CN115164864A - 一种t形结构小型光纤陀螺仪 - Google Patents

一种t形结构小型光纤陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，公开一种T形结构小型光纤陀螺仪，包括光源、耦合器、Y波导、外壳、磁屏蔽套筒、保偏光纤环和支架；所述磁屏蔽套筒和上帽相对设置在所述外壳上，两者的轴向呈垂直分布，所述磁屏蔽套筒内设置保偏光纤环，所述上帽内设置支架；所述支架上依次设置光源、耦合器和Y波导，三者分别沿所述上帽的轴向分布；所述探测器电路板上设置所述探测器，两者安装在所述支架上并位于所述外壳内；所述耦合器分别连接所述光源、光电二极管探测器和Y波导，所述Y波导连接所述保偏光纤环。本发明减小了Shupe效应对光纤陀螺性能的影响，也有效减小了Farady效应对光纤陀螺性能的影响，整体结构紧凑、体积小，并提高了光纤陀螺的稳定性和精度。

Description

一种T形结构小型光纤陀螺仪
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，更具体的说，特别涉及一种T形结构小型光纤陀螺仪。
背景技术
光纤陀螺仪是基于Sagnac(萨格纳克)效应工作，用于测量载体角速度的高精度惯性器件，并具有寿命长、体积小、质量轻、测量范围大、精度范围广、无运动部件等特点，在航空航天、导弹制导等领域有广泛应用。由于环境温度、外界磁场、光纤环内部应力会对光纤陀螺仪中的敏感元件光纤环产生极大影响，Shupe效应与Farady效应产生的非互易相移会与载体旋转产生的Sagnac相移相叠加，从而影响光纤陀螺的精度。
因此，在有限的空间内合理排布所有器件、增大空间利用率的同时，保证设计的结构利于器件散热与屏蔽外界磁场是至关重要的。原有的圆柱形小型光纤陀螺仪的敏感轴向均与该圆柱的轴向相平行，在具体使用时会由于安装面的限制，导致所需测量的方向与光纤陀螺的敏感轴向不一致，影响测量精度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种T形结构小型光纤陀螺仪，整体结构紧凑、体积小，并提高了光纤陀螺的稳定性和精度。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种T形结构小型光纤陀螺仪，包括光源、耦合器、Y波导、外壳、磁屏蔽套筒、保偏光纤环和支架；
所述磁屏蔽套筒和上帽两者相对设置在所述外壳上，两者的轴向呈垂直分布，所述磁屏蔽套筒的表面与所述外壳连接，所述上帽一端的端面与所述外壳连接；所述磁屏蔽套筒内设置保偏光纤环，所述上帽内设置支架，所述支架上依次设置光源、耦合器和Y波导；所述Y波导位于所述光源和耦合器之间，三者分别沿所述上帽的轴向分布；所述探测器电路板上设置所述探测器，两者安装在所述支架上并位于所述外壳内；所述耦合器分别连接所述光源、光电二极管探测器和Y波导，所述Y波导连接所述保偏光纤环。
进一步的，所述磁屏蔽套筒相对的两端面还分别设置下盖和上盖；所述下盖上设置有安装凹槽，侧面形成与所述磁屏蔽套筒表面相对应的半圆弧面。
进一步的，所述磁屏蔽套筒通过环氧树脂胶设置在所述底座的安装凹槽内，所述保偏光纤环也通过环氧树脂胶同轴粘接于磁屏蔽套筒内侧。
进一步的，所述光源采用1310nm保偏SLD光源，并和所述Y波导两者与所述支架的安装面上分别均匀涂覆导热硅脂层。
进一步的，所述耦合器采用2×2耦合器，并与所述支架的连接面上设置硅橡胶。
进一步的，所述光源和探测器两者的尾纤分别与所述耦合器的输入端尾纤进行熔接，所述耦合器的输出端尾纤与Y波导输入端尾纤进行熔接，所述Y波导的输出端尾纤与保偏光纤环的尾纤进行熔接；所述所有熔接处分别设置熔点保护套管，并设置紫外胶进行固化。
进一步的，所述所有尾纤分别整齐盘绕在所述保偏光纤环的端面上，还设置紫外胶进行固化。
