一种具有弹性双环缓冲结构的抗高过载惯性系统

1.本发明属于微机电器件力学防护及减振技术领域，具体涉及一种具有弹性双环缓冲结构的抗高过载惯性系统。


背景技术：

2.随着芯片技术和微纳米加工技术的发展，微机电器件逐渐应用到了各个领域，其中包括导航领域，如利用微机电陀螺仪和加速度计等组合形成惯性导航单元，相比于传统惯性传感器件来说，微机电惯性传感器具有体积小、质量小、可靠性高等优点，适合大批量生产，能够突破空间限制，更适合应用于小型无人机、高速飞行器等，满足这类飞行器对于高精度定位、导航的需求。
3.在实际弹载应用中，载体在发射以及命中的瞬间存在高g值过载冲击以及高频角振动的情况，这会对微机电惯性器件的测量精度产生严重的影响。因此，目前对弹载上的导航元器件都会设计一个减振系统用于吸收振动和冲击，以保证惯性传感器的测量精度。对于减振系统的设计，需满足组成惯性测量坐标系空间构成的合理性，保证机械加工与表面处理的可实现性与有效性，尽量采用简单直接的结构形式与装配关系提高结构的可靠性，同时还应具有良好的绝缘性、极高的结构强度以及较轻的重量和较小的体积。目前，针对微机电惯性测量单元的减振系统设计一直是研究热点之一。
4.现有的用于惯性测量单元的减振结构主要存在以下问题：1、尽管在确定系统整体减振方案时，设计将减振结构的弹性中心与系统整体的几何中心重合，但在实际加工生产以及装配过程中难以保证完全重合，减振结构的弹性中心偏离设计方案，导致系统发生线振动与角振动之间的耦合，对惯性测量单元的测量精度产生影响；2、在设计减振结构时，未考虑系统本身固有频率处于惯性测量单元的带宽范围之内，与输入信号发生共振，导致干扰信号被放大，严重影响了微惯性测量单元的测量精度；3、系统三个线振动方向上的刚度不统一，导致三个线振动方向上的频率不一致，从而使系统的固有频率范围变大过宽。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具有弹性双环缓冲结构的抗高过载惯性系统，保证在高g值冲击前后系统测量精度满足弹载应用需求。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有弹性双环缓冲结构的抗高过载惯性系统，包括外部防护壳体、内部主体防护结构、惯性测量单元、连接件、第一弹性缓冲环、第二弹性缓冲环、端盖；所述外部防护壳体用于容纳微机电的惯性测量装置，壳体沿径向对称分布两个第一凹槽用于安装gnss天线，壳体外侧下半部分设置螺纹结构用于将系统整体安装在载体上；
所述内部主体防护结构整体为圆柱体，用于承受外部过载冲击以及防止外部电磁干扰，圆柱体侧面径向等距分布两个通孔用于引出天线；所述惯性测量单元分三层，分别为处理器板、惯性测量单元板以及gnss接收板，惯性测量单元板用于测量载体的惯性数据，gnss接收板用于获取卫星数据，处理器板用于融合数据，解算载体姿态；所述连接件用于连接惯性测量单元与内部主体防护结构，连接件外侧均匀分布八个通孔与内部主体防护结构之间采用螺钉连接，内侧均匀分布六个螺纹孔与惯性测量单元连接；所述第一弹性缓冲环、第二弹性缓冲环构成弹性双环结构，弹性双环结构用于联接内部主体防护结构与外部防护壳体，限制内部主体防护结构与外部防护壳体之间的相对位置关系；所述端盖用于对内部主体防护结构提供轴向支撑。
7.进一步地，所述外部防护壳体为圆柱形结构，采用进行氧化处理的合金钢；外部防护壳体内部设置第一凸台用于支撑弹性双环结构与内部主体防护结构，并通过凹槽的形式卡在一起以限制内部主体防护结构的位移和转动。
8.进一步地，所述内部主体防护结构采用合金钢且结构表面涂抹抗磁材料，侧面沿径向分布四个第二凸台，第二凸台上设置第二凹槽。
9.进一步地，所述惯性测量单元分三层，层与层之间采用软线进行电连接，并通过铜柱进行相互之间的位置固定；惯性测量单元板上设置高精度陀螺仪和加速度计，通过安装定位孔使得传感器两两相互正交。
10.进一步地，所述连接件采用合金钢材料，通过数控加工的方式使得外侧通孔与内侧螺纹孔保持同轴。
