CN201522284U - 一种快速启动的激光陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种陀螺仪，具体涉及一种快速启动的激光陀螺仪。目的是提供快速启动的激光陀螺仪。包括：高压电源、前放电路、稳流电路、激光陀螺、控制电路；其中，激光陀螺用于敏感载体相对于惯性空间的运动角速率；高压电源用于提供激光陀螺启辉、稳频以及机械抖动所需的二次电源；前放电路用于对陀螺输出的光电信号进行前级放大；稳流电路用于控制陀螺两个阳极放电电流的大小；控制电路主要用于实现陀螺的启辉控制、稳频控制和机抖控制；其中，在光学块体中，能够照射到阴极的位置安装有近紫外发光灯。本实用新型优点是近紫外波段的发光光源对激光陀螺的阴极进行照射，在短时间内大量增加陀螺放电腔内的初始载流子密度，缩短陀螺仪启动时间。

Description

一种快速启动的激光陀螺仪

技术领域

本实用新型涉及一种陀螺仪，特别是一种冷态下能快速启动的激光陀螺仪。

背景技术

激光陀螺的启辉主要是通过高压电源提供启辉电压，在陀螺的电极(阴、阳极)之间形成一定强度的电场，加速陀螺放电腔内的初始阳离子碰撞阴极激发阴极次级电子的发射，次级电子在电场加速作用下继续与中性原子碰撞，并电离产生新的阳离子和电子。此过程相互作用影响，使载流子(阳离子和电子)数迅速增加，产生繁流放电过程，形成陀螺的辉光放电。

激光陀螺的启辉属于He-Ne气体的低气压等离子辉光放电过程。陀螺谐振腔内充满一定比例和压强的He-Ne增益介质气体，通过在陀螺的阴、阳电极之间施加高电压，瞬间击穿惰性气体产生辉光放电，从而达到陀螺启辉的目的。气体达到稳定辉光放电，需要经历非自持放电和自持放电过程。非自持放电，参与导电的初始电子是由外界催离剂(催离剂包括自然界中的紫外线、γ射线等宇宙射线等)对阴极表面电子进行激发产生的，随着外加电压的升高，放电管内电子动能增加，电子与中性原子发生碰撞电离作用，使载流子数雪崩式增加，即发生繁流放电过程，接着通过放电管的电流突增，管压降(阴、阳极之间的电压差)迅速降低，于是就由非自持放电过渡到了自持放电。在繁流放电中，电子在一个自由程所获得的能量与电场强度成正比。陀螺辉光放电伏安特性曲线见图1。

陀螺启辉过程是气体放电从非自持向自持转变的过程，陀螺要启辉需要建立放电管内电子和离子稳定的定向移动。在启辉开始阶段，放电管内的初始载流子主要由外界催离剂对阴极表面电子进行激发提供。在催离剂作用下，阴极表面逸出的少量电子在外界电场的作用下加速，并与中性原子碰撞，电离产生新的电子和阳离子。其中，阳离子加速并撞击阴极，激发次级电子发射。外界电场由施加在放电管两端的启辉电压提供。次级电子在电场加速作用下继续与中性原子碰撞，又电离产生新的电子和阳离子。此过程相互作用影响，使载流子(电子和阳离子)数迅速增加，从而达到正常放电需要的电流强度。

当陀螺启辉并熄灭后，放电毛细管内仍然会残留大量自由电子和离子，但是这些载流子会随着时间的推移缓慢发生复合，因此，当激光陀螺被安装在密闭的陀螺仪安装盒内，与外界催离剂隔离贮存一段时间后，由于陀螺谐振腔内的自由电子和离子等初始载流子数量非常稀少，特别是激光陀螺安装在陀螺仪的密封盒体中之后，在完全没有光照的情况下，导致陀螺在启辉时需要经过相对较长的时间才能产生足够的载流子数，形成繁流放电过程，表现为陀螺仪启辉时间较长(一般为5s以上)，不能满足系统快速启动(要求启动时间不大于4s)的使用要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种快速启动的激光陀螺仪，通过增加陀螺放电腔内的初始载流子密度，有效缩短形成繁流放电过程所需的载流子数累积时间，从而缩短陀螺仪启动时间。

本实用新型是这样实现的：一种快速启动的激光陀螺仪，包括：高压电源、前放电路、稳流电路、激光陀螺、控制电路；其中，激光陀螺用于敏感载体相对于惯性空间的运动角速率；高压电源用于提供激光陀螺启辉、稳频以及机械抖动所需的二次电源；前放电路用于对陀螺输出的光电信号进行前级放大；稳流电路用于控制陀螺两个阳极放电电流的大小；控制电路主要用于实现陀螺的启辉控制、稳频控制和机抖控制；

其中，在光学块体中，能够照射到阴极的位置安装有近紫外发光灯。

如上所述的一种快速启动的激光陀螺仪，其中，在所述的近紫外发光灯一侧安装有反光片，反光片和阴极位于近紫外发光灯相对的两侧。

本实用新型的优点是，近紫外波段的发光光源对激光陀螺的阴极进行照射，使阴极表面的电子挣脱逸出功的束缚逃逸出来，在较短时间内大量增加陀螺放电腔内的初始载流子密度，有效缩短形成繁流放电过程所需的载流子数累积时间，从而达到缩短陀螺仪启动时间的目的，当陀螺仪在冷态下启动时，效果更加突出，将现有启动时间为5s～20s甚至更长缩短到4s以内，。

