CN113945226B - 一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置 - Google Patents

Abstract

一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置结构，采用了正方体型本体，电路板等结构均放置到本体中，具有足够的结构固有频率，抗力学性能好，三轴陀螺仪正交安装于本体结构中；同时兼顾散热要求，将质量大、热耗大的电路组件放在了组合底部，并进行了散热设计；两只光纤陀螺仪安装到本体的两侧，另一只安装到本体中间隔板处，电路和光路由中间隔板处分为两部分，实现光、电分区域装配，使组合具有良好的装配工艺性，同时侧边开槽，实现可视化装配，保证装配可靠性。

Description

一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置

技术领域

本发明涉及一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置结构，特别是一种用于卫星姿态控制的高可靠性、高精度的三轴光纤陀螺测量装置结构，属于光纤陀螺惯性测量装置技术领域。

背景技术

光纤陀螺装置是一种基于Sagnac效应的全固态惯性仪表，用来测量载体的角速率，在大量卫星中应用于姿态控制，是卫星姿态控制系统中关键组成单元。主要用于测量光纤陀螺组合三正交轴相对于惯性空间的转动角速度，为实现高精度和高稳定度的姿态控制提供姿态测量信息。光纤陀螺组合所完成的主要功能为：测量光纤陀螺组合的三轴角速度信息并通过RS-422传输给光纤陀螺组合；提供光纤陀螺组合内部重要状态的遥测信号；为了测量运载体沿一个轴向或者多个轴向的角速度及加速度信息，需要测量3个正交方向的角速率。

由于应用环境和功能要求不同，一些卫星需要在某些方面具有更高的要求，如重量、体积和精度，而常见的三轴正交式陀螺只适用于低轨、高轨的距离，对于更远距离传输的光纤陀螺测量装置，现有的技术方案中还有应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了本发明公开了一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置结构，该结构具有体积小、重量轻、精度高、可靠性高，采用了高精度三轴一体光纤陀螺设计方案及双光源冗余设计等优点。本发明为正方体型本体，电路板等结构均放置到本体中，具有足够的结构固有频率，抗力学性能好，三轴陀螺仪正交安装于本体结构中，在本体中为三轴陀螺仪和基准镜等组件的安装设计高精度安装面，对非承重部分进行减重处理，使整个装置抗力学性能大大加强；将散热量较大的电路板均安装于本体中，同时兼顾功耗大的芯片的散热要求，将质量大、热耗大的电路组件放在了组合底部，并提供了一种具有双面散热功能的铝合金导热支架，优化了电路板元器件布局；同时，为了便于光路装配，兼顾良好的装配工艺性，将各零部件分区域安装，两只光纤陀螺仪安装到本体的两侧，另一只安装到本体中间隔板处，电路和光路由中间隔板处分为两部分，实现光、电分区域装配，使组合具有良好的装配工艺性，同时侧边开槽，实现可视化装配，保证装配可靠性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置结构，包括本体、光源组件、光纤陀螺仪转换电路组件、系统电路、电源组件、底盖组件、对外电连接器、侧盖、光学基准镜、接地桩组件，以及三个光纤陀螺仪；

本体为长方体盒状，内设有中间隔板层，将盒状空间分为光路部分和和电路部分两个独立空间，光路部分空间位于盒状空间的上层，电路部分空间位于盒状空间的下层；

三个光纤陀螺仪根据三轴正交方向安装在本体上，其中两个通过侧盖安装在本体外侧面，另一个位于本体内；

在光路部分空间内，从上到下，依次为光源组件、光纤陀螺仪转换电路组件；同时光源组件作为本体的顶盖；

在电路部分空间内，从上到下，依次为光纤陀螺仪、系统电路、电源组件；底盖组件作为本体的底盖；

对外电连接器、光学基准镜均安装在本体的侧面；

三个光纤陀螺仪通过接地桩组件接地。

优选的，光源组件包括上盖、主份和备份光纤陀螺仪模拟电路、主份和备份光源、主份和备份达林顿管；

上盖作为本体的顶盖；主份和备份光纤陀螺仪模拟电路与上盖的凸台连接，并确定了主份和备份光纤陀螺仪模拟电路的器件高度，主份和备份光源、主份和备份达林顿管分别安装于上盖中，便于散热。

