专利名称：包括圆柱体固态放大器杆的激光陀螺仪及其激励方法
技术领域：
本发明涉及包括圆柱体固态放大器杆的激光陀螺仪、用于测量一至三个角速度的系统、以及用于激励固态放大器元件的相关方法。
背景技术：
陀螺测试仪是这样的运动传感器，其可能测量传感器的参考系相对于伽利略参考系关于一个或多个轴线的旋转速度。激光陀螺仪量计(也称为激光陀螺仪)大多数情况下使用气态放大器介质，其常规地是氦和氖的混合物。然而，可能使用具有固态放大器介质的激光陀螺仪，其中气态放大器介质被固态元件替换，所述固态元件例如涂抹有钕的YAG基质(钇铝石榴石)。激光陀螺仪的操作原理基于双向激光环腔的萨尼亚克效应，旋转运动施加到该双向激光环腔中。萨尼亚克效应引发在该腔内部以相反方向传播的两种所谓的相向传播光传输模式之间的频率差Ω。在常规使用的固态介质(包括Nd:YAG)中，以相反方向传播的模式共享相同放大器原子。于是，使用术语均勻增益。当两个相向传播模式具有相等或十分相似的频率时，源自于其的干扰信号是可能的移动驻波。增益介质的原子在靠近驻波的波腹时更多相称地参与激励发射过程且在靠近波节是更少相称地参与。于是，在增益介质中产生由驻波约束的粒子数反转网络。只要该两个相向传播模式的频率充分地彼此接近，就保持该网络。当频率差与激励水平的寿命倒数相比是大的时，其对比相称地较少。法国专利申请FR 2905005 (THALES)描述了一种包括至少一个光环腔和固态放大器介质的激光陀螺仪，所述光环腔和固态放大器介质设置成使得两个所谓的相向传播光学模式可在所述光学腔内部彼此以相反方向传播并且传输通过放大器介质。放大器介质耦合到传感器装置，所述传感器装置向放大器介质提供沿着大致平行于所述光学模式的传播方向的轴线的周期性平移运动。这种装置使得可能调节活性晶体围绕平均位置的纵向位置，使得晶体的原子相对于两个相向传播模式所形成的干涉图形的波节和波腹进行运动，与所述两个模式之间的频率差无关。这种装置使得可能减少增益网络的对比和因此用于激光陀螺测试仪的有害作用，同时不会修改腔的长度。还使得可能的是，减少放大器介质所引发的反向散射作用。最后，该装置可能构成用于处理盲区的装置，所述盲区取决于具体情形可能代替常规机械激活装置或与该常规机械激活装置互补。这种装置必须允许高激励频率，这对于用在民用航空或武器系统的领域是必要的。该激励频率必须大于用于对应于旨在测量范围的激光陀螺测试仪的输入角频率的两个相向传播模式之间出现的频率差。一个技术困难在于得到足够高的机械激励频率(在数百kHz的量级)，以及数个微米量级的大振荡幅值，而不会影响形成固态放大器介质的晶体的几何形状和尺寸特征。原因在于，旨在激励频率接近晶体或类似尺寸(在数个毫米量级)的任何其它固体的自振频率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述的各种问题。显然，本发明使得可能生产一种满足上述状况的完好机械谐振器，其-限制该装置的元件的尺寸和数量，以便避免开始谐振部件，这是无用的或甚至干涉旨在总振动；-设计组件使得可能将这些元件彼此连接，而不会导致减少激励或导致晶体不期望的变形；-使用谐振器架构，其确保从外部支承件最大可能地隔离，例如通过使用音叉原理，其中谐振器(晶体)一部分的振动通过其它部分(优选地对称的部分)(配重)来动态平衡，因而确保在被选择为从外部支承件隔离的紧固点的连接点处大致为零的得到振动。因此，本发明的第一方面提供一种激光陀螺仪，所述激光陀螺仪包括具有回转轴线的圆柱体固态放大器杆。所述激光陀螺仪包括-环形压电元件，用于沿着所述回转轴线在预定频率f下激励所述固态放大器元件，所述环形压电元件牢固地安装到圆柱体固态放大器杆的两端截面中的一个上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆的所述回转轴线重合；和-环形动态配重，其牢固地安装到所述环形压电元件的自由端截面上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆的所述回转轴线重合；所述圆柱体固态放大器杆定尺寸成被认为在所述激励频率f下不可变形。根据上述原理，这种激光陀螺仪使得可能以旨在应用所期望的频率和幅值激励固态晶体杆，同时确保晶体的几何形状类型或尺寸变化的干扰最小，这对于校正激光陀螺仪的操作是不利的。根据一个实施例，所述环形压电元件的内径以及所述环形动态配重的内径都大于阈值。因此，入射激光束不受阻碍或限制，因为该阈值大于激光束的直径。在一个实施例中，所述环形压电元件的内径与所述环形动态配重的内径相等。因此，围绕激光路径的所有可用空间都被最优化，以便提高谐振器的构成元件的紧凑性和刚度以及其组装模式。根据一个实施例，固态放大器元件包括下述固态放大器介质的任何组合晶体 Nd:YAG, Nd:KGff, Nd:YV04，Yb:GdCOB 禾口 Nd，Cr:GSGG0在一个实施例中，所述频率f可在100至250KHz之间。