一种高精度光纤陀螺用的大热沉均热方法与流程

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其是一种高精度光纤陀螺用的大热沉均热方法。

背景技术：

光纤陀螺是一种基于sagnac效应的光纤角速率传感器，具有体积小、精度高、全固态、使用寿命长、动态范围大等优点。基于光纤陀螺的捷联式惯性导航系统已被广泛应用于航天航空、舰艇导航等领域。

随着高精度惯导技术发展，提高光纤陀螺精度的需求日益迫切，例如对于战略潜艇等船用领域，通常要求光纤陀螺长期零偏稳定性优于0.001°/h。对于干涉式光纤陀螺而言在有限的线路降噪技术条件下，可以采取的有效措施是增加环圈纤长和加大环圈直径，如ixsea公司的惯组200，四个高精度光纤陀螺采用直径200mm，纤长5km的保偏光纤，honeywell的精密级高精度光纤陀螺也采用10km保偏光纤。但受到导航体积的限制以及目前惯导体积日益小型化趋势要求，环圈直径无法进一步提高。更为重要的制约因素是来自随着纤长增加以及设计的尺寸增加势必带来更为棘手的环圈温度漂移抑制的压力。因为上述条件下环圈内部温度场更不容易控制，另外随着绕环工艺复杂度增加会导致环圈对称度降低致使环圈shupe误差增加。因为光纤环圈作为光纤陀螺中的敏感核心，其性能直接影响光纤陀螺的精度。当光纤环圈所处的环境因素(比如温度、振动)发生变化时，在光纤环圈中反向传播的两束光波将产生非互易性的相位差，这种非互易性相位差和角速度引起的sagnac相位差在解调过程中不可分离，直接影响环圈的敏感角速度的准确性。

光纤陀螺中由于shupe误差引起的热致非互易性角速率误差为：

式中，d为光纤环圈的平均直径；l为光纤的总长度；n表示光纤环圈的本地折射率，为光纤折射率随温度变化的系数；表示光纤z点在t时刻的变温速率；l-2z则表示z点光纤相对于光纤环圈中点的位置因子。shupe公式表明，除了提高环圈绕制对称性外，如果在环圈中点两侧光纤的温度场分布如果是均匀的或者说没有温度梯度，那么即便对称性略差已可以实现高精度。基于以上原理，高精度光纤陀螺除了在增加环圈直径以及纤长以便提高陀螺敏感度，还要提高环圈绕制对称度降低温度灵敏度，除此之外可以考虑降低温度场的均匀性，也就是在环圈级温度控制。通常高精度光纤陀螺，其环圈对环境的温度变化灵敏，上述情况特别是温度场的空间梯度存在，会严重影响陀螺长期的温度漂移和零偏重复性，一般的环圈对温度变化速率的响应通常为0.005゜/h/℃，上述应用严重制约高精度光纤陀螺的应用。传统的系统温控方法是一种主动温控模式，通常结构复杂，温控精度要求高，而且功耗高。如果能够在较粗的温控条件下找到一种环圈内部温度均匀的方法，势必有利于提高陀螺精度，降低成本，更主要的是降低系统设计难度。鉴于高精度光纤陀螺通常有温控条件，其温度变化一般优于1℃，如果能够将陀螺尤其是环圈能够将其温度变化控制在0.1℃范围内，对于抑制陀螺的漂移是由非常意义的。

技术实现要素：

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种适用于高精度光纤陀螺热场平衡，减少陀螺环圈随外界温度漂移的方法。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种高精度光纤陀螺用的大热沉均热方法，其特征在于：包括以下步骤：将陀螺环圈组件浸没于热容器内所盛的导热质中，并采用支撑柱进行紧固；陀螺环圈组件与外界线路板以及光源通过导线和光缆连接，上述线缆通过热容器上所制的密封口与外界相连；热容器下端安装底座，该底座固着到具有粗温控的系统台体上，通过热传导方式将粗温控条件下温度波动快速均匀滤波。