11.进一步地，所述弹性双环结构沿轴向分布，弹性双环结构的弹性中心与内部主体防护结构的几何中心重合；第一弹性缓冲环、第二弹性缓冲环结构相同，分别在侧面设置四个对称分布的沟槽用于吸收高频角振动，并且弹性缓冲环上沿圆周均匀分布四个第三凸台，第三凸台用于和外部防护壳体以及内部主体防护结构形成连接配合；第二凸台上设置的第二凹槽与第三凸台连接形成支撑结构。
12.进一步地，所述端盖与外部防护壳体之间采用螺钉进行连接，形成封闭空间用于填充灌封材料；端盖凸起部分均匀分布四个第三凹槽，与弹性缓冲环的第三凸台形成配合，限制弹性双环结构的自由度。
13.进一步地，所述第一弹性缓冲环、第二弹性缓冲环沿轴向分布，环上的第三凸台的尺寸大小与外部防护壳体上的第一凹槽、内部主体防护结构上的第二凹槽以及端盖上第三凹槽的大小相适应，从而将内部主体防护结构限制在第一弹性缓冲环、第二弹性缓冲环之间，并将第一弹性缓冲环、第二弹性缓冲环和内部主体防护结构整体固连到外部防护壳体上，保持内部主体防护结构与外部防护壳体之间的相对位置关系。
14.进一步地，外部防护壳体与内部主体防护结构上端留有设定空隙，端盖与内部主体防护结构之间设置相同大小的空隙，空隙尺寸大于内部主体防护结构的最大径向位移；端盖与第二弹性缓冲环之间保持紧密接触，并用螺钉进行紧固以限制弹性缓冲环的轴向移动。
15.进一步地，所述弹性双环结构的弹性中心与内部主体防护结构的质心重合，具体为：保证弹性双环结构的同轴度以及壳体内部凸起面与端盖上平面之间的平行度，使得弹性中心沿竖直方向并贯穿质心；同时安装螺钉时采用对角安装的方式，保证弹性双环结构受力均匀。
16.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1）本发明采用弹性双环缓冲结构对惯性元器件进行防护，两个弹性减振环沿轴向分布，与主体防护结构之间形成过盈配合，保证两个弹性减振环在经历高过载冲击时都能够起到防护作用，避免了采用单一减振环减振效果不佳的情况；通过弹性减振环上的凸台与主体防护结构的凹槽之间形成连接配合，减少了减振结构与主体防护结构之间的空隙，限制了主体防护结构沿轴向的移动，使得减振结构在经历高过载冲击时能够充分吸收载荷并保证不发生形变，避免了多个减振结构分布布置时刚度差的问题；2）本发明的弹性减振环侧面有四个均匀分布的环形沟槽，并保证弹性减振环径向对称，能够有效吸收高频角振动，降低系统频率，避免激发敏感器件固有振动模态，防止对惯性测量元器件的测量精度产生影响；本发明的弹性双环结构的弹性中心与微机电惯性传感器的几何分布中心重合，避免由于偏心导致系统一个方向的振动引起另外一个方向的振动，易于系统解耦；同时，对称分布保证了在冲击过程中，减振结构整体受力均匀分布，提高整体抗高过载能力；3）本发明的主体防护结采用中心空腔形式以减小系统刚度，降低系统固有频率，从而保证位移传递率在要求范围内，提高减振效果，此外，外部防护壳体采用螺纹连接的方式提高了系统装置与载体之间的连接强度，更适合在高过载环境下的应用。
附图说明
17.图1为本发明减振结构爆炸图。
18.图2为本发明减振结构装配示意图。
19.图3为本发明弹性减振环结构图图4为本发明减振结构的剖视图。
20.图5为减振结构的局部放大图。
21.图中标号包括：外部防护壳体1、第一凸台1-1、螺纹结构1-2、第一凹槽1-3、壳体内部凸起面1-1-1；第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5、第三凸台2-1、沟槽2-2；内部主体防护结构3、第二凹槽3-1、通孔3-2；惯性测量单元4、处理器板4-1、惯性测量单元板4-2以及gnss接收板4-3；连接件6；端盖7、第三凹槽7-1、端盖上平面7-1-1。
具体实施方式
22.容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明用于防护高过载环境下微机电惯性测量单元的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
23.结合图1~图5，本发明一种具有弹性双环缓冲结构的抗高过载惯性系统，包括外部防护壳体1、内部主体防护结构3、惯性测量单元4、连接件6、第一弹性缓冲环2、第二弹性缓
