一種具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統的製作方法

2023-12-11 15:32:32 5

專利名稱：一種具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖陀螺慣性測量系統，特別是一種具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統。
背景技術：
慣性測量系統是實現飛彈、運載火箭等飛行器制導與穩定控制的關鍵敏感測量設備和基準信息源，能夠在飛行過程中為飛行器建立基準坐標系，敏感其運動的角速度、視加速度，準確測量姿態、位置、速度等，並通過接口高速輸出數據，同時為慣性制導和姿態控制系統提供測量信息，以實現穩定飛行，準確命中目標。新型戰術武器不僅要求快速反應、機動突防、精確打擊能力，還要求小型化、多功能，在惡劣的環境條件下保持高可靠性、適應強烈的振動、衝擊和大過載，同時要求性能保持長期穩定和高壽命，能夠在長期貯存條件下始終保持性能穩定，這對其中的慣性測量系統提出了很高的要求。
基於傳統慣性器件的慣性測量系統往往採用慣組加速率陀螺、結構與電源系統分開等方式很難實現小型化，由於機械式慣性儀表存在高速轉子，自身抗振性能差，對外連接需要依靠減振器才能適應彈上惡劣的力學環境要求，這就需要在役期內多次進行測試、標定與維修，長期穩定性不能保證，而且後期維護成本高，以上分析表明基於傳統慣性器件的慣性測量系統不能滿足新型戰術武器的要求。
光纖陀螺是一種基於Sagnac效應的新型全固態慣性儀表，具有體積小，重量輕，高可靠性，抗振動、衝擊，力學環境特性好等優點，因而光纖陀螺慣性測量系統以其優良的性能成為國內外新型制導與控制系統研製中的關鍵支撐性高新技術。國外中低精度的光纖陀螺及其慣性測量系統雖然已經產品化，但是其關鍵技術和設備都是嚴格封鎖和保密的，國內也有相當多的單位進行光纖陀螺的研製，但在光纖陀螺及其慣性測量系統的工程化技術方面一直未能突破，尤其在其性能指標的一致性、研製技術的穩定性和產品的環境適應性尤其是具有高的抗振性和抗衝擊能力方面一直不能滿足軍民品領域應用的要求。
初期研製的光纖陀螺尺寸大、光纖環和光纖陀螺內部光路部分沒有進行固化封裝，有的雖然進行了固化處理，但傳統的固化方法和材料等不能與光纖這種新型材料相匹配，因而光纖陀螺的抗振性和其它性能指標都不高。現有的加速度計抗衝擊性能較差，當加速度計受到沿輸出軸方向的大衝擊時，石英撓性擺片將發生很大變形，一旦撓性梁受到的應力大於材料的強度，撓性梁就會發生斷裂失效。本體結構設計方面只提供部分儀表的安裝定位，電路部分和本體部分分別安裝在另一底座上，體積大、重量大，系統必須採用減振器對外連接，只能適應較低的力學環境條件要求，不能滿足彈(箭)的在發射、飛行和再入階段等過程中的強烈振動、衝擊和大過載。

發明內容
本發明的技術解決問題是提供一種具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，該裝置抗振性能好、可靠性高、環境適應性強、長期穩定性好、工程化程度高，可以迅速推廣應用。
本發明的技術解決方案是一種具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，主要包括三隻光纖陀螺、三隻石英加速度計、本體結構等，其特點在於(1)所述的光纖陀螺採用全固態數字閉環光纖陀螺；(2)所述的加速度計採用抗衝擊石英加速度計；(3)所述的本體採用薄壁加筋金屬合金結構，使得整個慣性測量系統對外連接不需減振器而能滿足惡劣的力學環境要求。
所述的全固態數字閉環光纖陀螺由光路部分和電路部分組成，光路部分由寬帶光源、光纖耦合器，光電探測器、多功能集成光學晶片和光纖線圈構成，從寬帶光源發出的光，經光纖耦合器和多功能集成光學晶片後分成兩束，分別按順時針和逆時針方向沿光纖線圈傳輸，並在多功能集成光學晶片的Y分支的合光點上發生幹涉相位差，此相位差由多功能集成光學晶片調製和反饋後經過光纖耦合器，之後到達光電探測器；電路部分包括放大濾波電路、A/D轉換、FPGA邏輯電路、D/A轉換器，放大濾波電路對光電探測器的輸出模擬信號進行前置放大和選通濾波，並通過A/D轉換器進行模數轉換後，送入邏輯電路進行處理，其產生的方波調製與數字相位階梯波反饋信號之和經過D/A轉換器後加至多功能集成光學晶片的一臂上。
