一种具有八点减振和加表保温措施的三轴光纤陀螺仪结构

摘要

一种具有八点减振和加表保温措施的三轴光纤陀螺仪结构，包括本体(1)、第一陀螺仪(2)、第二陀螺仪(3)、第三陀螺仪(4)、第一电路盒(5)、第二电路盒(6)、第三电路盒(7)、加表组件(8)、电路盒安装支架(9)和减振器(10)；本体(1)为六面体框架，其8个角上分别装有一个减振器(10)，通过各组件本身的位置调整进行配平，使8个减振器的几何中心C1和所有部件的质心C2重合。本发明质心调整过程中未加入配重，且有效避免线振动与角振动耦合的发生，提高减振性能。加表组件(8)采用隔热垫片和硅胶层进行双层隔热，明显降低了加表组件的开机加温时间，降低了陀螺仪组件的总功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪结构，特别是一种三轴光纤陀螺仪结构。

背景技术

航天器作为高新科技发展的标志，在我国的国防和经济建设中扮演着极 为重要的角色，姿态及速度测量精度是航天器稳定可靠运行的前提，惯性器 件及其组成的测量装置作为航天器的眼睛，它直接影响姿态控制系统的精度 和性能。

光纤陀螺是一种全固态惯性仪表，它具有传统机电仪表所不具备的优 点。在结构上它是完全固态化的陀螺，没有任何运动部件，使其在许多应用 领域具有明显的优势，尤其是在对产品可靠性和寿命要求很高的航天器上。

加表适于测量静态和动态加速度，可作为加速度敏感传感器应用于航天 器在轨微振动环境监测，是惯性导航与制导系统的核心元件。现有技术中光 纤陀螺惯性测量装置多采用三轴独立工作设计方案，通过光纤陀螺仪与加表 配合工作，就可以测量航天器三轴相对于惯性空间的位置和姿态，但由于加 表本身的抗振动特性不高，尤其是高频振动适应性差，制约了惯测装置的力 学适应能力，同时，为使加表高精度稳定工作，需要提供恒定的温度环境， 保温性能不好，导致散热较快，与之相配的加热装置功耗大，这也增加了惯 测装置的功耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种采用8个 减振器，利用自身部件进行配平的三轴光纤陀螺仪，并采用隔热垫片和硅胶 层对加表进行了保温处理；提高了陀螺仪的减振性能，不需要采用额外的配 重，并且降低了陀螺仪组件的总功耗。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有八点减振和加表保温措施的三轴光纤陀螺仪结构，包括本体、 第一陀螺仪、第二陀螺仪、第三陀螺仪、第一电路盒、第二电路盒、第三电 路盒、加表组件、电路盒安装支架和减振器；本体为六面体框架，第一陀螺 仪、第二陀螺仪和第三陀螺仪均为光纤陀螺仪，位置正交固定连接于本体三 个面上，其轴向分别为直角坐标系中的x、z、y轴；第一电路盒、第二电路 盒和第三电路盒为信号处理与接口电路盒，第一电路盒、电路盒安装支架、 第二电路盒依次叠放固定连接于本体与第三陀螺仪相对的面上，第三电路盒 和加表组件固定连接于本体与第一陀螺仪相对的面上，加表组件相对第三电 路盒更靠近第二陀螺仪，本体的8个角上分别装有一个减振器，8个减振器 的几何中心C1和本体、第一陀螺仪、第二陀螺仪、第三陀螺仪、第一电路 盒、第二电路盒、第三电路盒、加表组件、电路盒安装支架和减振器构成的 整体的质心C2重合。

所述第三电路盒、加表组件和第一陀螺仪的质心与第一电路盒、第二电 路盒、电路盒安装支架和第三陀螺仪的质心位于过C1并与z轴平行的线上。

所述加表组件包括加表本体，固定在加表本体上的位置正交的第一加 表、第二加表和第三加表，加表罩，用于给加表组件加热的加热片和用于测 量加表罩内温度的温度传感器；加表罩罩在第一加表、第二加表、第三加表、 加热片和温度传感器外，与所述加表本体通过第一螺钉固定连接，第一螺钉 的螺钉头下端面与加表罩围绕螺钉的部分以及加表罩与加表本体之间围绕 螺钉的部分设有第一隔热垫片，加表本体和加表罩之间涂抹第一硅橡胶层。

所述加表本体与本体通过第二螺钉固定连接，第二螺钉的螺钉头下端面 与加表本体围绕螺钉的部分以及加表本体与本体之间围绕螺钉的部分设有 第二隔热垫片，本体和加表本体之间涂抹第二硅橡胶层。

所述第一硅橡胶层或第二硅橡胶层的厚度为0.5～1.5mm。

所述第一硅橡胶层或第二硅橡胶层的材料为GD414。

所述第一隔热垫片或第二隔热垫片的材料为环氧层压玻璃布板或聚砜 材料。

所述第一陀螺仪、第三陀螺仪和第二陀螺仪两两垂直度的形位公差均小 于0.05mm。

所述8个减振器的刚度值偏差最大值小于3N/m。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)减振系统由按照规定尺寸安装在本体八个角上的减振器构成，这种 空间八点减振安装方式，相对于空间四点减振安装方式，能够有效避免线振 动与角振动耦合的发生，使角振动频率集中且远高于线振动频率，提高减振 性能。