优选的，光纤陀螺仪转换电路组件包括光纤陀螺模数转换电路、光纤陀螺数模转换电路、导热支架，两个电路均安装在导热支架上，导热支架与本体连接，两个电路通过柔性线连接。

优选的，电源组件包括二次电源板支架、二次电源电路板和二次电源模块、滤波器，二次电源电路板、二次电源模块、滤波器均安装在二次电源板支架上，二次电源板支架固定于本体中。

优选的，每个光纤陀螺仪均包括磁屏蔽内罩、磁屏蔽外罩、光纤环；磁屏蔽内罩和磁屏蔽外罩将光纤环封装在内；磁屏蔽内罩、磁屏蔽外罩上均设有走纤槽。

优选的，底盖板组件包括底盖和4个MOS管，4个MOS管通过螺钉安装在底盖中。

优选的，电源组件和底盖之间粘贴有铍铜簧片，且铍铜簧片处于半压紧状态。

优选的，本体、光源组件的上盖、底盖组件的底盖均采用镁合金材料制成。

优选的，本体的中间隔板层壁厚为5mm，且为设有加强筋的中空结构。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

（1）本发明设计本体结构件用于安装三个轴向的光纤陀螺仪、系统电路、二次电源、基准镜等零部件。为保证组合重量轻、体积小的特点，本体采用镁合金材料；本体具有足够的刚度，以保证惯性测量系统在规定的力学环境下的测量精度，为保证本体结构件的刚度，设计时尽量降低本体的高度，并对局部采取增强措施，如四个对外安装耳均增加了竖筋、本体侧壁拉有米字筋、内腔四个直角处采用较大的圆角、在内腔中部设置有一定厚度的隔板，上述措施实现了本体的高刚度设计；在本体内腔中间设置了壁厚为5mm的隔板，为提高整体刚度，隔板上设有加强筋，且隔板中心空心，空心不但提高了本体结构的一阶模态，且实现了隔板上下两部分电路的互通；隔板下方为Z轴向的光纤陀螺仪、信号处理与接口电路、二次电源电路，隔板上方为光纤陀螺仪数字电路、模拟电路。

（2）结构设计上为实现散热优良，将功耗较大的二次电源模块及滤波器模块安装在二次电源电路板支架上， 且二次电源模块及滤波器模块的上表面与光纤惯组底盖通过铍铜簧片接触，实现大功率发热器件的热传导散热，光纤陀螺仪光源、达林顿管等大功耗器件置于组合顶部便于陀螺仪的散热。

（3）本发明具有良好的装配工艺性，三轴陀螺仪分别安装于本体两侧和中间，操作空间大，其余电路和光路部分分区设计，通过导线进行连接，将光路和电路部分连接起来，各区域均可实现可视化装配，提高了装配性，同时也便于组合返修。

附图说明

图1为本发明三轴高精度光纤陀螺装置的构成示意图；

图2为本发明三轴高精度光纤陀螺装置的剖面示意图；

图3为本发明中本体结构示意图；

图4为本发明中光纤陀螺仪示意图；

图5为本发明中光源组件示意图；

图6为本发明中光纤陀螺仪转换电路组件示意图；

图7为本发明中电源组件示意图；

图8为本发明中底盖组件示意图；

图9为本发明中接地桩组件示意图。

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的实施方式作进一步详细描述。

一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置结构，包括本体1，三个光纤陀螺仪2、一套光源组件3、一套光纤陀螺仪转换电路组件4、系统电路5、电源组件6、底盖组件7、两个对外电连接器8、电连接器盖9、侧盖10、光学基准镜11和一套接地桩组件12，其中：

本体作为主体结构，三个光纤陀螺仪2根据三轴正交方向安装在本体1上，两个陀螺仪安装在本体外侧，一个陀螺仪安装在本体内侧。光纤陀螺仪2由 磁屏蔽内罩23和磁屏蔽外罩21、光纤环22 组成,固定于本体中。

光源组件3在本体的最上层，固定于本体中，一套光源组件3由上盖31、主份和备份光纤陀螺仪模拟电路32、主份和备份光源33、主份和备份达林顿管34组成。主份和备份光纤陀螺仪模拟电路32分别与上盖板的凸台连接，并保证了光纤陀螺仪模拟电路的器件高度，主份和备份光源33、主份和备份达林顿管34分别安装于上盖中，便于大功率器件的散热。