所述的抗衝擊石英撓性加速度計由表頭和伺服迴路組成，加速度計表頭包括上力矩器、下力矩器和位於上述兩力矩器之間的粘有線圈的石英玻璃擺片，石英玻璃擺片包括支承環、撓性梁、擺和六個支承凸臺，支承環位於擺片外緣，為圓環狀結構，支承環上正反兩面共有六個支承凸臺，石英擺片的中部為半圓狀的擺，擺通過兩個方形的薄撓性梁與支承環相連，在沿輸出軸方向上在所述的石英玻璃擺片的支承環和擺之間加有限制石英玻璃擺片變形的限位結構。
本發明與現有技術相比的優點在於由於採用全固態數字閉環光纖陀螺、抗衝擊石英撓性加速度計和本體薄壁加筋金屬合金結構，使本發明在對外連接無需任何減振的情況下，能夠承受惡劣的衝擊、振動等力學環境條件並保持較好精度，同時也使慣性測量系統保持了安裝精度的長期穩定性，提高了慣性測量系統的綜合性能。


圖1為本發明的結構組成原理框圖；圖2為圖1中的光纖陀螺原理框圖；圖3圖2中的FPGA邏輯電路原理框圖；圖4為圖1中石英加速度計的結構示意圖；圖5為圖4中加有限位凸臺的石英玻璃擺片外形示意圖；圖6為圖4中加有限位銷釘的下力矩器頂視圖；圖7為圖4中加有限位銷釘的力矩器結構示意圖；圖8為圖1中石英加速度計裝配後，限位銷釘與擺片之間的位置關係圖；
圖9為現有的石英加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大拉應力示意圖；圖10為本發明中的抗衝擊石英加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大拉應力示意圖；圖11為本發明中的光纖陀螺在10～2000Hz/8g正弦掃描下的輸出曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統主要包括三隻光纖陀螺、三隻石英加速度計、本體結構等，其中採用正交放置的三個光纖陀螺完成被測體坐標系三個軸的角速度測量，三個光纖陀螺採用全固態數字閉環光纖陀螺；三個石英加速度計正交放置完成被測體坐標系三個軸的加速度測量，三個石英加速度計採用抗衝擊石英加速度計；計算機實現信號處理，它在4ms周期內完成從陀螺和加速度計信號取樣、誤差補償，發送數據給被測體上計算機和遙測系統的功能，具有高速採集、處理、傳輸功能；二次電源把一次電源變換為上述部件所需的直流電源；本體結構用於安裝上述部件，它採用薄壁加筋鋁合金或鎂合金金屬合金或鋁基複合材料等，要保證光纖陀螺和加速度計敏感軸三軸正交性，提供電磁屏蔽與減振功能，保證需要的剛度。提供與被測體的連接基準和連接孔，同時使得整個慣性測量系統對外連接不需減振器而能滿足惡劣的力學環境要求。
光纖陀螺是利用光纖構成的一種環狀幹涉儀，屬純光學、靜止型陀螺，從本質上擺脫了轉子陀螺的範疇，無運動部件，全固體化，抗振和抗衝擊性能基礎好；但是內部光纖細而輕，纏繞在軸上和散布在腔內的光纖如果不加以合理固定，極易在振動和衝擊等過程中發生位移或受到應力，影響光信號在光路中傳輸，從而影響光纖陀螺的性能；光纖經過合理的加固處理後，在振動條件下就可以保持初始位置，光信號在光路中傳輸時就不會受到影響，因而全固態化的光纖陀螺，具有優良的抗振和抗衝擊性能。
為了滿足小型化的要求，本體結構設計時體積和質量受到很大的限制，安裝儀表的部位壁很薄，強度和剛度不足，抗振性能差，在採用加筋結構後抗振性能得到了一定的提高，但是還不能完全滿足要求，在結構限制無法突破的情況下，必須採用新型密度小、具有更高比強度和比高度的結構材料來取代傳統的LY12結構材料。本實施例的本體結構採用Al/SiCp鋁基複合材料後，其密度與LY12接近，但強度和剛度高，在同樣壁厚的情況下抗振性能大大提高；同時本體外罩採用密度更小的鎂合金材料，不僅質量輕，還具有吸振性能和電磁屏蔽性能。
