一种结构复用小型三轴光纤陀螺仪的制作方法

1.本发明属于陀螺仪领域，具体涉及一种结构复用小型三轴光纤陀螺仪。


背景技术：

2.光纤陀螺作为激光陀螺之后应用sagnac效应的第二代光学陀螺，自1976年vail v和shortill r w提出光纤陀螺的概念以来，光纤陀螺得到了极大的发展。其角速度的测量精度从最初的低精度15
°
/h到现在的高精度0.001
°
/h的量级，已经成为精度范围覆盖最为全面的惯性传感器，并且广泛应用于军事和民用领域。光纤陀螺作为一种矢量传感器，存在单轴和多轴之分。特别是随着光纤陀螺技术的不断发展，多轴光纤陀螺受到了越来越多的关注。在某些特殊的应用领域，如微小型微星的姿态控制，智能航空炸弹、小型化导弹和简易制导火箭炮的导航控制等需要测量3个轴向的角速率信息。简单的采取单轴光纤陀螺进行组合，其体积大，重量重，无法达到系统的使用要求，严重制约了光纤陀螺发展。
3.传统上的三轴光纤陀螺仪方案如图1所示，采用三个互相独立的光纤环固定在一个支架上。这种方案的缺点在于：光纤环相互正交的区域会产生一个直角的空白区域，空间利用率不高；三轴光纤环较为分散，光学器件的装配难度大、占用较大空间。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种体积小、重量轻结构复用小型三轴光纤陀螺仪。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种结构复用小型三轴光纤陀螺仪，包括由底座、上盖、第二侧盖以及u型的第一侧盖形成的安装空间，所述安装空间中设置有光纤环骨架、温控驱动板、主控电路板、x轴光纤陀螺敏感环、y轴光纤陀螺敏感环、z轴光纤陀螺敏感环、x轴探测器、y轴探测器、z轴探测器、x轴y波导、y轴y波导、z轴y波导及光源组件；所述光纤环骨架安装在底座上，所述x轴光纤陀螺敏感环、y轴光纤陀螺敏感环及z轴光纤陀螺敏感环绕制在光纤环骨架上，且z轴光纤陀螺敏感环通过绕环桥片与光纤环骨架续接，所述x轴探测器、y轴探测器和z轴探测器通过螺钉安装在光纤环骨架的中部周向上，所述x轴y波导、y轴y波导和z轴y波导通过螺钉安装在光纤环骨架的下部周向上，且x轴y波导、y轴y波导和z轴y波导与x轴探测器、y轴探测器和z轴探测器交错设置，所述光源组件设置在第一侧盖和第二侧盖的连接位置，所述温控驱动板安装在第二侧盖的内侧，所述主控电路板设置在光纤环骨架顶部，且与上盖内侧连接。
6.进一步地，在绕制过程中，绕制完成x轴光纤陀螺敏感环之后，将2个绕环桥片粘接在y轴光纤陀螺敏感环的绕制路径上，以支撑y轴光纤陀螺敏感环的绕制并提升可靠性与温度特性；绕制完成y轴光纤陀螺敏感环之后，将4个绕环桥片粘接在z轴光纤陀螺敏感环的绕制路径上，以支撑z轴光纤陀螺敏感环的绕制并提升可靠性与温度特性。
7.进一步地，所述第二侧盖的上侧对称设置有两个耳座，u型的第一侧盖的两个拐角
处对称设置有两个耳座，四个耳座上均设置有用于配合螺钉固定主控电路板和上盖的螺钉孔。
8.进一步地，所述第二侧盖上的其中一个耳座下侧设置有用于固定光源组件的安装板。
9.进一步地，所述第二侧盖的中部设置有三个呈三角形布置的螺钉孔，所述螺钉孔用于配合螺钉固定温控驱动板。
10.进一步地，所述底座的四个角均设置有用于配合螺钉安装第一侧盖和第二侧盖的柱体。
11.进一步地，所述x轴y波导、y轴y波导、z轴y波导、x轴探测器、y轴探测器、z轴探测器和光源组件的多余光纤均放置在底座上。
12.进一步地，所述底座的四条边上均设置有矩形凸起，所述第一侧盖和第二侧盖的下部设置有与矩形凸起配合的矩形凹槽。