在一个实施例中，所述固定安装件是刚性粘结结合件，其具有在Kffa量级的杨氏模量以及具有小于0. 02mm的小厚度。使用刚性粘结结合件的优势在于当晶体杆与其它元件组装时减少晶体杆的应力和变形；以及在传输以低削弱的通过接头厚度的激励的振动波时构成可靠且有效的界面。根据一个实施例，所述环形压电元件包括两个表面电极，它们以中心环的形式设置在所述环形压电元件的端部截面上。受电压控制的表面电极使得可能管理圆柱体固态放大器杆的振动。在一个实施例中，激光陀螺仪包括悬置机构，所述悬置机构适于将圆柱体固态放大器杆固定到安装其的外部系统或支承件上并且将其从所述外部系统或支承件振动地解耦，所述悬置机构包括所述环形压电元件的外部环。因此，环形压电元件的外部环截面具有悬置功能，从而使得其可能相对于承载激光陀螺仪的系统或者例如激光陀螺仪外壳的支承件固定和振动解耦圆柱体固态放大器杆。根据一个实施例，所述悬置机构还包括具有IMpa量级杨氏模量的柔性粘结结合件。使用这种柔性粘结结合件增强了圆柱体固态放大器杆相对于承载激光陀螺仪的系统或者例如激光陀螺仪外壳的支承件的振动解耦。本发明的第二方面提供一种用于从关于各自轴线的一至三个角速度或一至三个相对角位置进行测量的系统，所述系统包括根据前述权利要求中任一项所述的一至三个激光陀螺仪，所述激光陀螺仪分别沿着所述各自轴线取向并且安装到公共机械结构上。这种多轴线测量系统允许将例如镜或诸如激活装置的操作机构的子组件组合成紧凑且一致的组件，其在尺寸、重量或性能方面是有利的。本发明的第三方面提供一种激励激光陀螺仪的圆柱体固态放大器杆的方法，所述圆柱体固态放大器杆具有回转轴线，其中所述固态放大器元件通过环形压电元件以预定频率f激励，所述环形压电元件牢固地安装到圆柱体固态放大器杆中两个端部截面中的一个上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆的所述回转轴线重合，且所引发的不平衡通过牢固地安装到所述环形压电元件的自由端截面上的环形动态配重来平衡，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆的所述回转轴线重合。
在研究借由完全非限制性示例描述并且通过
的一些实施例之后，本发明将能被更清楚地理解，在附图中-图1是根据本发明一个方面的激光陀螺仪实施例的截面图；以及-图2是根据本发明一个方面的根据图1的激光陀螺仪的外部视图。
具体实施例方式在各个附图中，具有相同附图标记的元件是相同的。如图1所示，以截面示出了具有对称的回转轴线ASR的激光陀螺仪。激光陀螺仪包括圆柱体固态放大器杆，例如Nd:YAG晶体，称为SA。作为替代方式， 固态放大器元件可以是固态放大器介质Nd:KGW，Nd:YV04，Yb:GdCOB和Nd，Cr:GSGG的任何组合。由两个环形电极ELTl和ELT2控制的环形压电元件PE使得可能沿着轴线ASR在确定频率f开始振动以圆柱体杆SA形式的固态放大器元件。圆柱体固态放大器杆SA的几何形状(尤其是其尺寸)被设置使得在振动频率f下，其可被认为是不可变形的固体。环形压电元件PE通过刚性粘结结合而牢固地安装到圆柱体固态放大器杆SA的端部截面上。 这种刚性粘结结合件通常具有小于大约0. 02mm的小厚度以及在IGPa量级的杨氏模量。作为变型，开始在可变化至250kHz范围的频率下的振动可通过热激励、机械激励或磁激励或者这些激励中的任何组合来实施。
激光陀螺仪包括动态配重或配重CBD，其通过具有小于大约0. 02mm的小厚度以及在Kffa量级的杨氏模量的刚性粘结结合件牢固地安装到环形压电元件PE的自由端截面上，使得其回转轴线与圆柱体固态放大器杆SA的回转轴线ASR重合。因此，存在由环形压电元件PE的中心部分形成的弹性活动区域以及由环形压电元件PE的外围部分形成的弹性不活动区域。中心部分以轴向模式被电激励，以便得到圆柱体固态放大器杆SA的期望振荡，但是实际上产生径向模式，因为圆形压电元件PE还在径向上变形。然而，环形压电元件PE的不活动外部部分使得可能过滤该振动的大部分，其被传输到外部系统或支承件上，所述不活动外部部分安装到所述外部系统或支承件上。因此，存在振动解耦，其例如通过安装具有IMPa量级的杨氏模量的刚性粘结结合件而被改进。配重CBD使得可能平衡圆柱体固态放大器杆SA的轴向振动。该动态配重自身设置成在与圆柱体固态放大器杆SA的振动方向相反的轴向振动。因此，在用作组件紧固点的中间压电元件PE处具有大致为零的得到轴向振动，其构成相对于外部支承件而言良好的动态解耦。举例来说，在大于250KHz的频率f下的振动可通过具有大约3mm直径和大约3mm 高度Has的圆柱体固态放大器杆来得到。于是，环形压电元件PE的外径DEpe是大约10mm， 对于环形压电元件PE和动态配重CBD常见的内径是大约3mm。本发明使得可能得到包括固态放大器元件的激光陀螺仪，所述固态放大器元件在平移振动运动中处于可高达250kHz的频率。
权利要求