进一步的，所述探测器采用PIN-FET探测器。
进一步的，所述上帽为圆柱体，直径为28mm，实际安装的高度为35.5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明将光源、耦合器、Y波导、磁屏蔽套筒、保偏光纤环和探测器都设置在外壳上，在不增大体积的同时将主板与光路系统集成为一体，空间利用率高，并将发热元件(光源)与温度敏感元件(保偏光纤环)两者的轴向相垂直，能够在不改变原有设备的基础上调整光纤陀螺测量方向；同时，将保偏光纤环设置在磁屏蔽套筒内，将光源等发热元件置于上帽内，即分别设置在不同的腔室内，极大程度上减小了Shupe效应对光纤陀螺性能的影响，因此，整体结构紧凑、体积小，并提高了光纤陀螺的稳定性和精度。
(2)本发明的磁屏蔽套筒上分别设置下盖和上盖，下盖上设置有安装凹槽并形成半圆弧面，方便安装和连接，提高了整体结构的紧凑性，也减小体积。
(3)本发明中光源和Y波导的安装面分别涂覆导热硅脂层，方便进行散热，保证光纤陀螺仪工作的可靠性；光源采用1310nm保偏SLD光源，可靠性高，针对小陀螺内部光纤曲率半径小，具有优秀的抗宏弯特性，同时针对光纤陀螺应用环境恶劣，工作温度范围宽，温度变化率高，振动冲击大，所采用的光源抗干扰能力好，输出光较为稳定。
(4)本发明设置熔点保护套管对熔接处进行保护，并将尾纤盘绕在保偏光纤环的端面上，再设置紫外胶进行固化，保证整体结构安装的可靠性，从而保证证光纤陀螺仪工作的可靠性。
(5)本发明的上帽为圆柱体，直径为28mm，实际安装的高度为35.5mm，使得光纤陀螺仪整体结构的体积小，空间利用率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明中T形结构小型光纤陀螺仪的整体示意图。
图2为本发明中T形结构小型光纤陀螺仪的内部示意图。
图3为本发明T形结构小型光纤陀螺仪中去掉上帽的左视图。
图4为本发明中T形结构小型光纤陀螺仪的剖视图。
附图标记说明如下：1-光源、2-耦合器、3-Y波导、4-探测器、5-探测器电路板、6-外壳、7-磁屏蔽套筒、8-保偏光纤环、9-下盖、10-上盖、11-支架、12-上帽。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1～4所示，本发明提供一种T形结构小型光纤陀螺仪，包括光源1、耦合器2、Y波导3、外壳6、磁屏蔽套筒7、保偏光纤环8和支架11。
所述磁屏蔽套筒7和上帽12两者相对设置在所述外壳6上，所述磁屏蔽套筒7的表面与所述外壳6连接，所述上帽12一端的端面与所述外壳6连接，所述磁屏蔽套筒7和上帽12两者的轴向呈垂直分布。所述磁屏蔽套筒7内设置保偏光纤环8，所述上帽12内设置支架11，所述支架11上依次设置光源1、耦合器2和Y波导3。所述Y波导3位于所述光源1和耦合器2之间，三者分别沿所述上帽12的轴向分布。所述探测器电路板5上设置所述探测器4，两者安装在所述支架11上并位于所述外壳6内。所述耦合器2分别连接所述光源1、探测器4和Y波导3，所述Y波导3连接所述保偏光纤环8。
具体的，所述支架11上分别设置光源基面、耦合器安装面、安装凹槽和安装凸台，分别用于安装所述光源1、耦合器2、Y波导3和探测器电路板5，方便安装也保证结构紧凑。
本实施例中，所述光源1发出的光经过耦合器2分成两束光，其中一束光进入Y波导3后，形成顺时针与逆时针两束传输方向相反的光进入保偏光纤环8内。由于保偏光纤环8的Sagnac效应可以得到光纤陀螺仪当前的角速度相移，再经过Y波导3、耦合器2传输至探测器4，探测器4再通过导线传输至外部计算机进行处理，即可得到实际角速度值。
进一步的，所述磁屏蔽套筒7相对的两端面还分别设置下盖9和上盖10，便于保护所述保偏光纤环8。所述下盖9上设置有安装凹槽，所述下盖9的侧面形成与所述磁屏蔽套筒7表面相对应的半圆弧面，在不影响安装的情况下使得整体结构紧凑。