冲环5、端盖7；所述外部防护壳体1用于容纳微机电惯性测量装置4，壳体沿径向对称分布两个第一凹槽1-3用于安装gnss天线，壳体外侧下半部分进行螺纹加工设置螺纹结构1-2，用于将系统整体安装在载体上；所述内部主体防护结构3整体为圆柱体，可以承受外部过载冲击以及防止外部电磁干扰，圆柱体侧面径向等距分布两个通孔3-2用于引出天线；所述惯性测量单元4用于观测导航信息，并采用可靠的算法对数据进行融合并解算出载体的姿态；所述惯性测量单元4分三层，分别为处理器板4-1、惯性测量单元板4-2以及gnss接收板4-3，惯性测量单元板4-2用于测量载体的惯性数据，gnss接收板4-3用于获取卫星数据，处理器板4-1用于融合数据，解算载体姿态；所述连接件6用于连接惯性测量单元4与内部主体防护结构3，连接件6外侧均匀分布八个通孔与内部主体防护结构3之间采用螺钉连接，内侧均匀分布六个螺纹孔与惯性测量单元4连接；所述第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5构成弹性双环结构，弹性双环结构用于联接内部主体防护结构3与外部防护壳体1，限制内部主体防护结构3与外部防护壳体1之间的相对位置关系；所述端盖7用于对内部主体防护结构3提供轴向支撑。
24.进一步，外部防护壳体1为圆柱形结构，采用合金钢为基本材料，并进行氧化处理，增加了结构的硬度，提升了高过载环境下结构抵抗应力变化的能力；外部防护壳体1内部设置第一凸台1-1用于支撑弹性双环结构与内部主体防护结构3，并通过凹槽的形式卡在一起以限制内部主体防护结构3的位移和转动；外部防护壳体1侧面下半部分进行螺纹加工，通过螺纹与载体之间进行连接以提高连接强度；进一步，内部主体防护结构3整体采用合金钢为主要材料以保证内部主体防护结构的强度，结构表面涂抹抗磁材料提高系统的抗电磁干扰能力，内部主体防护结构3侧面加工出两个大小合适的通孔3-2，通过通孔3-2将gnss天线引出；侧面沿径向分布四个第二凸台，第二凸台上加工出第二凹槽3-1与弹性双环结构上的凸台连接形成支撑结构；进一步，所述惯性测量单元4分三层，层与层之间采用软线进行电连接，并通过铜柱进行相互之间的位置固定；惯性测量单元板4-2上设置三个单轴的陀螺仪和加速度计，为保证系统准确测量载体在三维空间内的惯性数据，测量z轴的陀螺仪和加速度计安装在水平的惯性器件板上，另外两轴的陀螺仪和加速度计以垂直于惯性器件板的形式安装并保证三轴传感器两两相互正交，为了提高传感器安装精度，在惯性器件板上加工三个定位孔用于在安装时进行定位；进一步，连接件6采用合金钢材料制作，通过数控加工的方式保证外侧通孔与内侧螺纹孔的同轴度，连接件厚度足够厚以保证连接的可靠性；进一步，弹性双环结构沿轴向分布，且保证弹性双环结构的弹性中心与内部主体防护结构3的几何中心重合以避免产生振动耦合；第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5结构相同，分别在侧面设置四个对称分布的沟槽2-2用于吸收高频角振动，并且弹性缓冲环上沿圆周均匀分布四个第三凸台2-1，第三凸台2-1用于和外部防护壳体1以及内部主体防护结构3形成连接配合；第二凸台上设置的第二凹槽3-1与第三凸台2-1连接形成支撑结构。
25.进一步所述端盖7与外部防护壳体1之间采用螺钉进行连接，形成封闭空间用于填充灌封材料；端盖7凸起部分均匀分布四个第三凹槽7-1，与弹性缓冲环的第三凸台2-1形成配合，限制弹性双环结构的自由度，保证系统的可靠性。
26.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
27.结合图1、图2和图3，作为本发明的一种优选实施例，其包括外部防护壳体1、第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5、主体防护结构3、惯性测量单元4、惯性测量单元连接件6以及端盖7；所述外部防护壳体1用于容纳微机电惯性测量单元，内部具有凸台结构1-1用于限制弹性双环结构的位置，圆柱体侧面分布两个对称的凹槽1-3用于安装gnss天线；所述第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5沿轴向分布，环上的凸起2-1的尺寸大小与壳体1上的凹槽、主体防护结构3上的凹槽3-1以及端盖