由于组合（即光纤陀螺测量装置）体积小、重量轻、精度高、可靠性高，采用了高精度三轴一体光纤陀螺设计方案及双光源冗余设计。因此，组合内部结构非常紧凑，各电路板器件密集，板间间距小，热量易堆积，散热通道设计困难，如何保证有效散热成为组合设计的一大难题。为此，采用了具有双面散热功能的铝合金导热支架43，光纤陀螺仪转换电路组件4包括光纤陀螺模数转换电路41与光线陀螺模数转换电路42，分别安装于导热支架43中。导热支架43采用了电路与支架一体化的设计，优化了电路板元器件布局，改善了芯片位置及支架的安装方式，开展了试验方法的研究和试验用支架的设计，提高了热设计验证的准确性，有效提升了产品在轨可靠性及工作寿命。同时解决了不同安装方式下电路板与支架间存在的相对运动力学性能差的问题，兼顾减重和强度要求，在组合无任何减振措施的情况下，通过了较高冲击量级的鉴定级环境试验考核。

系统电路5直接安装于本体的凸台中，电源组件6 由二次电源板支架61、二次电源电路板62和二次电源模块、滤波器63组成，二次电源模块、滤波器63、安装于二次电源板支架61中、二次电源电路板联接成一体，将电源组件6固定于本体上的凸台中。

底盖7上固定3个MOS管，安装于本体中，整个光纤陀螺组合由底盖7形成密封腔体。两个对外电连接器8安装到本体1前侧，对外电连接器8、电源组件6、系统电路5、光纤陀螺仪转换电路4均通过焊线方式连接，并用电连接器盖9安装。在本体上部开侧边窗口，盖上侧盖9，光学基准镜11安装到本体1侧边，接地桩组件12安装于光纤陀螺仪下侧；

所述本体1设计成方形盒体；本体结构件在三个正交方向上安装三个垂直向的光纤陀螺仪2、一套光源组件3通过上盖安装于本体上部、一套光纤陀螺仪转换电路4安装于本体的隔板上层、系统电路5和电源组件6均安装于本体隔板的下层。本体经过中间隔板层，将所述系统分为光路和电路部分，光路和电路部分形成独立的空间，避免了电磁干扰。

所述光纤陀螺仪2 由磁屏蔽内罩23和磁屏蔽外罩21、光纤环22组成，磁屏蔽内、外罩均设计走纤槽。光源组件由主份和备份光纤陀螺仪模拟电路32、主份和备份光源33、主份和备份达林顿管34，两份光源组件均安装于上盖中，并由光源出纤，与本体内侧的耦合器等光学器件熔接一起；

光纤陀螺仪转换电路4包括光纤陀螺模数转换电路41与光纤陀螺数模转换电路42，两块电路板分别安装于导热支架42中，光纤陀螺模数转换电路41与光纤陀螺数模转换电路42通过柔性线连接，避免了焊线，两块电路板焊接完成后装配到导热支架中，再通过导热支架与本体上层的凸台连接。

所述系统电路5位于下层隔板的中间陀螺下面，通过螺钉安装于本体侧壁的凸台中。所述电源组件6 通过二次电源板支架61的4个点安装于本体侧壁的凸台中。所述二次电源电路板62和二次电源模块、滤波器63 分别通过螺钉安装于二次电源板支架中61、使得电源组件联接成一体，将装配后的电源组件 6固定于本体侧壁的凸台中。系统电路5和电源组件6均安装于本体下层腔体中，两块电路板采用焊线方式实现信号传输。

所述底盖板组件7由底盖71和4个MOS管72组成，4个MOS管72通过螺钉安装在底盖71中。

所述电源组件6和底盖71之间，粘贴有铍铜簧片，铍铜簧片处于半压紧状态。

两个电连接器8通过螺钉安装到本体中，并将电连接器盖9盖住电连接器。

基准镜11通过螺钉安装于本体中，接地桩组件12内置螺纹孔，直接安装于本体中。

本体、上盖、底盖、电连接器盖、侧盖均采用镁合金材料。

更具体的：

如图1所示为本发明三轴高精度光纤陀螺装置结构的构成示意图，图2所示为本发明三轴高精度光纤陀螺装置的剖面示意图，由图可知三轴高精度光纤陀螺装置结构主要包括三个正交安装的光纤陀螺仪2、一套光源组件3、一套光纤陀螺仪转换电路组件4、一块系统电路5、一套电源组件6、一套底盖组件7、两个对外电连接器8、一个电连接器盖9、一个侧盖10、一块光学基准镜11和一套接地桩组件12。