附图说明

图1辉光放电伏安特性曲线；

图2是本实用新型所示的快速启动的激光陀螺仪的整体结构示意图；

图3是快速启动的激光陀螺仪中的激光陀螺的结构示意图；

图4是近紫外灯在陀螺上的安装示意图；

图5陀螺光学块体的透光谱线；

图6近紫外灯的发光谱线；

图7陀螺仪启动过程的控制流程图。

其中，1、高压电源，2、前放电路，3、稳流电路，4、激光陀螺，5、阴极，6、光学块体，7、近紫外发光灯，8、反光片，9、阳极，10、控制电路。

具体实施方式

如图2所示，陀螺仪主要包括：高压电源1、前放电路2、稳流电路3、激光陀螺4、控制电路10等。其中，激光陀螺4是陀螺仪的核心部件，主要用于敏感载体相对于惯性空间的运动角速率；高压电源主要用于提供激光陀螺启辉、稳频以及机械抖动所需的二次电源；前放电路主要用于对陀螺输出的光电信号进行前级放大；稳流电路主要用于控制陀螺两个阳极放电电流的大小；控制电路主要用于实现陀螺的启辉控制、稳频控制和机抖控制。图1中，控制电路安装在激光陀螺、高压电源等的上端，陀螺仪实现整体密封。

其中，如图3和图4所示，在光学块体中，能够照射到阴极的位置安装有近紫外发光灯7，在近紫外发光灯7一侧安装有反光片8，反光片8和阴极5位于近紫外发光灯7相对的两侧。

从陀螺启辉过程分析来看，陀螺启辉主要受到以下三个重要因素影响：外加电场强度、初始载流子密度以及阴极的次级电子发射能力。其中，外加电场强度由高压电源提供的启辉电压决定，启辉电压越高，电场强度则越强，越有利于陀螺启辉；阴极的次级电子发射能力越强，在相同条件下，阴极发射的次级电子数就越多，陀螺越容易启辉。但如果启辉电压过高，会给陀螺仪内部的绝缘提出较高的要求，影响陀螺仪的安全性；陀螺阴极的次级电子发射系数表征次级电子的发射能力，阴极表面氧化层越薄，次级电子发射系数则越大，次级电子发射能力则越强，但阴极表面氧化层过薄会对阴极的使用寿命造成不利影响。在启辉电压值以及陀螺阴极的次级电子发射系数一定的情况下，为了缩短陀螺仪的启辉时间(特别是在冷态下)，提高陀螺仪启辉的可靠性，可以采用近紫外发光灯管(或近紫外LED)预先对陀螺阴极进行照射，使阴极表面的电子挣脱逸出功的束缚逃逸出来，在较短时间内大量增加陀螺放电腔内的初始载流子密度，缩短形成繁流放电过程所需的载流子数累积时间，进而有效缩短陀螺仪的启动时间。

通过发光灯管发出的近紫外射线对阴极进行照射，使阴极表面的大量电子在短时间内获得足够的能量以克服逸出功的束缚从阴极表面逃逸出来，逸出的电子在外加电场的加速作用下与中性原子碰撞电离产生新的电子和离子，初始载流子密度在较短时间内就能达到一定水平。

光子的能量 $E=\mathrm{hv}=\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}},$ 其中，h为普朗克常数，c为光速，λ为光波长。波长越短的光线频率越高，光子的能量就越大。因此采用波长较短的光线对陀螺阴极进行照射，可以有效增加阴极表面逸出电子的数量和速度。只有当照射光子的能量大于等于阴极表面电子的逸出功时，才会有部分电子挣脱逸出功的束缚从阴极表面逃逸出来，因此，照射光线的波长必须满足一定范围要求，即根据公式 $E=\mathrm{hv}=\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}}$ 计算得出照射光线的最大波长(或最小频率)，其中E为阴极表面电子逸出功。纯铝材料的电子逸出功约为4.3eV，对应照射光线的最大波长约为380nm；氧化铝材料的电子逸出功仅约为2.8eV，对应照射光线的最大波长约为443nm。

由于发光灯管在对陀螺阴极表面进行照射时，需要先透过陀螺光学块体，而光学块体会对发光灯管发出的不同波长的射线会有不同程度的吸收和衰减，因此，需要对陀螺光学块体的透光谱线进行测试和分析。陀螺光学块体材料微晶玻璃Zerodur(德国SCHOTT公司)的透光谱线如图5所示，横轴表示光线的波长，纵轴表示光线的透过率。从图5的透光谱线可以看出，陀螺光学块体的透光波长在380nm附近，在紫外和可见光波段，当照射光的波长低于380nm时，照射光线的透过率衰减非常厉害，甚至几乎为零，只有当照射光的波长大于380nm时(透过窗口)，才会有部分光线透过陀螺光学块体照射到阴极，因此，照射光线的波长不能太低，在满足阴极表面电子逸出功要求的同时，必须保证有足够的光线能够透过陀螺光学块体而不被吸收。