进一步的，所述磁屏蔽套筒7通过环氧树脂胶设置在所述下盖9的安装凹槽内，所述保偏光纤环8也通过环氧树脂胶同轴粘接于磁屏蔽套筒7内侧，方便安装也能保证连接可靠。所述磁屏蔽套筒7采用高磁导率材料的坡莫合金磁屏蔽套筒，可以有效减小了Farady效应对光纤陀螺性能的影响。
进一步的，所述光源1采用1310nm保偏SLD光源，并和所述Y波导3两者与所述支架11的安装面上分别均匀涂覆薄薄一层导热硅脂层，保证安装可靠，也便于散热。
本实施例中的光源1采用1310nm保偏SLD光源，由于光通信主要有850nm、1310nm、1550nm这三个波段，通常波长越长，相干长度越短即光谱越宽。针对不同波长光源采用的发射方式不同，850nm和1310nm为半导体超辐射发光二极管，1550nm为掺铒光纤放大自发辐射，本发明采用1310nm光源，满足低精度小型陀螺的要求。此外，SLD为具有单程光增益的半导体光源，辐射出的光为短相干长度光，可以降低瑞利后向散射、偏振交叉耦合和克尔效应等引起的相干误差，与led光源相比，SLD光源具有大输出功率，SLD光源具有良好的平均波长稳定性，以保证光纤陀螺标度因数稳定性，并采用保偏光源提高陀螺的可靠性。
进一步的，所述耦合器2采用2×2耦合器，并与所述支架11的连接面上设置硅橡胶，通过硅橡胶将耦合器2粘接于支架11，保证安装可靠，也便于进行信号传输。
进一步的，所述探测器4采用PIN-FET探测器，能够可靠地将光信号转换成电信号，再经放大器将电压放大后输出，结构简单、工作可靠。
进一步的，所述光源1和探测器4两者的尾纤分别与所述耦合器2的输入端尾纤进行熔接，所述耦合器2的输出端尾纤与Y波导3输入端尾纤进行熔接，所述Y波导3的输出端尾纤与保偏光纤环8的尾纤进行熔接。所述所有熔接处分别设置熔点保护套管进行保护，并设置紫外胶进行固化。
具体的，所述支架11上设置允许所述光源1的尾纤和探测器4的尾纤穿过的走纤孔，所述上帽12另一端的端面中心处也设有出线孔。
进一步的，所述所有尾纤分别整齐盘绕在所述保偏光纤环8的端面上，还设置紫外胶进行固化，保证整体结构的紧凑性。
进一步的，所述光纤陀螺仪的体积小，空间利用率高，所述上帽12为圆柱体，直径仅为28mm，实际安装的高度仅为35.5mm，非常方便很多小型化设备为其安装预留空间。
本实施例中，所述光纤陀螺仪通过外壳6安装在其他设备上，所述上帽12位于设备内部，因此所述上帽12的整体结构和尺寸，非常方便很多小型化设备为其安装预留空间，从而提高适用性。
本发明提供的T形结构小型光纤陀螺仪，具体安装过程如下：
1)在光源1的底面均匀地涂满薄薄的导热硅脂层，通过螺钉固定于支架11的光源安装面处；将耦合器2用硅橡胶粘接于支架11的耦合器安装面处；在Y波导3的底面均匀地涂满薄薄的导热硅脂层，然后通过螺钉固定于支架11的Y波导安装面处；其中，光源1、耦合器2和Y波导3三者并列设置，所述Y波导3位于光源1和耦合器2之间。
2)将探测器4固定在探测器电路板5上，再将两者固定在所述支架11的安装凸台上。
3)将光源1尾纤从支架11的光源走纤孔穿出；将耦合器2输入端尾纤、Y波导3输出端尾纤从支架11的中心穿出、探测器4尾纤从支架11的探测器走纤孔穿出；将耦合器2输出端尾纤、Y波导3输入端尾纤绕半圈从支架11的光源走纤孔穿出。
4)将支架11固定于外壳6上，将光源1尾纤、耦合器2尾纤、Y波导尾纤3及探测器4尾纤从外壳6上端穿出。
5)采用环氧树脂胶将保偏光纤环8粘接于磁屏蔽套筒7内侧，再将磁屏蔽套筒7用环氧树脂胶粘接于下盖9的安装凹槽处，并将下盖9与磁屏蔽套筒7整体置于温箱中，以80℃烘烤120min。待冷却到室温后，将下盖9固定于外壳6上。
6)进行光纤熔接，即将光源1的尾纤与耦合器2其中一个输入端的尾纤进行熔接，耦合器2其中一个输出端的尾纤与Y波导3输入端的尾纤进行熔接，Y波导3两根输出端尾纤与保偏光纤环8的两根尾纤进行熔接，耦合器2另一个输入端的尾纤与探测器4的尾纤进行熔接。
