CN1687708A - 一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统 - Google Patents

Abstract

一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，主要包括三只光纤陀螺、三只石英加速度计、本体结构等，其特点在于：(1)所述的光纤陀螺采用全固态数字闭环光纤陀螺；(2)所述的加速度计采用抗冲击石英加速度计；(3)所述的本体采用薄壁加筋金属合金结构。本发明在对外连接无需任何减振的情况下，能够承受恶劣的冲击、振动等力学环境条件并保持较好精度，同时也使惯性测量系统保持了安装精度的长期稳定性，提高了惯性测量系统的综合性能。

Description

一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统

所属技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺惯性测量系统，特别是一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统。

背景技术

惯性测量系统是实现导弹、运载火箭等飞行器制导与稳定控制的关键敏感测量设备和基准信息源，能够在飞行过程中为飞行器建立基准坐标系，敏感其运动的角速度、视加速度，准确测量姿态、位置、速度等，并通过接口高速输出数据，同时为惯性制导和姿态控制系统提供测量信息，以实现稳定飞行，准确命中目标。新型战术武器不仅要求快速反应、机动突防、精确打击能力，还要求小型化、多功能，在恶劣的环境条件下保持高可靠性、适应强烈的振动、冲击和大过载，同时要求性能保持长期稳定和高寿命，能够在长期贮存条件下始终保持性能稳定，这对其中的惯性测量系统提出了很高的要求。

基于传统惯性器件的惯性测量系统往往采用惯组加速率陀螺、结构与电源系统分开等方式很难实现小型化，由于机械式惯性仪表存在高速转子，自身抗振性能差，对外连接需要依靠减振器才能适应弹上恶劣的力学环境要求，这就需要在役期内多次进行测试、标定与维修，长期稳定性不能保证，而且后期维护成本高，以上分析表明基于传统惯性器件的惯性测量系统不能满足新型战术武器的要求。

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的新型全固态惯性仪表，具有体积小，重量轻，高可靠性，抗振动、冲击，力学环境特性好等优点，因而光纤陀螺惯性测量系统以其优良的性能成为国内外新型制导与控制系统研制中的关键支撑性高新技术。国外中低精度的光纤陀螺及其惯性测量系统虽然已经产品化，但是其关键技术和设备都是严格封锁和保密的，国内也有相当多的单位进行光纤陀螺的研制，但在光纤陀螺及其惯性测量系统的工程化技术方面一直未能突破，尤其在其性能指标的一致性、研制技术的稳定性和产品的环境适应性尤其是具有高的抗振性和抗冲击能力方面一直不能满足军民品领域应用的要求。

初期研制的光纤陀螺尺寸大、光纤环和光纤陀螺内部光路部分没有进行固化封装，有的虽然进行了固化处理，但传统的固化方法和材料等不能与光纤这种新型材料相匹配，因而光纤陀螺的抗振性和其它性能指标都不高。现有的加速度计抗冲击性能较差，当加速度计受到沿输出轴方向的大冲击时，石英挠性摆片将发生很大变形，一旦挠性梁受到的应力大于材料的强度，挠性梁就会发生断裂失效。本体结构设计方面只提供部分仪表的安装定位，电路部分和本体部分分别安装在另一底座上，体积大、重量大，系统必须采用减振器对外连接，只能适应较低的力学环境条件要求，不能满足弹(箭)的在发射、飞行和再入阶段等过程中的强烈振动、冲击和大过载。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，该装置抗振性能好、可靠性高、环境适应性强、长期稳定性好、工程化程度高，可以迅速推广应用。

本发明的技术解决方案是：一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，主要包括三只光纤陀螺、三只石英加速度计、本体结构等，其特点在于：

(1)所述的光纤陀螺采用全固态数字闭环光纤陀螺；

(2)所述的加速度计采用抗冲击石英加速度计；

(3)所述的本体采用薄壁加筋金属合金结构，使得整个惯性测量系统对外连接不需减振器而能满足恶劣的力学环境要求。

所述的全固态数字闭环光纤陀螺由光路部分和电路部分组成，光路部分由宽带光源、光纤耦合器，光电探测器、多功能集成光学芯片和光纤线圈构成，从宽带光源发出的光，经光纤耦合器和多功能集成光学芯片后分成两束，分别按顺时针和逆时针方向沿光纤线圈传输，并在多功能集成光学芯片的Y分支的合光点上发生干涉相位差，此相位差由多功能集成光学芯片调制和反馈后经过光纤耦合器，之后到达光电探测器；电路部分包括放大滤波电路、A/D转换、FPGA逻辑电路、D/A转换器，放大滤波电路对光电探测器的输出模拟信号进行前置放大和选通滤波，并通过A/D转换器进行模数转换后，送入逻辑电路进行处理，其产生的方波调制与数字相位阶梯波反馈信号之和经过D/A转换器后加至多功能集成光学芯片的一臂上。

