应用于陀螺仪位置监测中的光电检测装置

摘要

本发明公开了一种应用于陀螺仪位置监测中的光电检测装置，属于利用光电检测装置和方法监测陀螺仪位置的产品结构的技术领域。包括陀螺球和随动球，该随动球外表面紧固连接第一光电位置探测器和第二光电位置探测器，两探测器互成90度角正交布置；该陀螺球内表面紧固连接至少一对两两互成90度角正交布置的激光二极管组件，所述的光电位置探测器通过信号输出线缆和处理模块电性连接。采用这样的结构可以解决在监测陀螺仪角位置时由于受温度和随动球运动的影响出现角度检测精度降低的问题，以克服现有技术监测陀螺仪角位置时功耗大、干扰大、存在干扰力矩、动态精度不高、温漂大以及响应不及时等的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于陀螺仪位置监测中的光电检测装置，属于电子信息 技术应用产品结构的技术领域，具体说属于电子信息技术产品中主要应用于陀 螺仪位置监测，特别是利用光电检测装置和方法监测陀螺仪位置的产品结构的 技术领域。

背景技术

我们知道人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺 仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回 转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳(月球)引力矩 作用下的旋进(岁差)等，尤其是在航海中有着更广泛的应用。

但是，现有技术手段在监测陀螺仪角位置时由于受温度影响功耗较大、而 且机械结构复杂，当陀螺球与随动球仪发生相对线位移时容易出现角度检测精 度降低的问题。

目前，在监测陀螺仪角位置时用到的技术手段主要分为两类：

其一、利用电磁信号器监测陀螺仪在浮液中的位置；在陀螺仪表面固定电 磁铁，在电磁线圈中加入交流激励和随动球相对应的位置安装电磁线圈，通过检 测电磁线圈中的感应电流的方向来判断陀螺仪的旋转方向，从而随动球跟踪陀 螺仪的位置；但是由于交流激励功耗较大，容易对周边其他电器造成干扰，而 且电磁线圈对电磁铁有反作用力矩，从而对陀螺仪造成干扰力矩，影响精度。

其二、利用浮液电阻监测陀螺仪在浮液中的位置；在陀螺仪外表面设置一 个或两个电极，在随动球内腔壁与之对应的位置设置两个探测电极；随动球在 供电电极施加交流激励，与陀螺仪相对应的位置的那两个探测电极将利用导电 的浮液形成可变电阻，通过判断该电阻阻值的大小来判断陀螺仪位置。但是由 于需要导电浮液，而浮液的电阻和密度受温度影响较大，容易造成温漂；我们 知道浮液都是电解液，其导电性能与电阻率和距离有关，而且浮液和金属外壳 都有热胀冷缩的特性，导致容积必然发生变化，距离也随之发生改变。另外由 于金属、非金属材料较多，随温度变化的特性并不相同，所以，必然导致温漂； 影响精度；而且抗震性能也较差。

由于陀螺仪检测精度要求在0.1°，对于周长360mm来说，意味着检测的位 移精度必须小于0.1mm。按照规范要求，从-15℃-55℃，引起1％的形变，所引 起的误差已远远超过限值。因此，温度对于系统性能的影响不可忽视。

发明内容

本发明提供了结构简单的一种应用于陀螺仪位置监测中的光电检测装置， 以解决在监测陀螺仪角位置时由于受温度影响出现角度检测精度降低的问题， 以实现克服现有技术监测陀螺仪角位置时功耗大、干扰大、存在干扰力矩、以 及温漂大等缺点的目的。

为达到上述目的本发明的技术方案是：

一种应用于陀螺仪位置监测中的光电检测装置，所述陀螺仪包括陀螺球和 随动球，所述的随动球和陀螺球为刚性密封的中空球体，该陀螺球位于所述的 随动球内部，两者之间满充着电解浮液；其中：

