一种小型化的光纤惯性测量单元的制作方法

1.本发明涉及光纤惯性测量技术领域，尤其是涉及一种小型化的光纤惯性测量单元。


背景技术：

2.光纤惯性测量单元是惯性导航控制系统的核心组件，一般由三轴加速度计、三轴光纤陀螺仪、信号处理电路、结构件等组成，用于测量载体坐标系三个轴上的加速度和角速度信息。具有可靠性强、使用寿命长、启动速度快、动态范围广等一系列优点，广泛应用于导弹精确制导、飞行器与舰艇导航、坦克瞄准系统等诸多国防领域。
3.目前国内一款型号的光纤惯性测量单元从开发到列装需要历经数年时间，而各科研院所及兵工单位因使用环境、弹径大小、战术等级等条件的不同，导致光纤惯性测量单元的种类繁多，形态各异，不利于大规模的生产。鉴于此情况，能满足多种使用条件的统型方案成为一种迫切的需求。
4.公开日为2020年4月21日，公开号为cn111044028a的发明公开了一种三轴光纤陀螺仪，包括底座和与底座连接的光纤环、光学器件、电路板和光源板，底座上设置有用于安装光纤环的光纤槽，光纤槽内设置有安装柱，光纤槽包括设置于底座前端面的第一光纤槽、上端面的第二光纤槽以及右端面的第三光纤槽，第一光纤槽、第二光纤槽和第三光纤槽轴向相互垂直，光纤环包括平行设置的第一平台和第二平台，以及连接第一平台和第二平台的光纤环绕柱，光纤环绕柱内设有贯穿第一平台与第二平台且与安装柱匹配的安装孔，底座的前端面、端面和右端面均还设置有光学器件安装槽；后端面、下端面和左端面设置有电路板安装槽和光源板安装槽。
5.该三轴光纤陀螺仪的产品安装面设有凸起的安装孔，安装时会额外占用部分空间，整体体积仍可以进一步缩小；该三轴光纤陀螺仪并未对光路结构和电路结构进行限定，仍存在进一步小型化的空间。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小型化的光纤惯性测量单元。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种小型化的光纤惯性测量单元，包括三轴加速度计、三轴光纤陀螺仪、信号处理电路和支撑整个单元的结构件，所述结构件包括顶部组件、侧板组件和底部组件，所述侧板组件为方形结构，所述侧板组件的四角内凹，形成四个内凹区域；
9.所述顶部组件的四面与所述侧板组件平行，所述顶部组件的四角均为圆弧状结构，所述侧板组件顶部每一角的区域面积均大于所述顶部组件顶部对应角的区域面积，并形成多个平板区域，在该平板区域内连接所述顶部组件的底部和侧板组件的顶部；
10.所述底部组件为方形结构，所述底部组件底部的四角均设有安装孔，所述安装孔
的上方为所述侧板组件的内凹区域。
11.进一步地，所述侧板组件的四角的内凹区域为方形。
12.进一步地，所述结构件的材料为2a12-t4航空硬铝。
13.进一步地，所述结构件还包括磁屏蔽环罩，该磁屏蔽环罩设置在所述结构件的外侧，所述磁屏蔽环罩的材质为铁镍合金。
14.进一步地，所述三轴光纤陀螺仪包括光源、1
×
3光纤耦合器、2
×
2光纤耦合器、y波导、光纤环和探测器；所述光源连接所述1
×
3光纤耦合器的输入端，所述1
×
3光纤耦合器输出端分为三个光路，每个光路均连接有一个2
×
2光纤耦合器的输入端，每个2
×
2光纤耦合器的输入端还连接有一个所述探测器、输出端分别连接一个y波导和空头；每个y波导均连接有一个所述光纤环，每个所述探测器均连接所述信号处理电路。
15.进一步地，所述探测器为pin-fet探测器。
16.进一步地，所述信号处理电路包括光源驱控电路、陀螺仪信号处理电路、加速度计信号处理电路和接口电路，所述陀螺仪信号处理电路包括依次连接的开关电路、前置放大电路、第一a/d转换器、第一fpga处理器、d/a转换器和后置放大电路，所述开关电路还连接所述探测器，所述后置放大电路还连接所述y波导。
17.进一步地，所述光纤惯性测量单元还包括温度传感器，该温度传感器连接所述第一fpga处理器。
18.进一步地，所述加速度计信号处理电路包括依次连接的电阻器、信号调理单元、第二a/d转换器、数字隔离器、第二fpga处理器和rs422串口，所述电阻器还连接所述三轴加速度计。