所述的抗冲击石英挠性加速度计由表头和伺服回路组成，加速度计表头包括上力矩器、下力矩器和位于上述两力矩器之间的粘有线圈的石英玻璃摆片，石英玻璃摆片包括支承环、挠性梁、摆和六个支承凸台，支承环位于摆片外缘，为圆环状结构，支承环上正反两面共有六个支承凸台，石英摆片的中部为半圆状的摆，摆通过两个方形的薄挠性梁与支承环相连，在沿输出轴方向上在所述的石英玻璃摆片的支承环和摆之间加有限制石英玻璃摆片变形的限位结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：由于采用全固态数字闭环光纤陀螺、抗冲击石英挠性加速度计和本体薄壁加筋金属合金结构，使本发明在对外连接无需任何减振的情况下，能够承受恶劣的冲击、振动等力学环境条件并保持较好精度，同时也使惯性测量系统保持了安装精度的长期稳定性，提高了惯性测量系统的综合性能。

附图说明

图1为本发明的结构组成原理框图；

图2为图1中的光纤陀螺原理框图；

图3图2中的FPGA逻辑电路原理框图；

图4为图1中石英加速度计的结构示意图；

图5为图4中加有限位凸台的石英玻璃摆片外形示意图；

图6为图4中加有限位销钉的下力矩器顶视图；

图7为图4中加有限位销钉的力矩器结构示意图；

图8为图1中石英加速度计装配后，限位销钉与摆片之间的位置关系图；

图9为现有的石英加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大拉应力示意图；

图10为本发明中的抗冲击石英加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大拉应力示意图；

图11为本发明中的光纤陀螺在10～2000Hz/8g正弦扫描下的输出曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统主要包括三只光纤陀螺、三只石英加速度计、本体结构等，其中采用正交放置的三个光纤陀螺完成被测体坐标系三个轴的角速度测量，三个光纤陀螺采用全固态数字闭环光纤陀螺；三个石英加速度计正交放置完成被测体坐标系三个轴的加速度测量，三个石英加速度计采用抗冲击石英加速度计；计算机实现信号处理，它在4ms周期内完成从陀螺和加速度计信号取样、误差补偿，发送数据给被测体上计算机和遥测系统的功能，具有高速采集、处理、传输功能；二次电源把一次电源变换为上述部件所需的直流电源；本体结构用于安装上述部件，它采用薄壁加筋铝合金或镁合金金属合金或铝基复合材料等，要保证光纤陀螺和加速度计敏感轴三轴正交性，提供电磁屏蔽与减振功能，保证需要的刚度。提供与被测体的连接基准和连接孔，同时使得整个惯性测量系统对外连接不需减振器而能满足恶劣的力学环境要求。

光纤陀螺是利用光纤构成的一种环状干涉仪，属纯光学、静止型陀螺，从本质上摆脱了转子陀螺的范畴，无运动部件，全固体化，抗振和抗冲击性能基础好；但是内部光纤细而轻，缠绕在轴上和散布在腔内的光纤如果不加以合理固定，极易在振动和冲击等过程中发生位移或受到应力，影响光信号在光路中传输，从而影响光纤陀螺的性能；光纤经过合理的加固处理后，在振动条件下就可以保持初始位置，光信号在光路中传输时就不会受到影响，因而全固态化的光纤陀螺，具有优良的抗振和抗冲击性能。

为了满足小型化的要求，本体结构设计时体积和质量受到很大的限制，安装仪表的部位壁很薄，强度和刚度不足，抗振性能差，在采用加筋结构后抗振性能得到了一定的提高，但是还不能完全满足要求，在结构限制无法突破的情况下，必须采用新型密度小、具有更高比强度和比高度的结构材料来取代传统的LY12结构材料。本实施例的本体结构采用Al/SiCp铝基复合材料后，其密度与LY12接近，但强度和刚度高，在同样壁厚的情况下抗振性能大大提高；同时本体外罩采用密度更小的镁合金材料，不仅质量轻，还具有吸振性能和电磁屏蔽性能。