三个光纤陀螺仪2沿三轴正交方式安装在本体1中，其中两个光纤陀螺仪安装在本体的侧边，并占据整个侧边，另外一个光纤陀螺仪水平安装于本体中，光源组件3水平安装在本体1的最上端，光源组件中有上盖板，将整个组合的上端盖住，光纤陀螺仪转换电路组件4、系统电路5、电源组件6分别安装于本体的凸台中，底盖组件7安装在本体的最下端。两个对外电连接器8安装于本体前端，电连接器盖9、侧盖10共同使组合形成封闭的腔体。光学基准镜11和接地桩组件12分别安装于本体的左侧和右侧，使得光纤陀螺组合安装完成。

如图3为本发明中本体结构示意图，其中本体1为支撑各部件的主体结构，为了减轻组合的重量，本体采用比刚度较高镁合金材料，在满足强度、刚度、导热和工艺水平允许的前提下尽量减小壁厚，使光纤陀螺组合在满足总体性能指标要求的前提下，最大限度的减小组合结构件质量，使产品质量做到最轻。本体结构固有频率高，稳定性好；本体1通过中间隔板分成了上下两部分腔体。首先在中间隔板处安装光学器件。上层腔体侧壁设计安装凸台，将光纤陀螺仪转换电路组件4安装在上层腔体中。在中间隔板的反面，安装1只光纤陀螺仪2，由此，中间隔板处的上层安装了光学器件， 下层安装了光纤陀螺仪。下层腔体的侧壁分别设计两层凸台，用于安装系统电路5和电源组件6，其中，系统电路5安装在上层，电源组件6安装在本体的下侧。上下腔各组件安装完成后，再将光源组件3安装在本体的最上端，底盖组件7安装在本体的最下端，由此，本体形成了密封空间。

如图4为本发明中光纤陀螺仪2示意图，此款光纤陀螺仪2采用无骨架设计方案，只有磁屏蔽内罩23和磁屏蔽外罩21以及光纤环22组成，结构构造简单；装配时，将光纤环22固化于磁屏蔽内罩23，再将磁屏蔽内罩23安装于本体中，在本体处设计出纤槽，且磁屏蔽内罩23的出纤槽位置与本体的出纤槽位置一致，便于光纤出纤。磁屏蔽外罩21设计时留出磁屏蔽内罩21安装耳，同时为了便于磁屏蔽外罩21的安装，在磁屏蔽外罩21也设计了安装耳。为了使光纤环22处在密闭的空间内，使其密封性能好，分别在磁屏蔽内罩23和磁屏蔽外罩21设计限位槽，便于陀螺仪的安装。三只光纤陀螺仪尺寸一致，方便了互换性。

如图5为本发明中光源组件3示意图，该组件由上盖31、主、备份光纤陀螺仪模拟电路32；主、备份光源33；主、备份达林顿管34组成。两块模拟电路、两个光源、两个达林顿管均通过螺钉安装到上盖中。模拟电路中由发热量较大的器件，在上盖中设计的安装凸台高度要使发热量大的器件与上盖接触，使其通过传导传热。

如图6为本发明中光纤陀螺仪转换电路组件4示意图，光纤陀螺仪转换电路4包括光纤陀螺模数转换电路41、光纤陀螺数模转换电路42与导热支架43组成。两块电路板间有多块发热量大的器件，热量堆积严重，且卫星工作在真空环境中，没有热对流，散热主要依靠热传导方式，故设计了导热支架42。导热支架42选用铝合金材料，在热传导率高的同时密度较小，兼顾了散热效率及重量要求。此外，该材料比刚度大，满足组合强度和刚度要求。导热支架42设计有导热凸台，凸台与电子元器件之间粘贴导热材料。两块电路板通过柔性线连接，与导热支架装配时，需在器件和支架凸台间粘贴贝格斯，以起到绝缘、弹性接触、弥补焊接高度误差和凸台机加误差等作用。目前，用在卫星上的导热材料包括贝格斯、铍铜簧片等材料。贝格斯作为柔性导热非金属绝缘材料，使用安全可靠，可用于在间距小的功率器件间实现热量传递。