而且，所述的陀螺环圈组件包括敏感环圈、y波导及磁屏蔽盒。

而且，所述的环圈组件通过支撑柱采用倒悬方式或底面支撑方式或多方位支撑方式固着在热容器上。

而且，所述的导热质为无腐蚀的油或者较大热容金属块配合导热硅脂，要求导热质与环圈组件有良好的热接触。

而且，所述的热容器为软磁材料或者其他不易变形金属，如1j50/1j79等材料，热容器壁厚不小于5mm。

而且，所述的支撑柱采用膨胀系数较小的钛合金。

本发明的优点和积极效果是：

本发明的方法是一种通过对陀螺环圈组件进行热均匀材料包裹方法，达到内部敏感环圈温度场均匀的目的。该热沉方法的最大特点是，采用较大热容材料将陀螺环圈组件浸没，通过热传导的方式达到均热和对温度变化的滤波。上述热沉结构整体至于系统温控环境内，对系统的温控均匀性要求大为低，温控精度±0.5℃，允许温度有一定的波动，这对于温控pwm(脉冲宽度调制)波产生的温度抖动是十分有意义的。

本发明所提出的热沉均热方法是一种新颖可行的热设计理念，具有针对性强、实现形式简单的特点，对提高光纤陀螺精度具有较强应用价值，该成果具有创新性，适合推广应用。

附图说明

图1是一种热沉均热结构图。

图中标记为：

1—密封口，2—环圈组件，3—热容器，4—支撑柱，5—导热质，6—底座。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种高精度光纤陀螺用的大热沉均热方法，其具体过程为：

首先，将陀螺环圈组件2(指敏感环圈、y波导及磁屏蔽盒)浸没于热容器3内所盛的导热质5中。该导热质为无腐蚀的油或者较大热容金属块配合导热硅脂，要求导热质与环圈组件有良好的热接触。热容器为软磁材料或者其他不易变形金属，如1j50/1j79等材料，热容器壁厚适当增加这样利于整体均热，建议壁厚不小于5mm。

其次，为了确保组件的刚度和稳定性，采用支撑柱4对陀螺环圈组件进行紧固。为了更好的热均匀特性，可采用倒悬的方式，通过支撑柱将环圈组件固着在热容器上。本发明方法中提到的支撑方式不局限于倒悬式固着方式，还可以是底面支撑或者多方位支撑。所述的支撑柱采用膨胀系数较小的钛合金，均由良好的热绝缘性和尺寸稳定性。

陀螺环圈组件与外界线路板以及光源通过导线和光缆连接，为了保证整体的气密性以及均热特性，上述线缆通过热容器上所制的密封口1与外界相连。

最后，热容器下端安装底座6，底座用于整个装置的固着安装，将该底座固着到具有粗温控的系统台体上，通过热传导方式将粗温控条件下温度波动快速均匀滤波。

本发明的设计原理是：

目前，传统的陀螺环圈通常采用单面热传导或者置于温箱内，通过空气对流达到热平衡，其空间温度梯度会不均匀，空间上温度不均匀甚至达到数摄氏度。由于在对流等条件下由于环圈等制作上的缺陷，空气等扰动会导致陀螺输出出现尖刺等。

本发明提供一种新型高精度光纤陀螺热均匀方法——将环圈组件浸没于较大热容材料内，通过热传导方式将粗温控条件下温度波动快速均匀滤波，降低表头的热体梯度，降低环圈组件温度漂移，该方法有别于传统空气对流传热方式，具有结构实现简单和温控精度要求低等特点。本发明中权利要求的导热质材料是方法的关键材料，该材料不仅局限于液体，还可以是配合导热硅脂的固体材料，本发明方法中提到的支撑方式不局限于倒悬式固着方式，还可以是底面支撑或者多方位支撑。由于采用热传导方式，且有一定密闭性，该方法可有效改善环圈温度性能和振动性能，尤其是气流扰动引起的挑刺等效果显著。