所述的随动球外表面紧固连接第一光电位置探测器和第二光电位置探测 器，该第一光电位置探测器和第二光电位置探测器互成90度角正交布置；

所述的陀螺球内表面紧固连接至少一对激光二极管组件，所述的激光二极 管组件两两互成90度角正交布置；

所述的第一光电位置探测器通过信号输出线缆B和处理模块电性连接；所 述的第二光电位置探测器通过信号输出线缆A和处理模块电性连接。

所述第一光电位置探测器包括镶嵌在所述随动球外表面的平面透镜B和与 其中心对称设置且截面为U型的探测器壳；

所述的探测器壳沿周边通过呈均匀分布的至少一个探测器紧固螺钉与该随 动球外表面紧固连接；

所述的探测器壳内成中心对称设置光敏感器件，该光敏感器件电性连接设 置于该探测器壳内的光电信号调理电路，该光电信号调理电路通过信号输出线 缆B电性连接处理模块；

所述的信号输出线缆B为6芯电缆，包括2芯电源输入和4芯、2路的电流 输出；

所述的激光二极管组件包括成中心对称的嵌入二极管固定管座上的激光二 极管；该二极管固定管座通过至少一个点焊点与该陀螺球内表面紧固连接并与 镶嵌在所述陀螺球表面的平面透镜A中心对称；

所述的激光二极管发出激光束，穿过平面透镜A和平面透镜B与光敏感器 件光学导通。

所述第二光电位置探测器包括镶嵌在所述随动球外表面的平面透镜B和与 其中心对称设置且截面为U型的探测器壳；

所述的探测器壳沿周边通过呈均匀分布的至少一个探测器紧固螺钉与该随 动球外表面紧固连接；

所述的探测器壳内成中心对称设置光敏感器件，该光敏感器件电性连接设 置于该探测器壳内的光电信号调理电路，该光电信号调理电路通过信号输出线 缆A电性连接处理模块；

所述的信号输出线缆A为6芯电缆，包括2芯电源输入和4芯、2路的电流 输出；

所述的激光二极管组件包括成中心对称的嵌入二极管固定管座上的激光二 极管；该二极管固定管座通过至少一个点焊点与该陀螺球内表面紧固连接并与 镶嵌在所述陀螺球表面的平面透镜A中心对称；

所述的激光二极管发出激光束，穿过平面透镜A和平面透镜B与光敏感器 件光学导通。

所述平面透镜A通过环氧树脂胶封和该陀螺球球表面密封连接；所述平面 透镜B通过环氧树脂胶封和该随动球球表面密封连接。

所述处理模块包括仪表放大器A，仪表放大器B，仪表放大器C，仪表放大 器D，低通滤波器和A/D转换器；

所述的仪表放大器A和仪表放大器B电性连接低通滤波器；所述的仪表放 大器C和仪表放大器D电性连接低通滤波器；该低通滤波器与A/D转换器电性 连接；

所述的A/D转换器与双向连接通讯接口的微处理器电性连接；

所述的仪表放大器A接收来自于信号输出线缆A第一路电流信号输出i1和 第一路电流信号返回i2；

所述的仪表放大器B接收来自于信号输出线缆A第二路电流信号输出i3和 第二路电流信号返回i4；

所述的仪表放大器C接收来自于信号输出线缆B第一路电流信号输出i5和 第一路电流信号返回i6；

所述的仪表放大器D接收来自于信号输出线缆B第二路电流信号输出i7和 第二路电流信号返回i8；

形成当所述的微处理器检测到两个光电位置探测器的各两路电路电流信号 之后，计算得出该陀螺球和该随动球之间角位置偏差的结构。

该角位置偏差角α＝arctg((x1-x1′)/(x2-x2′))，若除数为0，则式中的除 数与被除数位置颠倒后再计算；其中坐标(x1′，y1′)和(x2′，y2′)是随动球 坐标(x1，y1)在与陀螺仪坐标(x2，y2)发生角度α后的新坐标。

