到散热支架23上。并且与4个金属化安装孔相连，用电路紧固件28将其安装在散热支架23的安装凸台上，可以快速将其热量传递到散热支架23，避免热量堆积；便于拆卸更换；IF电路22、中转集成电路24与系统电路29之间连接采用柔性板25，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％。

用圆柱头紧固件28将散热支架23与减振器组件活动金属柱连接在一起，再通过沉头紧固件28将减振器组件底座安装在上盖21上；在减振器组件的活动金属柱与上盖21之间的空隙中，通过散热片与上盖21接触，增加其组件的传热通道；在上盖21与散热片接触面增加沉孔，通过沉头紧固件将其固定在上盖21，避免无束缚在装配过程中掉落形成多余物；散热片设计成三折叠状态，避免其多次挤压变形。

如图4所示，仪表组件3包括5个加速度计32、5个陀螺仪33、系统本体34、第一转接连接器35、第二转接连接器36、第三转接连接器37和第四转接连接器38；其中，5个加速度计32与5个陀螺仪33一一对应，组成5个仪表组；系统本体34为空间四点减振结构；第一转接连接器35和第二转接连接器36安装在系统本体34的顶端；第三转接连接器37和第四转接连接器38安装在系统本体34的底端；5个仪表组安装在系统本体34的侧壁上。此组件与电路分区，避免热源对热敏感部件的影响。

系统本体34对非承重部分进行减重处理，降低组件重量，使整个装置抗力学性能大大加强；结合特种角度要求将系统本体34设计成空间四点减振，在空间四点位置安装金属减振器，这种隔振模式不仅不会引起隔振系统振动耦合，而且还可以使角振动频率集中且远高于线振动频率。

如图5所示，5个仪表组的分布位置为：

建立测量坐标系OXYZ；其中，原点O位于上盖21的上表面；X轴正方向竖直向上；Y轴正方向沿上盖21所在平面垂直指向第一密封接插件5和第二密封接插件8所在箱体1的侧壁；Z轴由右手定则确定；另设置OS轴和OT轴，其中，OS轴正向与X、Y、Z轴正向的夹角分别为127.0°、46.6°、66.0°；OT轴正向与X、Y、Z轴正向的夹角分别为46.5°、71.0°、49.6°；OX、OY、OZ、OS、OT轴的正向分别为5个仪表组的法线。

IF电路22与系统电路29的输出端经中转集成电路24进行集中处理后，由第一转接连接器35和第二转接连接器36连接至第一密封接插件5；电源组件9的输入端经第三转接连接器37和第四转接连接器38连接至第二密封接插件8。便于拆卸更换。

如图6所示，电源组件9包含电源紧固件91、6个减振器组件92、6个散热片93、二次电源电路94和底盖96；其中，底盖96水平放置；6个散热片93呈2列对称安装在底盖96的上表面；6个减振器组件92与6个散热片93一一对应，减振器组件92安装在对应散热片93的上表面；二次电源电路94通过电源紧固件91与6个减振器组件92固连。

二次电源电路94通过圆柱头紧固件91与6个减振器组件92顶端活动金属柱连接在一起，使导热层与减振器组件92的金属柱完全接触上；再通过沉头紧固件91减振器组件92底座安装在底盖96上；减振器组件92活动金属柱与底盖96连接中部活动空隙中，减振器组件92的金属柱通过散热片93与底盖96连接，增加其组件的传热通道；在底盖96与散热片93接触面增加沉孔，通过沉头紧固件将其固定在底盖96，避免无束缚在装配过程中掉落形成多余物；散热片93设计成三折叠状态，避免其多次挤压变；

用紧固件91将风扇固定在底盖96上两个斜坡上，斜坡的位置在二次电源电路94模块与底盖96安装凸台中间所留的风道口位置，加速将电路上的热散到机箱上。

本发明提出一种高可靠性、高精度、轻小型、装配工艺性强用于姿态控制的五轴光纤陀螺组合结构设计；本发明采用五个测量轴冗余配置，在一度故障下仍能向整机提供导航所需的视加速度和角速度信息，降低了对单个测量轴的可靠性要求及成本；本发明克服组件的其体积和质量极限的限制，合理针对五轴特殊角度合理运用空间将体积和质量压缩到最低，并将高功率和高发热率的电源组件与仪表组件、电路组件分离开；本发明采用分区隔热方法，此法可以将对热敏感的部件远离热源；本发明采用分区走线方法，避免不同定义的线太近带来的干扰；本发明采用分区组装方法，中间使用转接接插件，拆卸无需解焊实现模块化；本发明具有良好的导热设计，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；本发明克服橡胶减振器传热效率慢的难题，运用新型异性减振器并搭载散热片使用；本发明采用风扇加速散热，在组合内部设计风道，避免热量集中；使用方式灵活，既可搭配信号处理与接口电路形成惯性测量组合，也可用于制导、导航和姿控一体化组合，同时保证整机可满足大量级、长时间振动环境下的使用。

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。

Claims (6)