如图2所示，本发明采用的全固态数字闭环光纤陀螺由光路部分和电路部分组成，光路部分由宽带光源1、光纤耦合器2、光电探测器5、多功能集成光学芯片3和光纤环4构成，从宽带光源1发出的光，经光纤耦合器2和多功能集成光学芯片3后分成两束，分别按顺时针和逆时针外方向沿光纤环4传输，并在多功能集成光学芯片3的Y分支的合光点上发生干涉相位差，多功能集成光学芯片3作为相位调制器将此相位差调制后返回经过光纤耦合器2到达光电探测器5；电路部分由前置放大和滤波电路6、A/D转换7、FPGA逻辑电路8、对FPGA逻辑电路产生的数字信号进行数模转换的D/A转换器9及对FPGA逻辑电路产生的2复位数字补偿信号的进行数模转换的D/A转换器10及增益控制电路15组成，放大滤波电路6对光电探测器5输出的信号进行前置放大和选通滤波，并通过A/D转换器7进行模数转换后，送入FPGA逻辑电路8对数字量进行处理，并存贮陀螺的输出信号，同时其产生的方波调制信号和数字相位阶梯波反馈信号叠加之和进行经过D/A转换9，输入到增益控制器15中，由增益控制15调整增益幅后将方波调制信号和数字相位阶梯波反馈信号之和加到多功能集成光学芯片3的一臂上。

如图3所示，FPGA逻辑电路8主要由数字解调80、加法器81、存储器82、速率寄存器83、加法器84、存储器85、加法器86、晶振88、分频器87组成，其中数字解调80、加法器81和存储器82完成对多功能集成光学芯片3输出的调制误差信号的数字回路积分功能，产生数字相位阶梯波的高度；寄存器83、加法器84和存储器85完成对数字回路积分后的信号进行二次积分，产生数字相位阶梯波，加法器86将将晶振88和分频器87产生的方波调制信号作为偏置调制与数字相位阶梯波叠加后加到多功能集成电路芯片3的一臂上，使光纤线圈中的顺时针和逆时针光波产生一个固定相位差(等于阶梯波的高度)，抵消旋转引起的Sagnac相移，光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零个位差点附近，提高光纤陀螺的标度因数稳定性和动态范围，同时回路积分输出的旋转速率数字量存储在速率寄存器83中作为陀螺的输出值。

此外，光纤陀螺小型化设计，也是提高光纤陀螺抗振性能的结构基础，因为通过小型化刚性设计，可以大大提高光纤陀螺的谐振频率。因此，本发明将图2中的光纤环4的长度减少为300m，尽可能扩大其曲率半径，光纤环4的骨架直径尺寸为φ76mm，而且改进光纤对接技术，采用套管保护，尽可能节省空间，同时电路设计分成模拟、数字电路板上下两块安装，有效降低了陀螺直径，经过设计后，本发明的光纤陀螺尺寸为φ78mm×49mm。之后，将光纤陀螺光路部分全部用硅橡胶填充，并进行固化封装，光纤环圈采用局部硅橡胶加固。

如图4、5所示，本发明中的抗冲击石英加速度计由上力矩器11、下力矩器14、粘有线圈13的石英玻璃摆片12组成，石英玻璃摆片12包括支承环21、挠性梁22、摆23、正反两面六个支承凸台24和限位凸台25，支承环21位于摆23外缘，为圆环状结构，支承环21正反两面共有六个支承凸台24，并具有两个限位凸台25，石英摆片12的中部为半圆状的摆23，摆23通过两个方形的很薄的挠性梁22与支承环21相连，在摆23与支承环21之间具有一定的间隙，两个限位凸台25处在支承环21与摆23之间的间隙之中。

如图6、7、8所示，本发明的抗冲击石英加速度计的另一结构，它由上力矩器11、下力矩器14、粘有线圈13的石英玻璃摆片12组成，石英玻璃摆片12包括支承环21、挠性梁22、摆23、六个支承凸台24，支承环21位于摆23外缘，为圆环状结构，上面正反两面共有六个支承凸台24，石英摆片12的中部为半圆状的摆23，摆23通过两个方形的很薄的挠性梁22与支承环21相连，在摆23与支承环21之间具有一定的间隙，下力矩器14具有限位销钉141，限位销钉141位于同支承环21与摆23之间的间隙相对的位置。仪表装配时，粘有线圈13的石英玻璃摆片12固定在上下力矩器之间，由于限位销钉141同支承环21与摆23之间的气隙相对，装配后限位销钉141处在支承环21与摆23之间的间隙中。上述抗冲击石英加速度计的两实施例中的限位凸台25或限位销钉41与摆23之间的间隙为