7)采用熔点保护套管与紫外胶对上述5处尾纤熔接点进行保护，将尾纤整齐盘绕在保偏光纤环8的上表面，并采用紫外胶对所有尾纤进行固化。
8)将上盖10和上帽12安装在外壳6上，光源1、耦合器2和Y波导3三者位于所述上帽12内并分别沿上帽12轴向分布，将光源1、Y波导3和探测器4的导线捋顺，从上帽12的中心走线孔处穿出，并将上帽12的走线孔处涂满硅橡胶密封。
本发明提供的T形结构小型光纤陀螺仪，通过将磁屏蔽套筒7和上帽12两者垂直设置并呈T形结构，上帽12内沿轴向分别设置光源1、耦合器2和Y波导3，能够在不改变原有设备的基础上调整光纤陀螺仪测量方向，满足不同测量需求，从而保证光纤陀螺仪的测量精度，并能够极大程度上减小了Shupe效应对光纤陀螺性能的影响。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：包括光源、耦合器、Y波导、外壳、磁屏蔽套筒、保偏光纤环和支架；
所述磁屏蔽套筒和上帽两者相对设置在所述外壳上，两者的轴向呈垂直分布，所述磁屏蔽套筒的表面与所述外壳连接，所述上帽一端的端面与所述外壳连接；所述磁屏蔽套筒内设置保偏光纤环，所述上帽内设置支架，所述支架上依次设置光源、耦合器和Y波导；所述Y波导位于所述光源和耦合器之间，三者分别沿所述上帽的轴向分布；所述探测器电路板上设置所述探测器，两者安装在所述支架上并位于所述外壳内；所述耦合器分别连接所述光源、光电二极管探测器和Y波导，所述Y波导连接所述保偏光纤环。
2.根据权利要求1所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述磁屏蔽套筒相对的两端面还分别设置下盖和上盖；所述下盖上设置有安装凹槽，侧面形成与所述磁屏蔽套筒表面相对应的半圆弧面。
3.根据权利要求1或2所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述磁屏蔽套筒通过环氧树脂胶设置在所述底座的安装凹槽内，所述保偏光纤环也通过环氧树脂胶同轴粘接于磁屏蔽套筒内侧；所述磁屏蔽套筒采用高磁导率材料的坡莫合金磁屏蔽套筒。
4.根据权利要求3所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述光源采用1310nm保偏SLD光源，并和所述Y波导两者与所述支架的安装面上分别均匀涂覆导热硅脂层。
5.根据权利要求1或4所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述耦合器采用2×2耦合器，并与所述支架的连接面上设置硅橡胶。
6.根据权利要求5所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述光源和探测器两者的尾纤分别与所述耦合器的输入端尾纤进行熔接，所述耦合器的输出端尾纤与Y波导输入端尾纤进行熔接，所述Y波导的输出端尾纤与保偏光纤环的尾纤进行熔接；所述所有熔接处分别设置熔点保护套管，并设置紫外胶进行固化。
7.根据权利要求6所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述所有尾纤分别整齐盘绕在所述保偏光纤环的端面上，还设置紫外胶进行固化。
8.根据权利要求1或7所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述探测器采用PIN-FET探测器。
9.根据权利要求1所述的T形结构小型光纤陀螺仪，其特征在于：所述上帽为圆柱体，直径为28mm，实际安装的高度为35.5mm。
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