如图7为本发明中电源组件6示意图，二次电源电路板62和二次电源模块、滤波器63 分别通过螺钉安装于二次电源板支架中61、使得电源组件联接成一体，安装后将电源组件6固定于本体侧壁的凸台中。电源模块重量大、热耗大，故在电源模块、滤波器与二次电源板支架固定时均贴贝格斯，电源模块、滤波器与底盖板安装装配处，装有铍铜簧片，通过铍铜簧片对热耗最大的电源组件进行散热，铍铜簧片粘贴在底盖板凹槽中，在模块与底盖板之间，底盖板安装后，铍铜簧片处于半压紧状态，因其具有较好的散热效果，可将模块的热量快速传递到底盖板上，散热路径短。

如图8所示，底盖板组件7由底盖71和4个MOS管72组成，4个MOS管72通过螺钉安装在底盖71中。

如图9所示，为了使组合的壳体与整星的壳体形成等电势，设计了接地桩组件，由1个接地桩121、2个接地桩螺母122以及2个接地桩垫片123组成。

另外，对外电连接器与二次电源电路连接，安装在组合的下部，使电连接器出线端直接与二次电源焊接，便于走线和固定。同时使惯组外形稳重，避免头重脚轻。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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)

1.一种高精度双光源冗余三轴一体光纤陀螺测量装置，其特征在于，包括本体（1）、光源组件（3）、光纤陀螺仪转换电路组件（4）、系统电路（5）、电源组件（6）、底盖组件（7）、对外电连接器（8）、侧盖（10）、光学基准镜（11）、接地桩组件（12），以及三个光纤陀螺仪（2）；

本体（1）为长方体盒状，内设有中间隔板层，将盒状空间分为光路部分和和电路部分两个独立空间，光路部分空间位于盒状空间的上层，电路部分空间位于盒状空间的下层；

三个光纤陀螺仪（2）根据三轴正交方向安装在本体（1）上，其中两个通过侧盖（10）安装在本体外侧面，另一个位于本体（1）内；

在光路部分空间内，从上到下，依次为光源组件（3）、光纤陀螺仪转换电路组件（4）；同时光源组件（3）作为本体（1）的顶盖；

在电路部分空间内，从上到下，依次为光纤陀螺仪（2）、系统电路（5）、电源组件（6）；底盖组件（7）作为本体（1）的底盖；

对外电连接器（8）、光学基准镜（11）均安装在本体（1）的侧面；

三个光纤陀螺仪（2）通过接地桩组件（12）接地；

光源组件（3）包括上盖（31）、主份和备份光纤陀螺仪模拟电路（32）、主份和备份光源（33）、主份和备份达林顿管（34）；

上盖（31）作为本体（1）的顶盖；主份和备份光纤陀螺仪模拟电路（32）与上盖（31）的凸台连接，并确定了主份和备份光纤陀螺仪模拟电路（32）的器件高度，主份和备份光源（33）、主份和备份达林顿管（34）分别安装于上盖（31）中，便于散热；

光纤陀螺仪转换电路组件（4）包括光纤陀螺模数转换电路（41）、光纤陀螺数模转换电路（42）、导热支架（43），两个电路均安装在导热支架（43）上，导热支架（43）与本体连接，两个电路通过柔性线连接；

电源组件（6）包括二次电源板支架（61）、二次电源电路板（62）和二次电源模块、滤波器（63），二次电源电路板（62）、二次电源模块、滤波器（63）均安装在二次电源板支架（61）上，二次电源板支架（61）固定于本体中。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺测量装置，其特征在于，每个光纤陀螺仪（2）均包括磁屏蔽内罩（23）、磁屏蔽外罩（21）、光纤环（22）；磁屏蔽内罩（23）和磁屏蔽外罩（21）将光纤环（22）封装在内；磁屏蔽内罩（23）、磁屏蔽外罩（21）上均设有走纤槽。

3.根据权利要求1所述的光纤陀螺测量装置，其特征在于，底盖板组件（7）包括底盖（71）和4个MOS管（72），4个MOS管（72）通过螺钉安装在底盖（71）中。

4.根据权利要求3所述的光纤陀螺测量装置，其特征在于，电源组件（6）和底盖（71）之间粘贴有铍铜簧片，且铍铜簧片处于半压紧状态。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤陀螺测量装置，其特征在于，本体（1）、光源组件（3）的上盖（31）、底盖组件（7）的底盖（71）均采用镁合金材料制成。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤陀螺测量装置，其特征在于，本体的中间隔板层壁厚为5mm，且为设有加强筋的中空结构。