1.一种激光陀螺仪，所述激光陀螺仪包括具有回转轴线(ASR)的圆柱体固态放大器杆 (SA)，其特征在于，所述激光陀螺仪包括-环形压电元件(PE)，用于沿着所述回转轴线(ASR)在预定频率f下激励所述固态放大器元件，所述环形压电元件(PD)牢固地安装到圆柱体固态放大器杆(SA)的两端截面中的一个上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆(SA)的所述回转轴线(ASR)重合； 和-环形动态配重(CBD)，其牢固地安装到所述环形压电元件(PE)的自由端截面上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆(SA)的所述回转轴线(ASR)重合；所述圆柱体固态放大器杆(SA)定尺寸成被认为在所述激励频率f下不可变形。
2.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述环形压电元件(PE)的内径 (DI)以及所述环形动态配重(CBD)的内径(DI)都大于阈值。
3.根据权利要求2所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述环形压电元件(PE)的内径 (DI)和所述环形动态配重(CBD)的内径(DI)相等。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光陀螺仪，其特征在于，固态放大器元件(SA) 包括下述固态放大器介质的任何组合晶体Nd:YAG，Nd:KGff, NdiYVO4, YbiGdCOB和Nd， CrGSGGο
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述频率f可在100至 250kHz 之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述固定安装件是刚性粘结结合件，其具有在IGPa量级的杨氏模量以及具有小于0. 02mm的小厚度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述环形压电元件 (PE)包括两个表面电极(ELT1，ELT2)，它们以中心环的形式设置在所述环形压电元件(PE) 的端部截面上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光陀螺仪，包括悬置机构，所述悬置机构适于将圆柱体固态放大器杆(SA)固定到安装其的外部系统或支承件上并且将其从所述外部系统或支承件振动地解耦，所述悬置机构包括所述环形压电元件(PE)的外部环。
9.根据权利要求8所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述悬置机构还包括具有IMpa量级杨氏模量的柔性粘结结合件。
10.一种测量关于各自轴线的一至三个角速度或测量一至三个相对角位置的系统，其特征在于，所述系统包括根据前述权利要求中任一项所述的一至三个激光陀螺仪，所述激光陀螺仪分别沿着所述各自轴线取向并且安装到公共机械结构上。
11.一种用于激励激光陀螺仪的圆柱体固态放大器杆(SA)的方法，所述圆柱体固态放大器杆具有回转轴线(ASR)，其特征在于，所述固态放大器元件(SA)通过环形压电元件 (PE)以预定频率f激励，所述环形压电元件(PE)牢固地安装到圆柱体固态放大器杆(SA) 中两个端部截面中的一个上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆(SA)的所述回转轴线(ASR)重合，且所引发的不平衡通过牢固地安装到所述环形压电元件(PE)的自由端截面上的环形动态配重(CBD)来平衡，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆(SA)的所述回转轴线(ASR)重合。
全文摘要
本发明涉及一种激光陀螺仪，其包括具有回转轴线(ASR)的圆柱体固态放大器杆(SA)。所述激光陀螺仪还包括环形压电元件(PE)，用于沿着所述回转轴线(ASR)在预定频率f下激励所述固态放大器元件，所述环形压电元件(PD)牢固地安装到圆柱体固态放大器杆(SA)的两端截面中的一个上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆(SA)的所述回转轴线(ASR)重合；和环形动态配重(CBD)，其牢固地安装到所述环形压电元件(PE)的自由端截面上，使得其回转轴线与所述圆柱体固态放大器杆(SA)的所述回转轴线(ASR)重合；所述圆柱体固态放大器杆(SA)定尺寸成被认为在所述激励频率f下不可变形。
文档编号G01C19/66GK102216730SQ200980145508
公开日2011年10月12日 申请日期2009年10月26日 优先权日2008年11月14日
发明者E·卢瓦尔 申请人:塔莱斯公司