13.进一步地，所述x轴光纤陀螺敏感环和y轴光纤陀螺敏感环交叉环绕时，形成对称的四个安装空间，所述四个安装空间分布在第一侧盖和第二侧盖形成的四个拐角处，其中三个安装空间用于安装x轴探测器、y轴探测器和z轴探测器，另外一个安装空间用于安装光源组件。
14.进一步地，所述第二侧盖的两侧设置有加强筋。
15.进一步地，所述上盖上设置有x轴、y轴和z轴的轴向标识，且上盖的四个角采用直角和圆角组合。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供了一种三轴光纤陀螺仪，光纤敏感环以及y波导安装到骨架上，x轴光纤陀螺敏感环、y轴光纤陀螺敏感环、z轴光纤陀螺敏感环绕制在光纤环骨架上，x轴光纤陀螺敏感环、y轴光纤陀螺敏感环、z轴光纤陀螺敏感环之间相互垂直。其中，绕制y、z轴光纤敏感环时，由于x、y轴绕制空间将z分割，设计绕环桥片将其骨架进行续接并通过特殊的绕环工艺进行制作，提高光纤敏感环的可靠性以及温度特性，x轴y波导、y轴y波导、z轴y波导通过螺钉固定在光纤环骨架上并在底座上呈嵌入式放置，其他光学组件都布置在底座上，x轴探测器、y轴探测器、z轴探测器通过螺钉安装在光纤环骨架上，多余光纤放置在底座上，光源组件、温控驱动板固定在第二侧盖上，光源组件的多余光纤放置在底座上，通过结构一体化优化布局和设计实现了小型化设计，有效地减小三轴光纤陀螺仪的体积和重量，本发明的外形尺寸可达到50mm
×
50mm
×
50mm，重量小于200g。
17.进一步地，底座下部4个矩形凸起与第二侧盖、第一侧盖下部设计的矩形凹槽配合，用于装配时保护陀螺光纤同时方便光纤熔接装配。
18.进一步地，第二侧盖提供光源组件及温控驱动板的安装位置，并在两侧设计加强筋提高可靠性。
19.进一步地，上盖给内部器件提供保护及轴向标识，采用直角与圆角组合避免误操作。
附图说明
20.图1为常规三轴光纤陀螺光纤环配置；
图2为本发明结构复用光纤环配置；图3为本发明结构复用小型三轴光纤陀螺仪外形示意图；图4为本发明结构复用小型三轴光纤陀螺仪组成视角一示意图；图5为本发明结构复用小型三轴光纤陀螺仪组成视角二示意图；图6为本发明光纤环骨架以及y波导组合图；图7为本发明光源组件的安装示意图；图8为本发明第二侧盖外形图；图9为本发明第一侧盖外形图；图10为本发明上盖外形图。
21.其中，1、底座；2、第一侧盖；3、第二侧盖；4、上盖；5、光纤环骨架；6、温控驱动板；7、主控电路板；8、x轴光纤陀螺敏感环；9、y轴光纤陀螺敏感环；10、z轴光纤陀螺敏感环；11、x轴探测器；12、y轴探测器；13、z轴探测器；14、x轴y波导；15、y轴y波导；16、z轴y波导；17、绕环桥片；18、光源组件。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：参见图2，本发明采用有限元计算机辅助设计技术进行尺寸和形状优化设计后，设计了一种新型光纤陀螺仪结构：采用光纤环骨架复用技术在一个机械零件上承载三个正交轴向的光纤陀螺敏感环，使其呈从内而外依次增大的嵌套形式；在一个机械零件上承载三个正交轴向的探测器以及y波导，提高了其空间利用能力；最终减小了陀螺仪的体积、重量，提高光纤陀螺的轴失准特性、工艺性以及可靠性。
23.参见图3，图4和图5，本发明提供一种体积小、重量轻结构复用小型三轴光纤陀螺仪，其外形尺寸为50mm
×
50mm
×