如圖2所示，本發明採用的全固態數字閉環光纖陀螺由光路部分和電路部分組成，光路部分由寬帶光源1、光纖耦合器2、光電探測器5、多功能集成光學晶片3和光纖環4構成，從寬帶光源1發出的光，經光纖耦合器2和多功能集成光學晶片3後分成兩束，分別按順時針和逆時針外方向沿光纖環4傳輸，並在多功能集成光學晶片3的Y分支的合光點上發生幹涉相位差，多功能集成光學晶片3作為相位調製器將此相位差調製後返回經過光纖耦合器2到達光電探測器5；電路部分由前置放大和濾波電路6、A/D轉換7、FPGA邏輯電路8、對FPGA邏輯電路產生的數位訊號進行數模轉換的D/A轉換器9及對FPGA邏輯電路產生的2復位數字補償信號的進行數模轉換的D/A轉換器10及增益控制電路15組成，放大濾波電路6對光電探測器5輸出的信號進行前置放大和選通濾波，並通過A/D轉換器7進行模數轉換後，送入FPGA邏輯電路8對數字量進行處理，並存貯陀螺的輸出信號，同時其產生的方波調製信號和數字相位階梯波反饋信號疊加之和進行經過D/A轉換9，輸入到增益控制器15中，由增益控制15調整增益幅後將方波調製信號和數字相位階梯波反饋信號之和加到多功能集成光學晶片3的一臂上。
如圖3所示，FPGA邏輯電路8主要由數字解調80、加法器81、存儲器82、速率寄存器83、加法器84、存儲器85、加法器86、晶振88、分頻器87組成，其中數字解調80、加法器81和存儲器82完成對多功能集成光學晶片3輸出的調製誤差信號的數字迴路積分功能，產生數字相位階梯波的高度；寄存器83、加法器84和存儲器85完成對數字迴路積分後的信號進行二次積分，產生數字相位階梯波，加法器86將將晶振88和分頻器87產生的方波調製信號作為偏置調製與數字相位階梯波疊加後加到多功能集成電路晶片3的一臂上，使光纖線圈中的順時針和逆時針光波產生一個固定相位差(等於階梯波的高度)，抵消旋轉引起的Sagnac相移，光纖陀螺始終工作在靈敏度最高的零個位差點附近，提高光纖陀螺的標度因數穩定性和動態範圍，同時迴路積分輸出的旋轉速率數字量存儲在速率寄存器83中作為陀螺的輸出值。
此外，光纖陀螺小型化設計，也是提高光纖陀螺抗振性能的結構基礎，因為通過小型化剛性設計，可以大大提高光纖陀螺的諧振頻率。因此，本發明將圖2中的光纖環4的長度減少為300m，儘可能擴大其曲率半徑，光纖環4的骨架直徑尺寸為φ76mm，而且改進光纖對接技術，採用套管保護，儘可能節省空間，同時電路設計分成模擬、數字電路板上下兩塊安裝，有效降低了陀螺直徑，經過設計後，本發明的光纖陀螺尺寸為φ78mm×49mm。之後，將光纖陀螺光路部分全部用矽橡膠填充，並進行固化封裝，光纖環圈採用局部矽橡膠加固。
如圖4、5所示，本發明中的抗衝擊石英加速度計由上力矩器11、下力矩器14、粘有線圈13的石英玻璃擺片12組成，石英玻璃擺片12包括支承環21、撓性梁22、擺23、正反兩面六個支承凸臺24和限位凸臺25，支承環21位於擺23外緣，為圓環狀結構，支承環21正反兩面共有六個支承凸臺24，並具有兩個限位凸臺25，石英擺片12的中部為半圓狀的擺23，擺23通過兩個方形的很薄的撓性梁22與支承環21相連，在擺23與支承環21之間具有一定的間隙，兩個限位凸臺25處在支承環21與擺23之間的間隙之中。
如圖6、7、8所示，本發明的抗衝擊石英加速度計的另一結構，它由上力矩器11、下力矩器14、粘有線圈13的石英玻璃擺片12組成，石英玻璃擺片12包括支承環21、撓性梁22、擺23、六個支承凸臺24，支承環21位於擺23外緣，為圓環狀結構，上面正反兩面共有六個支承凸臺24，石英擺片12的中部為半圓狀的擺23，擺23通過兩個方形的很薄的撓性梁22與支承環21相連，在擺23與支承環21之間具有一定的間隙，下力矩器14具有限位銷釘141，限位銷釘141位於同支承環21與擺23之間的間隙相對的位置。儀表裝配時，粘有線圈13的石英玻璃擺片12固定在上下力矩器之間，由於限位銷釘141同支承環21與擺23之間的氣隙相對，裝配後限位銷釘141處在支承環21與擺23之間的間隙中。上述抗衝擊石英加速度計的兩實施例中的限位凸臺25或限位銷釘41與擺23之間的間隙為=bnb]]>其中，δb為撓性梁應力等於材料極限強度時，擺的變形；nb為安全係數。在本實施例中，撓性梁應力等於材料極限強度時，擺的變形δb＝0.05mm，安全係數nb＝1.3，間隙δ≈0.04mm。