7上凹槽7-1的大小相适应，从而可将主体防护结构3限制在第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5之间，并将第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5和主体防护结构3整体固连到外部防护壳体1上，保证主体防护结构3与壳体1之间的相对位置关系；所述主体防护结构3整体为圆柱体，在圆柱体侧面分布有两个通孔3-2用于引出天线；所述惯性测量单元4由处理器板4-1、惯性测量单元板4-2以及gnss接收板4-3组成，用于测量载体导航信息并解算载体姿态；所述惯性测量单元连接件6用于连接惯性测量单元4与内部主体防护框架3，其外侧均匀分布八个通孔与内部主体防护框架之间采用螺钉连接，内侧均匀分布六个螺纹孔与惯性测量单元4连接；所述端盖7用于对内部主体防护结构提供轴向支撑；端盖7与壳体1形成封闭空间用于灌封；结合图2，作为一个优选实施例，壳体1与主体防护结构3上端应留有一定空隙，端盖7与主体防护结构3之间也应存在相同大小的空隙，空隙尺寸应大于主体防护结构的最大径向位移，以避免在振动过程中与端盖产生接触，影响测量精度；端盖7与弹性缓冲环5之间保持紧密接触，并用螺钉进行紧固以限制弹性缓冲环的轴向移动；结合图2、图3、图4，作为一个优选实施例，第一弹性缓冲环2、第二弹性缓冲环5采用钛合金制作，并采用有限元分析的方法对弹性缓冲环的形状结构进行优化，经计算得出，弹性缓冲环应采用径向对称结构以保证在冲击过程中各部分受力均匀，增强对周期性振动的吸收能力，减小与微机电惯性敏感器件本身固有频率相近频率的振动对惯性传感器的测量精度的影响。弹性双环结构的侧面采用四个对称分布的沟槽2-2，在不破坏弹性缓冲环沿径向对称的情况下，增大弹性缓冲环与灌封材料的接触面积，能够更好地借助灌封材料吸收冲击载荷；作为一个优选实施例，使得弹性双环结构的弹性中心与内部主体防护结构的质心重合的方法如下：保证弹性双环结构的同轴度以及壳体内部凸起面1-1-1与端盖上平面7-1-1之间的平行度，使得弹性中心沿竖直方向并贯穿质心；同时安装螺钉时采用对角安装的方式，保证双环结构受力均匀，如图5所示。
28.作为一个优选实施例，对于本实例在连接件上采用六个螺纹孔与惯性测量单元进行连接，实际上可根据不同需求对惯性测量单元连接件进行自行设计；结合图1、图2、图3，作为一个优选实施例，装配时，首先将惯性测量单元4安装在连接件6上，再将连接件通过螺钉安装在内部防护框架上完成内部防护框架的组装。然后将弹
性缓冲环2安装到外壳1的凹槽上，再将主体防护结构的凹槽3-1对准弹性缓冲环2上的凸起2-1进行安装，然后再通过凹槽与凸起依次安装弹性缓冲环5和端盖7，最后由螺钉进行紧固连接。外部防护壳体上的螺纹结构1-2将系统整体安装在载体上。
29.本发明采用弹性双环缓冲结构对惯性元器件进行防护，两个弹性减振环沿轴向分布，与主体防护结构之间形成过盈配合，保证两个弹性减振环在经历高过载冲击时都能够起到防护作用，避免了采用单一减振环减振效果不佳的情况；通过弹性减振环上的凸台与主体防护结构的凹槽之间形成连接配合，减少了减振结构与主体防护结构之间的空隙，限制了主体防护结构沿轴向的移动，使得减振结构在经历高过载冲击时能够充分吸收载荷并保证不发生形变，避免了多个减振结构分布布置时刚度差的问题；本发明的弹性减振环侧面有四个均匀分布的环形沟槽，并保证弹性减振环径向对称，能够有效吸收高频角振动，降低系统频率，避免激发敏感器件固有振动模态，防止对惯性测量元器件的测量精度产生影响；本发明的弹性双环结构的弹性中心与微机电惯性传感器的几何分布中心重合，避免由于偏心导致系统一个方向的振动引起另外一个方向的振动，易于系统解耦；同时，对称分布保证了在冲击过程中，减振结构整体受力均匀分布，提高整体抗高过载能力；本发明的主体防护结采用中心空腔形式以减小系统刚度，降低系统固有频率，从而保证位移传递率在要求范围内，提高减振效果，此外，外部防护壳体采用螺纹连接的方式提高了系统装置与载体之间的连接强度，更适合在高过载环境下的应用。
30.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。