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{n_b}$

其中，δ_b为挠性梁应力等于材料极限强度时，摆的变形；n_b为安全系数。在本实施例中，挠性梁应力等于材料极限强度时，摆的变形δ_b＝0.05mm，安全系数n_b＝1.3，间隙δ≈0.04mm。

图9所示为使用现有石英玻璃摆片，加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大应力的计算结果。挠性梁的最大应力为7.159×10⁷Pa，已超过石英玻璃材料的抗拉强度5×10⁷Pa，因此挠性梁将发生断裂。

图10所示为本发明的加有限位结构的石英玻璃摆片，加速度计挠性梁在250g输出轴方向加速度作用下，最大应力的计算结果。由于限位结构的保护，挠性梁的最大应力被限为3.898×10⁷Pa，小于石英玻璃的抗拉强度5×10⁷Pa，挠性梁不会损坏。试验表明，抗冲击石英挠性加速度计可以承受250g的半正弦跌落式冲击，为惯性测量系统的抗振提供了基本保障。

经过以上各措施，大大提高了光纤陀螺的抗振动冲击能力，达到了冲击试验可承受100g的量级，过载试验可承受55g的量级，正弦扫描振动10～2000Hz/8g，振动条件下保持精度，2000Hz内无谐振等优良抗振性能。图11中给出了光纤陀螺在正弦扫描振动试验中的输出曲线。

采用全固态光纤陀螺和抗冲击石英加速计及本体薄壁加筋金属合金结构以后，惯性测量系统对外连接无需减振器，而是直接刚性相连，在表1所示的恶劣力学环境下，能够保持精度和稳定性；并且由于不存在非金属弹性连接，使惯性测量系统能够长期保持安装精度，保证可靠性和长期稳定性，在长期贮存条件下，有利于始终保持初始标定精度。

表1光纤陀螺惯性测量系统力学环境条件

正弦对数扫描振动	10～52Hz，振幅±0.75mm；52～2kHz，8g；每个方向持续时间30分钟
		随机振动	10～100Hz，+6dB/oct；100～1000Hz，0.06g2/Hz；1000～2000Hz，-6dB/oct；X、Y、Z三方向，每方向5min
冲击	70g，持续时间6～8ms，三个输入方向，每个方向3次

采用本发明前的光纤陀螺惯性测量系统在表1所示的随机振动条件下其振动中与振动前的零偏值比较相差很大，表2列出了这套光纤陀螺惯性测量系统随机振动试验振前、振中、振后零偏变化的比较，以其中的X轴为例，振动前陀螺仪的零偏值为1.3546°/h，振动中陀螺仪的零偏值为-17.3922°/h，振动前与振动中的零偏值变化为18.7468°/h，精度变化很大，不能满足零偏值变化＜10°/h的使用要求；振动前加速度计的零偏值为0.0046g，振动中加速度计的零偏值为-0.8422g，振动前与振动中的零偏值变化为0.8468g，精度变化很大，不能满足零偏值变化＜0.002g的使用要求，说明此方向抗振性能不好。其它方向的分析结果与此结论相同。

采用本发明后的光纤陀螺惯性测量系统已经研制了数十套，都经过了大量力学环境试验的考核，表3列出了其中一套光纤陀螺惯性测量系统在表1所示随机振动条件下进行试验的振前、振中、振后零偏变化的比较，同样以其中的X轴为例进行说明，振动前陀螺仪的零偏值为1.1773°/h，振动中陀螺仪的零偏值为-1.6752°/h，振动前与振动中的零偏值变化为2.8525°/h，精度变化较小，完全满足零偏值变化＜10°/h的使用要求；振动前加速度计的零偏值为-0.9900g，振动中加速度计的零偏值为-0.9915g，振动前与振动中的零偏值变化为0.0015g，满足零偏值变化＜0.002g的使用要求。其它方向的分析结果与此结论相同，充分说明采用本发明后的光纤陀螺惯性测量系统具有良好的抗振性，环境适应性强，可靠性高，工程化程度得到了很大突破。