2)通过对质量的合理分布，实现质心与安装几何中心的精确重合，通 过三轴光纤陀螺仪本身的配件(第三陀螺仪、第一陀螺仪、加表组件、第一 电路盒、第二电路盒、第三电路盒及电路盒安装支架与第二陀螺仪)进行配 平，质心调整过程中未加入配重质量。

3)在对减振器的基频控制基础上，对减振器进行了精细的等刚度筛选， 大大提高了减振器的一致性，减振器的刚度值最大偏差小于3N/m，外部装 置传递到减振器的变形均匀，可有效避免线振动与角振动耦合的发生。

4)在本体和加表本体以及加表罩和加表本体之间采用隔热垫片和硅胶 层进行双层隔热，隔热垫片保证了组件之间的刚性连接，又将组件隔离开一 定距离，降低了组件之间的热传导，提高了保温性能，明显降低了加表组件 的开机加温时间，降低了陀螺仪组件的总功耗。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为本发明的构成示意图；

图3为本发明的本体结构图；

图4为空间八点减振质心偏移示意图；

图5为加表组件的构成示意图；

图6为加表组件隔热安装方式示意图；

图7为图6的局部A详细视图；

图8为图6的局部B详细视图。

具体实施方式

如图1和2示，一种三轴光纤陀螺仪结构，包括本体1、第一陀螺仪2、 第二陀螺仪3、第三陀螺仪4、第一电路盒5、第二电路盒6、第三电路盒7、 加表组件8、减振器10和对外接插件11；如图3所示，本体1为六面体框 架，材料为铝合金2A12。第一陀螺仪2、第三陀螺仪4和第二陀螺仪3均 为光纤陀螺仪，位置正交固定连接于本体1三个面上，其轴向分别为直角坐 标系中的x、y、z轴，两两垂直度的形位公差均小于0.05。第二陀螺仪3位 于顶面。陀螺仪组件的对外接插件均置于组件顶部平面内，用于与外界装置 的电路连接。第一电路盒5、第二电路盒6和第三电路盒7为信号处理与接 口电路盒，信号处理与接口电路盒用于将陀螺仪敏感到的角速度信号转化为 电信号。第一电路盒5和第二电路盒6叠放安装于本体1与第三陀螺仪4相 对的面上，第一电路盒5和第二电路盒6之间为电路盒安装支架9，第三电 路盒7和加表组件8安装于本体1与第一陀螺仪2相对的面上，加表组件8 位于第三电路盒7上方。

有减振措施的惯性测量单元需要保证惯性测量单元的质心和安装点几 何中心重合，为实现这一目的，采取以下设计方法：第一陀螺仪2、第二陀 螺仪3和第三陀螺仪4安装的正交性要求和陀螺仪本身的质量属性，决定了 组件可调整的方式不多，本发明采用零部件配平和本体微调的方式进行质心 与中心的重合设计，即通过本体1、第一陀螺仪2、第二陀螺仪3和第三陀 螺仪4以外的零部件作为配重安装在本体上，8个减振器的几何中心C1和 所有部件的质心C2重合，再通过本体局部的微小调整使C1与C2精确重合。 首先，在X方向，第三电路盒7和加表组件8作为整体与对面的第一陀螺 仪2配平，通过调整第三电路盒7和加表组件8在X方向的安装位置，使 得第一陀螺仪2自身重量在组合几何中心点产生的力矩能够刚好被第三电 路盒7和加表组件8在组合几何中心点产生的力矩抵消，从而实现X方向 的平衡。同理，在Y方向，第一电路盒5、第二电路盒6以及电路盒支架9 整体与第三陀螺仪4配平，在Z方向，第二陀螺仪3对面无配重，使四个侧 面整体下移，四个侧面重心均向Z负向移动，以此抵消第二陀螺仪3自重在 组合几何中心点产生的力矩，这样，在不增加额外配重的前提下，实现三个 轴向的配平，即组合质心和安装点几何中心的精确重合。然后通过对本体结 构件的减重及各部分安装位置的微调，实现本体组件质心和安装点几何中心 精确重合。

本体1的8个角上分别装有一个减振器10，用于提供与外部机箱的机 械接口，提高抗力学性能。如图4，8个减振器的几何中心C1和所有组件的 质心C2重合；C1、C2之间的矢量L为两者之间的偏差，通过仿真软件反 复的仿真优化，L沿x、y、z三轴的投影均不超过0.3mm，即本体组件的安 装点几何中心和质心沿各个方向上的偏差均不超过0.3mm，则认为C1和C2 重合；可有效减少线角耦合的发生。