圖9所示為使用現有石英玻璃擺片，加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大應力的計算結果。撓性梁的最大應力為7.159×107Pa，已超過石英玻璃材料的抗拉強度5×107Pa，因此撓性梁將發生斷裂。
圖10所示為本發明的加有限位結構的石英玻璃擺片，加速度計撓性梁在250g輸出軸方向加速度作用下，最大應力的計算結果。由於限位結構的保護，撓性梁的最大應力被限為3.898×107Pa，小於石英玻璃的抗拉強度5×107Pa，撓性梁不會損壞。試驗表明，抗衝擊石英撓性加速度計可以承受250g的半正弦跌落式衝擊，為慣性測量系統的抗振提供了基本保障。
經過以上各措施，大大提高了光纖陀螺的抗振動衝擊能力，達到了衝擊試驗可承受100g的量級，過載試驗可承受55g的量級，正弦掃描振動10～2000Hz/8g，振動條件下保持精度，2000Hz內無諧振等優良抗振性能。圖11中給出了光纖陀螺在正弦掃描振動試驗中的輸出曲線。
採用全固態光纖陀螺和抗衝擊石英加速計及本體薄壁加筋金屬合金結構以後，慣性測量系統對外連接無需減振器，而是直接剛性相連，在表1所示的惡劣力學環境下，能夠保持精度和穩定性；並且由於不存在非金屬彈性連接，使慣性測量系統能夠長期保持安裝精度，保證可靠性和長期穩定性，在長期貯存條件下，有利於始終保持初始標定精度。
表1光纖陀螺慣性測量系統力學環境條件

採用本發明前的光纖陀螺慣性測量系統在表1所示的隨機振動條件下其振動中與振動前的零偏值比較相差很大，表2列出了這套光纖陀螺慣性測量系統隨機振動試驗振前、振中、振後零偏變化的比較，以其中的X軸為例，振動前陀螺儀的零偏值為1.3546°/h，振動中陀螺儀的零偏值為-17.3922°/h，振動前與振動中的零偏值變化為18.7468°/h，精度變化很大，不能滿足零偏值變化＜10°/h的使用要求；振動前加速度計的零偏值為0.0046g，振動中加速度計的零偏值為-0.8422g，振動前與振動中的零偏值變化為0.8468g，精度變化很大，不能滿足零偏值變化＜0.002g的使用要求，說明此方向抗振性能不好。其它方向的分析結果與此結論相同。
採用本發明後的光纖陀螺慣性測量系統已經研製了數十套，都經過了大量力學環境試驗的考核，表3列出了其中一套光纖陀螺慣性測量系統在表1所示隨機振動條件下進行試驗的振前、振中、振後零偏變化的比較，同樣以其中的X軸為例進行說明，振動前陀螺儀的零偏值為1.1773°/h，振動中陀螺儀的零偏值為-1.6752°/h，振動前與振動中的零偏值變化為2.8525°/h，精度變化較小，完全滿足零偏值變化＜10°/h的使用要求；振動前加速度計的零偏值為-0.9900g，振動中加速度計的零偏值為-0.9915g，振動前與振動中的零偏值變化為0.0015g，滿足零偏值變化＜0.002g的使用要求。其它方向的分析結果與此結論相同，充分說明採用本發明後的光纖陀螺慣性測量系統具有良好的抗振性，環境適應性強，可靠性高，工程化程度得到了很大突破。
表2採用本發明前的光纖陀螺慣性測量系統隨機振動試驗振前、振中、振後零偏比較

表3採用本發明後的光纖陀螺慣性測量系統隨機振動試驗振前、振中、振後零偏比較

權利要求
1.一種具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，主要包括三隻光纖陀螺、三隻石英加速度計、本體結構等，其特徵在於(1)所述的光纖陀螺採用全固態數字閉環光纖陀螺；(2)所述的加速度計採用抗衝擊石英加速度計；(3)所述的本體採用薄壁加筋金屬合金結構，使得整個慣性測量系統對外連接不需減振器。