采用本发明的技术方案具有如下优点：

1)发光管技术成熟寿命较长；

2)发光管供电需要直流电源，电磁干扰小；

3)光敏感器件在其他领域应用较成熟，监测精度高；

4)发光器件和光敏感器件在一定温度范围内不受温度影响，不会因为温漂 影响精度；

5)发光器件和监测器件体积较小且安装容易；

6)可以检测出陀螺仪与随动球之间相对线位移，提高角度检测精度；

7)在小角度变化时，随动球不用转动(二轴光位置探测器有一定宽度)， 提高陀螺系统的寿命和可靠性；

8)光电检测响应速度快，可以适应更高转速的运动测试领域。

本法明还保护一种陀螺仪，该陀螺仪设置有上述的光电检测装置。

附图说明

图1为本发明光-电转换及信号处理结构示意图；

图2为本发明第一光电位置探测器的结构示意图；

图3为本发明第二光电位置探测器的结构示意图；

图4为本发明处理模块的工作原理图。

图中标号说明

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细说明如下：

如图1，图2，图3和图4所示。一种应用于陀螺仪位置监测中的光电检测 装置，包括陀螺球和随动球，其中：

所述的随动球500和陀螺球300为刚性密封的中空球体，该陀螺球300位 于所述的随动球500内部，两者之间满充着电解浮液400；

所述的随动球500外表面紧固连接第一光电位置探测器10和第二光电位置 探测器11，该第一光电位置探测器10和第二光电位置探测器11互成90度角正 交布置(如图1)；在3维向量空间中，两个向量的内积如果是零，那么就说这 两个向量是正交的。换句话说，两个向量正交意味着它们是相互垂直的。向量α 与β正交，记为α⊥β。

所述的陀螺球300内表面紧固连接一对激光二极管组件200，所述的激光二 极管组件200两两互成90度角正交布置；本领域的技术人员很容易想到可以在 所述的陀螺球300内表面紧固连接两对或多对激光二极管组件200。

所述的第一光电位置探测器10通过信号输出线缆B602和处理模块700电 性连接；所述的第二光电位置探测器11通过信号输出线缆A601和处理模块700 电性连接。(如图1，图2和图3)。

如图2，该第一光电位置探测器10包括镶嵌在所述随动球500外表面的平 面透镜B109和与其中心对称设置且截面为U型的探测器壳106；

所述的探测器壳106沿周边通过呈均匀分布的至少一个探测器紧固螺钉108 与该随动球500外表面紧固连接；

所述的探测器壳106内成中心对称设置光敏感器件107，该光敏感器件107 电性连接设置于该探测器壳106内的光电信号调理电路104，该光电信号调理电 路104通过信号输出线缆B602电性连接处理模块700；

所述的信号输出线缆B602为6芯电缆，包括2芯电源输入和4芯、2路的 电流输出；

所述的激光二极管组件200包括成中心对称的嵌入二极管固定管座202上 的激光二极管201；该二极管固定管座202通过至少一个点焊点103与该陀螺球 300内表面紧固连接并与镶嵌在所述陀螺球300表面的平面透镜A102中心对称；

所述的激光二极管201发出激光束105，穿过平面透镜A102和平面透镜B109 与光敏感器件107光学导通。

如图3，该第二光电位置探测器11包括镶嵌在所述随动球500外表面的平 面透镜B109和与其中心对称设置且截面为U型的探测器壳106；

所述的探测器壳106沿周边通过呈均匀分布的至少一个探测器紧固螺钉108 与该随动球500外表面紧固连接；

所述的探测器壳106内成中心对称设置光敏感器件107，该光敏感器件107 电性连接设置于该探测器壳106内的光电信号调理电路104，该光电信号调理电 路104通过信号输出线缆A601电性连接处理模块700；

所述的信号输出线缆A601为6芯电缆，包括2芯电源输入和4芯、2路的 电流输出；

所述的激光二极管组件200包括成中心对称的嵌入二极管固定管座202上 的激光二极管201；该二极管固定管座202通过至少一个点焊点103与该陀螺球 300内表面紧固连接并与镶嵌在所述陀螺球300表面的平面透镜A102中心对称；

所述的激光二极管201发出激光束105，穿过平面透镜A102和平面透镜B109 与光敏感器件107光学导通。

该平面透镜A102通过环氧树脂胶封101和该陀螺球300球表面密封连接； 该平面透镜B109通过环氧树脂胶封101和该随动球500球表面密封连接。

如图4所示，该处理模块700包括仪表放大器A(即仪表放大器1)，仪表 放大器B(即仪表放大器2)，仪表放大器C(即仪表放大器3)，仪表放大器D (即仪表放大器4)，低通滤波器和A/D转换器；