50mm，重量小于200g。该方案零部件包括：底座1、u型的第一侧盖2、第二侧盖3、上盖4、光纤环骨架5、温控驱动板6、主控电路板7、x轴光纤陀螺敏感环8、y轴光纤陀螺敏感环9、z轴光纤陀螺敏感环10、x轴探测器11、y轴探测器12、z轴探测器13、x轴y波导14、y轴y波导15、z轴y波导16、绕环桥片17、光源组件18，底座1、上盖4、第二侧盖3以及u型的第一侧盖2形成安装空间，光纤环骨架5、温控驱动板6、主控电路板7、x轴光纤陀螺敏感环8、y轴光纤陀螺敏感环9、z轴光纤陀螺敏感环10、x轴探测器11、y轴探测器12、z轴探测器13、x轴y波导14、y轴y波导15、z轴y波导16及光源组件18设置在安装空间中。
24.参见图6，一种三轴光纤陀螺仪的光纤敏感环以及y波导安装到光纤环骨架5上，x轴光纤陀螺敏感环8、y轴光纤陀螺敏感环9、z轴光纤陀螺敏感环10绕制在光纤环骨架5上，x轴光纤陀螺敏感环8、y轴光纤陀螺敏感环9、z轴光纤陀螺敏感环10之间相互垂直。其中，绕制y轴光纤陀螺敏感环9、z轴光纤陀螺敏感环10时，由于x轴、y轴绕制空间将z轴分割，设计绕环桥片17将其骨架进行续接，即z轴光纤陀螺敏感环10通过绕环桥片17与光纤环骨架5续接，提高光纤敏感环的可靠性以及温度特性。在绕制完成x轴光纤陀螺敏感环8之后，需要将2个绕环桥片17粘接在y轴光纤陀螺敏感环9的绕制路径上，以支撑y轴光纤陀螺敏感环9的绕制并提升可靠性与温度特性；绕制完成y轴光纤陀螺敏感环9之后，需要将4个绕环桥片17粘接在z轴光纤陀螺敏感环10的绕制路径上，以支撑z轴光纤陀螺敏感环10的绕制并提升可靠性与温度特性。
25.参见图3-图6，一种三轴光纤陀螺仪的y波导安装到光纤环骨架5上， x轴y波导14 、y轴y波导15、z轴y波导16通过螺钉固定在光纤环骨架5上并在底座1上呈嵌入式放置，其他光学组件都布置法兰盘底座1上，一种三轴光纤陀螺仪的x轴探测器11、y轴探测器12、z轴探测器13通过螺钉安装在光纤环骨架5的中部周向上，多余光纤放置在底座1上，具体地，x轴y波导14、y轴y波导15和z轴y波导16通过螺钉安装在光纤环骨架5的下部周向上，且x轴y波导14、y轴y波导15和z轴y波导16与x轴探测器11、y轴探测器12和z轴探测器13交错设置。
26.参见图3-图5以及图7，一种三轴光纤陀螺仪的光源组件18、温控驱动板6固定在第二侧盖3上，光源组件18的多余光纤放置在底座1上，具体地，光源组件18设置在第一侧盖2和第二侧盖3的连接位置，所述温控驱动板6安装在第二侧盖3的内侧，所述主控电路板7设置在光纤环骨架5顶部，且与上盖4内侧连接。
27.本发明的x轴光纤陀螺敏感环8和y轴光纤陀螺敏感环9交叉环绕时，形成对称的四个安装空间，所述四个安装空间分布在第一侧盖2和第二侧盖3形成的四个拐角处，其中三个安装空间用于安装x轴探测器11、y轴探测器12和z轴探测器13，另外一个安装空间用于安装光源组件18。
28.参见图7，一种三轴光纤陀螺仪的底座1的四个角均设置有用于配合螺钉安装第一侧盖2和第二侧盖3的柱体，具体地，底座1下部4个矩形凸起与图8和图9第二侧盖3、第一侧盖2下部设计的矩形凹槽配合，用于装配时保护陀螺光纤同时方便光纤熔接装配。
29.参见图8，一种三轴光纤陀螺仪的第二侧盖3，提供光源组件18及温控驱动板6的安装位置，所述第二侧盖3的上侧对称设置有两个耳座，u型的第一侧盖2的两个拐角处对称设置有两个耳座，四个耳座上均设置有用于配合螺钉固定主控电路板7和上盖4的螺钉孔，且第二侧盖3上的其中一个耳座下侧设置有用于固定光源组件18的安装板，第二侧盖3的中部设置有三个呈三角形布置的螺钉孔，所述螺钉孔用于配合螺钉固定温控驱动板6，并在第二侧盖3的两侧设计加强筋提高可靠性。
30.参见图10，一种三轴光纤陀螺仪的上盖4上设置有x轴、y轴和z轴的轴向标识，且上盖4的四个角采用直角和圆角组合，给系统内部器件提供保护及轴向标识，采用直角与圆角组合避免误操作。