减振器10的谐振频率为80Hz±5Hz，减振效率大于60％，放大倍数不大 于3倍。减振器10经过等刚度测试，选取8个刚度值最为接近的减振器为 一组使用，等刚度测试的两个要素为最大力F和加载速率V，其中其中，G为本体组件重量，k为力学环境下的随机振动量级，N为减振器数 量。按照速率V挤压减振器直至压力达到F，再以相同速率释放，在压力最 大点处的瞬态刚度值定义为减振器在该力学环境下的刚度值。由于减振器多 为有阻尼材料，如橡胶制成，其刚度均有非线性的特点，需要根据总体设计 的要求和减振器使用情况，选取某一点的刚度值等效为减振器有效刚度值， 等刚度测试的两个要素为加载最大力F和加载速率V，其中其中， G为本体组件重量71.5N，k为力学环境下的随机振动量级，为13.65g，N 为减振器数量8，计算得F＝122，按照速率V＝2mm/min缓慢挤压减振器直至 加载力达到F，再以相同速率V释放至自由状态，在压力最大点处的瞬态刚 度值定义为减振器在该力学环境下的有效刚度值，依据测试结果，在预定基 频范围内，减振器刚度值在120-140N/m之间呈正态分布趋势，选取8个刚 度值上下偏差不超过3N/m的减振器为一组使用，可有效避免线振动与角振 动耦合的发生。

如图5和图6所示，加表组件8包括加表本体81，固定安装于加表本 体81上的三个正交的第一加表82、第二加表83和第三加表84，加表罩85、 加热片87和温度传感器。加表罩85罩在三个加表、加热片87和温度传感 器外与加表本体81通过第一螺钉固定连接。加表本体81与本体1之间通过 第二螺钉固定连接。加热片87用于产生热量，维持加表组件8的温度，温 度传感器用于测量加表罩85内的温度，当测得温度低于设定值，启动加热 片87对加表组件进行加热；当测得温度高于设定值，加表87停止加热。如 图8所示，第一螺钉与加表本体81的螺钉孔内螺纹配合，第一螺钉的螺钉 头部分与加表罩85接触面之间和加表本体81与加表罩85之间围绕螺钉的 部分设有第一隔热垫片88；如图7所示，第二螺钉与本体1的螺钉孔内螺 纹配合，第二螺钉的螺钉头部分与加表本体81接触面之间和本体1与加表 本体81之间围绕螺钉的部分设有第二隔热垫片86。加入隔热垫片后，加表 本体81和加表罩85之间产生缝隙，缝隙厚0.5-1.5mm，该缝隙通过涂抹导 热系数较低的硅橡胶层GD41489(参见文献：成钢，李尧，《航天用RTV GD414硫化性能研究》，《真空与低温》，2013，19：50-55)进行密封， 使得加表组件内部空气和外部隔离，保证加表组件内部的保温效果。加表组 件8采取了隔热保温措施，在工作环境下，热传导消耗的热量远远大于热对 流和热辐射，通过导热系数很低的隔热垫片将加表本体与陀螺仪本体1、加 表本体81与加表罩85隔离，可以有效降低热传导散失的热量，缩短加热时 间，降低热耗。

第一加表82、第二加表83和第三加表84在工作状态下需要保持恒定的 环境温度，才能够精确输出，因此加表组件8的保温直接影响到组合的测量 精度。加表组件8的散热方式主要有三种：热传导、热对流和热辐射。隔热 垫片保证了组件之间的刚性连接，又将组件隔离开一定距离。未经隔热处理 时的热传导是金属合金，主要是铝合金，之间进行的，铝合金在工作温度下 的导热系数为155W/(m·℃)，经分析，未经隔热处理的热传导散热量远大于 热对流和热辐射，因此加表组件8保温最有效的方式就是抑制热传导途径。

本发明采用加隔热垫片的方式抑制热传导，选用的隔热垫片的材料为航 天常用非金属材料环氧层压玻璃布板(参见文献：韩小平，韩省亮等，《复 合材料率相关本构模型的研究》，《机械科学与技术》，1999，18：125-126)， 该材料导热率仅为0.3W/(m·℃)，是铝合金的1/500，也可选择物理特性相似 的聚砜材料。考虑到加热片87及第一加表82、第二加表83和第三加表84 均安装在加表本体81，可将加表本体81视为保温对象，加表本体81安装 到本体1时在安装面加入隔热垫片，将加表本体81与本体1、加表本体81 与第二螺钉隔开，如图8所示，热传导的传播途径为加表本体81→第二隔 热垫片88→本体1，依据热传导公式：

Q_传导＝A_ch_c(T_i-T_j)

其中，Q_传导——接触传热的热流，单位为W；

A_c——接触面积，单位为m²；

h_c——接触传热系数，单位为W/(m²·℃)；

T_i——接触面i温度，单位为℃；

T_j——接触面j温度，单位为℃。

可知，通过降低接触传热系数以及减小接触面积，可将由第一加表82、 第二加表83和第三加表84通过本体1散失的热量大大降低，该措施在加热 阶段和保温阶段均有效。

同理，通过第一隔热垫片将加表本体81与加表罩85隔开，热量由加表 本体81传输到加表罩85的热传导效率大大降低。同时，加表罩85内部进 行抛光处理，可降低加表罩内表面热对流和热辐射效率，加表罩85升温变 慢，在加热过程中其外表面与外部通过热对流和热辐射散失的热量减少，可 缩短加热时间。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。