1.一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，其特征在于：包括箱体(1)、系统电路组件(2)、仪表组件(3)、上盖导电密封圈(4)、第一密封接插件(5)、第二密封接插件(8)、电源组件(9)和底盖导电密封圈(10)；其中，箱体(1)为中空方形壳体结构，且箱体(1)的上下两端为开口结构；上盖导电密封圈(4)设置在箱体(1)的顶端开口处；仪表组件(3)设置在箱体(1)的内腔中；系统电路组件(2)安装在箱体(1)的顶端开口处；底盖导电密封圈(10)安装在电源组件(9)的顶端四周；电源组件(9)与箱体(1)的底端开口处对接；第一密封接插件(5)和第二密封接插件(8)设置在箱体(1)的同一侧壁上；且第一密封接插件(5)位于第二密封接插件(8)的上方；

所述电源组件(9)安装在箱体(1)下部，实现电源组件(9)中的发热器件直接从底部接触散热；

所述仪表组件(3)设置在箱体(1)的几何中心位置，实现减少杆臂效应；箱体(1)对非承重部分进行了减重处理，实现降低整机重量；

所述第一密封接插件(5)与仪表组件(3)中的信号线对接，第二密封接插件(8)实现与电源组件(9)中的电源线对接，实现避免信号线与电源线之间相互干扰；所述上盖导电密封圈(4)和底盖导电密封圈(10)实现增强密封性和电磁兼容性；

所述系统电路组件(2)包括上盖(21)、5个IF电路(22)、散热支架(23)、中转集成电路(24)、柔性板(25)、电路紧固件(28)和2个系统电路(29)；其中，散热支架(23)为水平放置的板状结构；散热支架(23)上设置有散热孔；其中4个IF电路(22)呈2×2矩阵形式水平安装在散热支架(23)的上表面；另一个IF电路(22)、中转集成电路(24)和2个系统电路(29)均水平安装在散热支架(23)的下表面；IF电路(22)、中转集成电路(24)和系统电路(29)之间通过柔性板(25)互连；5个IF电路(22)、中转集成电路(24)和2个系统电路(29)均通过电路紧固件(28)固定安装在散热支架(23)上；上盖(21)水平设置在4个IF电路(22)的顶部；上盖的底端与箱体(1)顶端开口对接时，5个IF电路(22)、散热支架(23)、中转集成电路(24)、柔性板(25)、电路紧固件(28)和2个系统电路(29)伸入箱体(1)的内腔中。

2.根据权利要求1所述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，其特征在于：所述5个IF电路(22)与2个系统电路(29)在电路板中加散热铜层；且5个IF电路(22)与2个系统电路(29)通过电路紧固件(28)实现将热量快速传递到散热支架(23)上。

3.根据权利要求2所述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，其特征在于：所述仪表组件(3)包括5个加速度计(32)、5个陀螺仪(33)、系统本体(34)、第一转接连接器(35)、第二转接连接器(36)、第三转接连接器(37)和第四转接连接器(38)；其中，5个加速度计(32)与5个陀螺仪(33)一一对应，组成5个仪表组；系统本体(34)为空间四点减振结构；第一转接连接器(35)和第二转接连接器(36)安装在系统本体(34)的顶端；第三转接连接器(37)和第四转接连接器(38)安装在系统本体(34)的底端；5个仪表组安装在系统本体(34)的侧壁上。

4.根据权利要求3所述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，其特征在于：所述5个仪表组的分布位置为：

建立测量坐标系OXYZ；其中，原点O位于上盖(21)的上表面；X轴正方向竖直向上；Y轴正方向沿上盖(21)所在平面垂直指向第一密封接插件(5)和第二密封接插件(8)所在箱体(1)的侧壁；Z轴由右手定则确定；另设置OS轴和OT轴，其中，OS轴正向与X、Y、Z轴正向的夹角分别为127.0°、46.6°、66.0°；OT轴正向与X、Y、Z轴正向的夹角分别为46.5°、71.0°、49.6°；OX、OY、OZ、OS、OT轴的正向分别为5个仪表组的法线。

5.根据权利要求4所述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，其特征在于：所述IF电路(22)与系统电路(29)的输出端经中转集成电路(24)进行集中处理后，由第一转接连接器(35)和第二转接连接器(36)连接至第一密封接插件(5)；电源组件(9)的输入端经第三转接连接器(37)和第四转接连接器(38)连接至第二密封接插件(8)。

6.根据权利要求5所述的一种五轴冗余光纤陀螺测量装置结构，其特征在于：所述电源组件(9)包含电源紧固件(91)、6个减振器组件(92)、6个散热片(93)、二次电源电路(94)和底盖(96)；其中，底盖(96)水平放置；6个散热片(93)呈2列对称安装在底盖(96)的上表面；6个减振器组件(92)与6个散热片(93)一一对应，减振器组件(92)安装在对应散热片(93)的上表面；二次电源电路(94)通过电源紧固件(91)与6个减振器组件(92)固连。

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