19.进一步地，所述光纤惯性测量单元还包括温度传感器，该温度传感器连接所述第二fpga处理器。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.(1)本发明小型化的光纤惯性测量单元整体上采用方形结构，并将光纤惯性测量单元侧面的四角内凹设置，不会影响内部组件的安装，且便于在底部组件13 的四角设置安装孔131，减小了小型化的光纤惯性测量单元的整体占用面积；顶部组件11的四角均为圆弧状结构111，相对于侧板组件12，四角面积更小，由此形成多个平板区域122，可用于顶部组件11和侧板组件12的连接，使得整体结构更加稳定可靠，且安装方便。
22.(2)本发明将发热量较大的光源直接安装到主体结构上，便于散热；此外光纤陀螺敏感环和电路部分采用光电分离方案，降低了电路发热对光纤陀螺敏感环的影响。
附图说明
23.图1为本发明实施例中提供的一种光纤惯性测量单元结构件的立体图；
24.图2为本发明实施例中提供的一种光纤惯性测量单元结构件的主视图；
25.图3为本发明实施例中提供的一种光纤惯性测量单元结构件的右视图；
26.图4为本发明实施例中提供的一种光纤惯性测量单元结构件的后视图；
27.图5为本发明实施例中提供的一种三轴光纤陀螺仪的结构示意图；
28.图6为本发明实施例中提供的一种陀螺仪信号处理电路的结构示意图；
29.图7为本发明实施例中提供的一种加速度计信号处理电路的结构示意图；
30.图中，1、结构件，11、顶部组件，111、圆弧状结构，12、侧板组件，121、内凹区域，122、平板区域，13、底部组件，131、安装孔，2、三轴光纤陀螺仪， 21、光源，22、1
×
3光纤耦合器，23、2
×
2光纤耦合器，24、y波导，25、光纤环，26、探测器，3、陀螺仪信号处理电路，31、开关电路，32、前置放大电路， 33、第一a/d转换器，34、第一fpga处理器，35、d/a转换器，36、d/a转换器，4、加速度计信号处理电路，41、电阻器，42、信号调理单元，43、第二a/d 转换器，44、数字隔离器，45、第二fpga处理器，46、rs422串口，5、温度传感器。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
32.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
37.实施例1
38.本实施例提供一种小型化的光纤惯性测量单元，包括三轴加速度计、三轴光纤陀螺仪2、信号处理电路和支撑整个单元的结构件1，
39.下面对各部件进行详细描述。
40.1、结构件1
41.参考图1-4所示，结构件1包括顶部组件11、侧板组件12和底部组件13，侧板组件12为方形结构，侧板组件12的四角内凹，形成四个内凹区域121；
42.顶部组件11的四面与侧板组件12平行，顶部组件11的四角均为圆弧状结构 111，侧板组件12顶部每一角的区域面积均大于顶部组件11顶部对应角的区域面积，并形成多个
平板区域122，在该平板区域122内连接顶部组件11的底部和侧板组件12的顶部；
43.底部组件13为方形结构，底部组件13底部的四角均设有安装孔131，安装孔 131的上方为侧板组件12的内凹区域121。
44.本实施例小型化的光纤惯性测量单元整体上采用方形结构，并将光纤惯性测量单元侧面的四角内凹设置，不会影响内部组件的安装，且便于在底部组件13的四角设置安装孔131，减小了小型化的光纤惯性测量单元的整体占用面积；顶部组件 11的四角均为圆弧状结构111，相对于侧板组件12，四角面积更小，由此形成多个平板区域122，可用于顶部组件11和侧板组件12的连接，使得整体结构更加稳定可靠。
45.结构件1的其它结构特征：
46.1.1、结合产品的质量和力学、热学性能，结构主体材料采用弹性模量/密度比高、屈服强度/密度比高、导热性好的2a12-t4航空硬铝，既能满足强度、刚度要求，又减轻了整体质量；
47.1.2、为了提升光纤陀螺仪的抗磁场干扰，结构件1还包括磁屏蔽环罩，该磁屏蔽环罩设置在结构件1的外侧，选用铁镍合金高磁导率的磁屏蔽材料设计；
48.1.3、侧板组件12的四角的内凹区域121为方形。
49.1.4、为提升产品热学环境适应性，将发热量较大的光源直接安装到主体结构上，便于散热；此外光纤陀螺敏感环和电路部分采用光电分离方案，降低了电路发热对光纤陀螺敏感环的影响；
50.1.5、在进行结构内部设计时，主要考虑产品的工艺性，在保证性能的同时尽可能的满足产品安装调试及批生产的便利性要求，采用模块化设计。
51.1.6、结构体1可具体包括环体、磁屏蔽环罩、上盖、底座、下盖、侧盖板、环盖和定位销。