表2采用本发明前的光纤陀螺惯性测量系统随机振动试验振前、振中、振后零偏比较

陀螺仪	均值(°/h)
					振前	振中	振后	振前与振中差
	X	1.3546	-17.3922	1.9867					18.7468
Y					3.1897	30.7859	0.4392	-27.5962
	Z	-1.9031	-25.4275	1.8555					23.5244
加速度计					均值(g)
	振前	振中	振后	振前与振中差
					X	0.0046	-0.8422	0.0076	0.8468
Y	0.0541	1.0309	0.0599	-0.9768
					Z	-0.0239	-0.9701	-0.0417	0.9462

表3采用本发明后的光纤陀螺惯性测量系统随机振动试验振前、振中、振后零偏比较

陀螺仪	均值(°/h)
					振前	振中	振后	振前与振中差
	X	1.1773	-1.6752	1.2992					2.8525
Y					1.7062	-0.3960	1.8279	2.1022
	Z	0.5701	-1.2149	0.2278					1.7850
加速度计					均值(g)
	振前	振中	振后	振前与振中差
					X	-0.9900	-0.9915	-0.9902	0.0015
Y	-0.0051	-0.0067	-0.0050	0.0016
					Z	-0.0057	-0.0039	-0.0056	-0.0018

Claims (8)

1、一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，主要包括三只光纤陀螺、三只石英加速度计、本体结构等，其特征在于：

(1)所述的光纤陀螺采用全固态数字闭环光纤陀螺；

(2)所述的加速度计采用抗冲击石英加速度计；

(3)所述的本体采用薄壁加筋金属合金结构，使得整个惯性测量系统对外连接不需减振器。

2、根据权利要求1所述的具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，其特征在于：所述的全固态数字闭环光纤陀螺由光路部分和电路部分组成，光路部分由宽带光源、光纤耦合器，光电探测器、多功能集成光学芯片和光纤线圈构成，从宽带光源发出的光，经光纤耦合器和多功能集成光学芯片后分成两束，分别按顺时针和逆时针方向沿光纤线圈传输，并在多功能集成光学芯片的Y分支的合光点上发生干涉相位差，此相位差由多功能集成光学芯片调制和反馈后经过光纤耦合器，之后到达光电探测器；电路部分包括放大滤波电路、A/D转换、FPGA逻辑电路、D/A转换器，放大滤波电路对光电探测器的输出模拟信号进行前置放大和选通滤波，并通过A/D转换器进行模数转换后，送入逻辑电路进行处理，其产生的方波调制与数字相位阶梯波反馈信号之和经过D/A转换器后加至多功能集成光学芯片的一臂上。

3、根据权利要求1所述的具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，其特征在于：根据权利要求1所述的基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺，其特征在于：所述FPGA逻辑电路由数字解调器、加法器、存储器、寄存器、晶振、分频器组成，数字解调器、第一个加法器和第一个存储器完成回路积分，产生数字相位阶梯波的高度；寄存器、第二个加法器和第二个存储器产生完整的数字相位阶梯波发生器；第三个加法器将晶振和分频器产生的方波调制信号作为偏置调制与数字相位阶梯波叠加后加到多功能集成电路芯片的一臂上。

4、根据权利要求1所述的具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，其特征在于：所述的抗冲击石英挠性加速度计由表头和伺服回路组成，加速度计表头包括上力矩器、下力矩器和位于上述两力矩器之间的粘有线圈的石英玻璃摆片，石英玻璃摆片包括支承环、挠性梁、摆和六个支承凸台，支承环位于摆片外缘，为圆环状结构，支承环上正反两面共有六个支承凸台，石英摆片的中部为半圆状的摆，摆通过两个方形的薄挠性梁与支承环相连，在沿输出轴方向上在所述的石英玻璃摆片的支承环和摆之间加有限制石英玻璃摆片变形的限位结构。

5、根据权利要求4所述的具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，其特征在于：所述的限位结构与摆之间的间隙为 $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\δ}}_b}{n_b}$ ，其中，δ_b为挠性梁应力等于材料极限强度时，摆的变形；n_b为安全系数。

6、根据权利要求4或5所述的具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，其特征在于：所述的限位结构为沿输出轴方向上设置在石英玻璃摆片支承环上的限位凸台，或设置在加速度计力矩器上同支承环与摆之间间隙相对的限位销钉。

7、根据权利要求2所述的具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，其特征在于：所述的全固态数字闭环光纤陀螺光路部分全部用硅橡胶填充，并进行固化封装，光纤环圈采用局部硅橡胶加固。

8、根据权利要求1所述的具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统，其特征在于：所述的金属合金为镁合金，或铝基复合材料。

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