2.根據權利要求1所述的具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，其特徵在於所述的全固態數字閉環光纖陀螺由光路部分和電路部分組成，光路部分由寬帶光源、光纖耦合器，光電探測器、多功能集成光學晶片和光纖線圈構成，從寬帶光源發出的光，經光纖耦合器和多功能集成光學晶片後分成兩束，分別按順時針和逆時針方向沿光纖線圈傳輸，並在多功能集成光學晶片的Y分支的合光點上發生幹涉相位差，此相位差由多功能集成光學晶片調製和反饋後經過光纖耦合器，之後到達光電探測器；電路部分包括放大濾波電路、A/D轉換、FPGA邏輯電路、D/A轉換器，放大濾波電路對光電探測器的輸出模擬信號進行前置放大和選通濾波，並通過A/D轉換器進行模數轉換後，送入邏輯電路進行處理，其產生的方波調製與數字相位階梯波反饋信號之和經過D/A轉換器後加至多功能集成光學晶片的一臂上。
3.根據權利要求1所述的具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，其特徵在於根據權利要求1所述的基於FPGA的全數字處理閉環光纖陀螺，其特徵在於所述FPGA邏輯電路由數字解調器、加法器、存儲器、寄存器、晶振、分頻器組成，數字解調器、第一個加法器和第一個存儲器完成迴路積分，產生數字相位階梯波的高度；寄存器、第二個加法器和第二個存儲器產生完整的數字相位階梯波發生器；第三個加法器將晶振和分頻器產生的方波調製信號作為偏置調製與數字相位階梯波疊加後加到多功能集成電路晶片的一臂上。
4.根據權利要求1所述的具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，其特徵在於所述的抗衝擊石英撓性加速度計由表頭和伺服迴路組成，加速度計表頭包括上力矩器、下力矩器和位於上述兩力矩器之間的粘有線圈的石英玻璃擺片，石英玻璃擺片包括支承環、撓性梁、擺和六個支承凸臺，支承環位於擺片外緣，為圓環狀結構，支承環上正反兩面共有六個支承凸臺，石英擺片的中部為半圓狀的擺，擺通過兩個方形的薄撓性梁與支承環相連，在沿輸出軸方向上在所述的石英玻璃擺片的支承環和擺之間加有限制石英玻璃擺片變形的限位結構。
5.根據權利要求4所述的具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，其特徵在於所述的限位結構與擺之間的間隙為=bnb]]>，其中，δb為撓性梁應力等於材料極限強度時，擺的變形；nb為安全係數。
6.根據權利要求4或5所述的具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，其特徵在於所述的限位結構為沿輸出軸方向上設置在石英玻璃擺片支承環上的限位凸臺，或設置在加速度計力矩器上同支承環與擺之間間隙相對的限位銷釘。
7.根據權利要求2所述的具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，其特徵在於所述的全固態數字閉環光纖陀螺光路部分全部用矽橡膠填充，並進行固化封裝，光纖環圈採用局部矽橡膠加固。
8.根據權利要求1所述的具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，其特徵在於所述的金屬合金為鎂合金，或鋁基複合材料。
全文摘要
一種具有高抗振性能的光纖陀螺慣性測量系統，主要包括三隻光纖陀螺、三隻石英加速度計、本體結構等，其特點在於(1)所述的光纖陀螺採用全固態數字閉環光纖陀螺；(2)所述的加速度計採用抗衝擊石英加速度計；(3)所述的本體採用薄壁加筋金屬合金結構。本發明在對外連接無需任何減振的情況下，能夠承受惡劣的衝擊、振動等力學環境條件並保持較好精度，同時也使慣性測量系統保持了安裝精度的長期穩定性，提高了慣性測量系統的綜合性能。
文檔編號G01C19/72GK1687708SQ20051007485
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月7日 優先權日2005年6月7日
發明者王巍, 張志鑫, 楊清生, 張桂才, 張紅, 朱紅生, 單聯潔, 丁東發, 王頌邦, 張元春 申請人:中國航天時代電子公司