52.本实施例中结构体1的外形尺寸为：90mm
×
90mm
×
70mm，小型化的光纤惯性测量单元整体质量小于900g。
53.三轴加速度计由三个小尺寸的石英挠性加速度计相互正交组成。
54.2、三轴光纤陀螺仪2
55.三轴光纤陀螺仪的光路组成图如图5所示，三轴光纤陀螺仪2包括光源21、1
ꢀ×
3光纤耦合器22、2
×
2光纤耦合器23、y波导24、光纤环25和探测器26；光源21连接1
×
3光纤耦合器22的输入端，1
×
3光纤耦合器22输出端分为三个光路，每个光路均连接有一个2
×
2光纤耦合器23的输入端，每个2
×
2光纤耦合器 23的输入端还连接有一个探测器26、输出端分别连接一个y波导24和空头；每个y波导24均连接有一个光纤环25，每个探测器26均连接信号处理电路。探测器26为pin-fet探测器。
56.光路原理为：从sld光源发出的光，经1
×
3光纤耦合器分成三路，每路光经 2
×
2光纤耦合器分光变为两束，一束被耦合器的空头吸收掉，另一束进入y波导，经过起偏、分束、相位调制后变为两束相干光，两束相干光分别沿光纤环的两端进入光纤环，在光纤环中沿两个相反的方向传播，当光纤环旋转时，光纤环中沿顺时针方向和沿逆时针方向传播的两束光旋转一圈后所经历的光程会产生差异，导致两束光重新回到y波导处产生干涉会形成一个正比于旋转角速率的相位差，也就是所谓的萨格奈克sagnac效应，sagnac信号经过2
×
2光纤耦合器进入pin-fet探测器，由探测器转换成电信号，进入陀螺仪信号处理电路中进
行信号解算，解调出光纤环敏感轴方向的角速率信息。本发明中的光纤环设计为：内径φ34mm，外径φ45mm，采用φ70/115μm的细径保偏光纤进行脱骨架绕制，光纤长度为600m。
57.3、信号处理电路
58.信号处理电路包括光源驱控电路、陀螺仪信号处理电路3、加速度计信号处理电路4和接口电路。
59.3.1、陀螺仪信号处理电路3
60.参考图6所示，陀螺仪信号处理电路3包括依次连接的开关电路31、前置放大电路32、第一a/d转换器33、第一fpga处理器34、d/a转换器35和后置放大电路36，开关电路31还连接探测器26，后置放大电路36还连接y波导24。
61.陀螺仪信号处理电路3工作原理为：陀螺仪信号处理电路将检测到pin-fet 探测器输出的电信号，经过开关电路控制及前放电路的隔直、放大、滤波等处理后，通过a/d转换器转换为数字信号输出给fpga，fpga根据a/d的输出信号解调角速率信息，并产生数字调制信号，一方面将角速率信息进行串口输出，另一方面将数字调制信号输出给d/a转换器，d/a转换器产生模拟信号，后放电路将信号放大后，施加到y波导，实现对反向传播的两束光的相位调制，完成闭环反馈控制。此外，陀螺仪信号处理电路以温度传感器采集的温度信号为依据，对陀螺仪的标度因数、零位和非正交角进行温度补偿。本发明中陀螺仪采用
±
2π/3调制。
62.3.2、加速度计信号处理电路4
63.参考图7所示，加速度计信号处理电路4包括依次连接的电阻器41、信号调理单元42、第二a/d转换器43、数字隔离器44、第二fpga处理器45和rs422 串口46，电阻器41还连接三轴加速度计。
64.加速度计信号处理电路工作原理为：加速度计输出的模拟电流信号，由高精度电阻器转换为电压信号，之后经过放大、滤波等信号调理后送入ad7732进行模数转换，将转换结果通过数字隔离器传给fpga进行数据处理后经rs422串口输出。同时，对加速度计的标度因数、零位和非正交角进行温度补偿处理。
65.光纤惯性测量单元还包括温度传感器5，该温度传感器5分别连接第一fpga 处理器34和第二fpga处理器45。
66.温度传感器采用单总线的数字温度计ds18b20实现。
67.3.3、接口电路
68.本发明中的接口电路主要对输入的
±
15v、
±
5v进行滤波处理，并实现rs-422 及同步脉冲信号输入输出的功能。
69.本发明小型化的光纤惯性测量单元基本性能测试结果如表1所示，该产品可满足多种环境下的应用需求。此外，本发明小型化的光纤惯性测量单元可兼容安装 scl3300和adxl355bez的mems加速度计。
70.表1本实施例光纤惯性测量单元的基本性能测试结果
[0071][0072][0073]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。