所述的仪表放大器A和仪表放大器B电性连接低通滤波器；所述的仪表放 大器C和仪表放大器D电性连接低通滤波器；该低通滤波器与A/D转换器电性 连接；

所述的A/D转换器与双向连接通讯接口的微处理器电性连接；

所述的仪表放大器A接收来自于信号输出线缆A601第一路电流信号输出i1 和第一路电流信号返回i2；

所述的仪表放大器B接收来自于信号输出线缆A601第二路电流信号输出i3 和第二路电流信号返回i4；

所述的仪表放大器C接收来自于信号输出线缆B602第一路电流信号输出i5 和第一路电流信号返回i6；

所述的仪表放大器D接收来自于信号输出线缆B602第二路电流信号输出i7 和第二路电流信号返回i8；

形成当所述的微处理器检测到两个光电位置探测器的各两路电路电流信号 之后，计算得出该陀螺球300和该随动球500之间角位置偏差的结构。

该角位置偏差角α＝arctg((x1-x1′)/(x2-x2′))，若除数为0，则式中的除 数与被除数位置颠倒后再计算；其中坐标(x1′，y1′)和(x2′，y2′)是随动球 坐标(x1，y1)在与陀螺仪坐标(x2，y2)发生角度α后的新坐标。

综上所述，陀螺仪内置两个互成90度夹角的激光二极管，作为陀螺仪的位 置光源(在球表面设置两个互成90度夹角的物体的位置是根据二维信号不耦合、 提高解析精度的要求。彼此垂直，即正交布置是数学上最理想的位置，数学计 算也最为方便)。在随动球与陀螺仪相对应的位置安装两个二维光电检测器件 (光电检测器件为半导体，光敏性质的)，光束通过镜头照射出来，穿过透明含 有水和电解质、纳米材料等的电解液的浮液，照到光敏感器件(即光敏二极管， 准确说是由有光敏二极管形成的二维阵列排布，根据两个轴方向上电流大小来 确定二维坐标位置)上，通过判断光电器件的位置数据输出，分析陀螺仪的转角 位置，从而随动球跟踪陀螺仪(这里的判断，分析和跟踪是通过32位处理器构 成的控制模块(即处理模块)，该部分可集成有CAN通信，可以与外部其他应用 系统交互信息)。激光二极管是在陀螺仪内、贴近球壳壳体；由于外部有电解液， 因此激光管前端有用于密封、可以投射光的透镜，其中两透镜非凸透镜或凹透 镜，而是平行透光“玻璃”性质的密封、光学材料。

探测器壳是密封、中空的刚性壳体，物理形状可以是矩形；前部为光敏材 质，为了与电解液密封隔离，前部设置透明、透光的材料。

其工作原理为：

如图1，图2或图3所示，在光电位置探测器的水平和垂直两个方向上各输 出一路电流信号，根据接收到激光的感光元件的水平和垂直二维的位置不同， 输出的不同的电流信号，电流变化与二维位置变化呈线性关系，因此，输出的 电流信号就与激光光斑位置相对应。

由于系统设计中在呈90°垂直方向各布置了一个光电位置探测器(例如第 一光电位置探测器和第二光电位置探测器)，图2和图3分别示意了每一个光电 位置探测器的结构图。每一个光电位置探测器均有一根6芯电缆，包括2芯电 源输入和4芯、2路的电流输出，可以与仪表放大器相连接，构成差分放大电路， 保证信号变换精度和抑制其他信号的干扰。

第一个探测器(例如第一光电位置探测器)的端子定义(如图2)：

i1：第一路电流信号输出；

i2：第一路电流信号返回；

i3：第二路电流信号输出

i4：第二路电流信号返回；

第二个探测器(例如第二光电位置探测器)的端子定义(如图3)：

i5：第一路电流信号输出

i6：第一路电流信号返回；

i7：第二路电流信号输出

i8：第二路电流信号返回；

V+和V-为探测器工作电源+12V的供电端。

如图4所示，当微处理器检测到两个光电位置探测器的各两路电路电流信 号之后，会计算得出激光光斑在探测器上的坐标为(x1，y1)和(x2，y2)。

当x1＝x2，y1＝y2时，表明陀螺仪(即陀螺球)在随动球的正中心位置，且 二者角位置完全相同。

其他时刻，都表明陀螺仪和随动球之间存在一定的角位置偏差。

偏差角α＝arctg((x1-x1′)/(x2-x2′))，注：若除数为0，则式中的除数 与被除数位置颠倒再计算。

其中坐标(x1′，y1′)和(x2′，y2′)是坐标(x1，y1)，(x2，y2)在随动球 与陀螺仪(陀螺球)发生角度α后的新坐标。

当计算出角偏差之后，在检测到的绝对角度的基础上，叠加该偏差，即可 计算获得当前陀螺仪角度。所以，可以实现不控制随动球转动就获得当前实际 真航向的目的。避免了操作电机带来的延时、滞后以及对精度的影响。