为了防止陀螺在长期使用过程中，气体放电产生的离子轰击陀螺的铝阴极表面，对阴极造成溅射，保证陀螺的阴极使用寿命，一般都通过阴极氧化工艺方法对高纯铝材料的铝阴极进行氧化处理，在阴极表面生成致密而均匀的氧化层对阴极进行保护。由于氧化铝材料的电子逸出功相对于纯铝材料低很多，对应照射光线的最大波长大于陀螺光学块体的透过窗口，而纯铝材料对应照射光线的最大波长则在陀螺光学块体的透过窗口附近，因此可以选择波长在380nm～443nm范围内的光源对陀螺阴极进行照射，使照射光线能穿透陀螺光学块体，并将足够的能量传递给氧化铝表面电子，使部分电子挣脱逸出功的束缚从阴极表面逃逸出来，然后在外加电场的加速作用下继续与中性粒子碰撞电离，从而可以在较短时间内产生大量的初始载流子，进而有效缩短激光陀螺的启辉时间。

我们选择了一种小型的近紫外发光灯作为照射光源，采用其工作过程中发射的近紫外光对陀螺阴极进行照射。该发光灯的额定电压为6V，所需的额定工作电流为60mA。将近紫外发光灯安装固定在陀螺安装孔内最靠近阴极的地方，使其发光面正对陀螺阴极的内表面以最近距离最大限度的对陀螺阴极进行照射，使大量电子能够挣脱逸出功的束缚从阴极表面逃逸出来，从而大大增加初始载流子的密度。为了使尽可能多的光线透过陀螺光学块体照射到阴极内表面，陀螺安装孔内表面在发光灯安装处要求其表面粗糙度控制在0.2以内，同时，在发光灯的背面(与照射方向相反的方向)紧贴发光灯安装一个U形的金属反光片，最大限度的将发光灯所发出的光线聚集到陀螺阴极内表面。近紫外发光灯在陀螺上的安装示意图如图4所示。我们通过光功率计对近紫外发光灯波长在353nm～514nm范围内的发光谱进行了测试，发光灯与光功率计的光敏面之间的距离为陀螺仪中发光灯安装固定位置与阴极内表面之间的最大间距，测试结果如图6所示。由测试曲线可以看出，发光灯发出波长在382nm～442nm范围内的近紫外光线能量较强，由前面的分析可知，该波段的光线能够透过陀螺光学块体的透过窗口将能量传递给阴极表面的电子。

近紫外灯的开关控制可以由陀螺仪电路来实现。陀螺仪上电后，陀螺仪电路先发出开通信号，点亮近紫外灯，时间为2s；2s后陀螺仪电路再发出陀螺启辉控制信号，控制信号延迟时间为500ms，控制高压电源输出启辉电压；之后，启辉控制信号停止输出，进而高压电源停止输出启辉电压。过程中陀螺仪电路一直输出开通信号控制近紫外灯处于发光状态，当陀螺仪电路通过采集的陀螺功率信号判断出陀螺被点亮时，陀螺仪电路不再发出启辉控制信号，同时驱动近紫外灯的控制信号也由开通状态变成关断状态，近紫外灯熄灭；否则陀螺仪电路继续发出启辉控制信号，驱动近紫外灯的控制信号也一直处于开通状态，近紫外灯一直发光。陀螺启辉次数设定最多为3次，启辉间隔时间为60ms。陀螺仪的整个启动时间严格控制在4s以内，如果启辉3次后陀螺仍没有被点亮，则不再发出启辉控制信号，陀螺仪对外输出启辉失败信号。陀螺仪启动过程的控制流程图如图7所示。

我们进行了上百次的激光陀螺仪启辉验证试验，试验结果表明：在相同条件下，采取了近紫外灯照射措施的激光陀螺仪相对于没有采取措施时启动时间明显缩短，由原来5s～20s甚至更长缩短到4s以内，试验效果明显。

Claims (2)

1.一种快速启动的激光陀螺仪，包括：高压电源(1)、前放电路(2)、稳流电路(3)、激光陀螺(4)、控制电路(10)；其中，激光陀螺(4)用于敏感载体相对于惯性空间的运动角速率；高压电源(1)用于提供激光陀螺(4)启辉、稳频以及机械抖动所需的二次电源；前放电路(2)用于对陀螺输出的光电信号进行前级放大；稳流电路(3)用于控制陀螺两个阳极放电电流的大小；控制电路(10)主要用于实现陀螺的启辉控制、稳频控制和机抖控制；

其特征在于：在光学块体(6)中，能够照射到阴极(5)的位置安装有近紫外发光灯(7)。

2.如权利要求1所述的一种快速启动的激光陀螺仪，其特征在于：在所述的近紫外发光灯(7)一侧安装有反光片(8)，反光片(8)和阴极(5)位于近紫外发光灯(7)相对的两侧。

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