一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪的制作方法

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪。

背景技术：

惯性技术是海陆空各类运动载体惯性导航、制导控制、定位定向、姿态稳定以及过载传感等的核心技术，在国防领域发挥着越来越大的作用。光纤陀螺仪作为惯性技术领域具有划时代意义的新型主流仪表，和机械、挠性、激光等陀螺仪相比，光纤陀螺仪具有体积小、重量轻、可靠性高、性价比高等优点；和mems陀螺仪相比，光纤陀螺仪的精度和性能具有很大的优势。因此，光纤陀螺仪已成为21世纪军用惯性设备的最优方案。

在现代高技术条件下的局部战争中，地面火炮及大口径舰炮的主要任务正在向针对重点目标的精确打击方向转变，因此，制导炮弹技术便成为了各国大力发展的核心与前沿技术。制导炮弹是炮弹与导弹的结合体，发射时在炮膛内受炸药爆炸而获得动力。数据显示，制导炮弹在发射时需要承受15000g～30000g的一次轴向超高过载冲击，此外还伴随有冲击引发的高频振动，这就对弹上惯性设备的抗过载能力提出了严格的要求，弹上惯性设备的抗振减冲机构设计也成为了制导炮弹研制的关键技术之一。

光纤陀螺仪作为惯性设备的优选方案，在现有制导炮弹中对其进行的抗振减冲设计方案均是采用外置保护装置的方式，这一方案虽然能够有效保护光纤陀螺仪免受炮弹发射时超大轴向过载冲击的破坏，但是由于外置抗振减冲保护装置的体积和重量均较大，所以其会压缩制导炮弹中战斗部的空间，导致制导炮弹威力的降低。因此，亟需深入研究光纤陀螺单表独立抵抗轴向超大冲击的设计方案，并发明一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：针对现有光纤陀螺仪抗冲击能力不足，无法依靠光纤陀螺单表独立抵抗轴向超大冲击的问题，提出一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪，为推动光纤陀螺仪在制导炮弹等轴向高过载环境中的高效应用奠定基础。

本发明的技术方案为：

一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪，包括由光纤陀螺仪上盖和光纤陀螺仪下盖组成的光纤陀螺仪封闭壳体结构，且光纤陀螺仪上盖和下盖之间固定连接；

光纤陀螺仪封闭壳体结构内放置光路组件和电路组件，且光路组件和电路组件在装配中经过减振固化处理；光纤陀螺仪下盖与光路组件之间嵌装有泡沫金属吸能层和减振器，且减振器与光路组件采用过盈装配方式；电路组件通过灌注胶粘剂的方式固定于光纤陀螺仪的上盖内；

光纤陀螺仪在承受轴向高过载大冲击时，泡沫金属吸能层通过变形、压溃，耗散掉部分对光路组件轴向造成的一次超大冲击，减振器进一步吸收冲击能量，并耗散由一次超大冲击激发的后续高频振荡的能量，保护光路组件的正常工作；

对于电路组件，灌注的胶粘剂使电路组件与光纤陀螺仪上盖之间形成减振垫，在高过载大冲击中保护电路组件。

进一步的，泡沫金属吸能层的材料为泡沫金属材料，为泡沫铝、泡沫钛、泡沫镍、泡沫铜中的任意一种，所述泡沫金属吸能层为带安装定位孔的圆柱形薄片。

进一步的，泡沫金属吸能层在抵抗轴向高过载大冲击过程中的平台区峰值应力应满足σp≤ma/s；泡沫金属吸能层的厚度应满足l≥w/(nσpsεd)；其中，m为经减振固化处理的光路组件的质量；a为经减振固化处理的光路组件可独立承受的最大轴向冲击加速度；s为泡沫金属吸能层与光路组件的接触面积；w为泡沫金属吸能层在高过载大冲击环境中所需吸收的轴向冲击能量；n为泡沫金属吸能层在高速压缩时吸收能量的放大倍数，n＝3～10；εd为泡沫金属吸能层的密实化应变。

进一步的，减振器采用金属减振器或橡胶减振器；装配时，减振器与光路组件采用过盈装配方式，以保证光纤陀螺仪光路组件在抵抗轴向高过载大冲击的同时，承受附加径向冲击振动。

进一步的，减振器的刚度需满足k≤σps/(εdl)，以最大限度发挥泡沫金属吸能层在轴向一次超大冲击中的吸能能力。

进一步的，光纤陀螺仪在承受轴向高冲击载荷时，泡沫金属吸能层会在一次超大冲击中通过变形、压溃耗散能量，并与光路组件分离；减振器始终与光路组件接触，减振器在一次超大冲击中吸收一部分冲击能量外，对由一次超大冲击激发的后续高频振荡进行减振。

进一步的，光路组件包括sld光源、耦合器、y波导、光纤环及结构件；sld光源、耦合器、y波导及光纤环依次通过光纤连接，此光路组件在装配中经过减振固化处理，包括在sld光源、y波导、耦合器与结构件之间增垫橡胶减振垫、利用硅橡胶对光纤环进行全固化处理，以提升光路组件在高过载大冲击环境中的适应性。

进一步的，电路组件上集成了光纤陀螺仪的信号处理电路、光源驱动电路以及探测器；此电路组件在装配中经过减振固化处理，包括在电路组件所在的电路板芯片下及探测器下灌注环氧胶、利用环氧胶对电路组件进行整体包裹保护，以提升电路组件在高过载大冲击环境中的适应性。

进一步的，用于将电路组件固定于光纤陀螺仪上盖内的胶粘剂选用硅橡胶类胶粘剂或聚氨酯类胶粘剂。

进一步的，光纤陀螺仪结构件材料密度不高于4.5g/cm³，抗拉强度不小于400mpa；光纤陀螺仪上盖和下盖的主受力面连接拐角处圆弧过渡，圆弧不小于r2，以降低连接拐角处在高过载大冲击环境中的应力集中。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明将包括吸能层和减振器的抗振减冲机构集成到光纤陀螺仪内部，使光纤陀螺单表具备了独立抵抗轴向高过载大冲击的能力，提高了光纤陀螺仪在制导炮弹等高过载大冲击力学环境中的应用适用性；

(2)本发明针对光纤陀螺仪中对力学冲击较敏感的光路组件，采用泡沫金属吸能层和减振器相结合的复合抗振减冲机构设计，在轴向高过载大冲击的力学环境中，此机构不仅能够高效吸收轴向一次超大冲击的冲击能量，而且能够高效耗散由一次超大冲击激发的后续高频振荡的能量，对光纤陀螺仪光路组件起到有效的保护作用；

(3)本发明对光纤陀螺仪的抗振减冲设计是在陀螺仪内部针对其光路组件和电路组件分别进行的，被保护组件不包括光纤陀螺仪中质量相对较大的光纤陀螺仪壳体结构，使设计的抗振减冲机构具有体积小、重量轻的优点，降低了光纤陀螺仪在制导炮弹等应用平台上所占的空间，对提升制导炮弹中战斗部的比重、强化制导炮弹的威力具有重要的意义；

(4)本发明可通过采用不同径向尺寸的减振器来控制减振器与光纤陀螺仪光路组件之间的装配过盈量，以保证光纤陀螺仪在抵抗轴向高过载大冲击的同时，还可承受一定程度的附加径向冲击振动；

(5)本发明通过调整泡沫金属吸能层的材料、尺寸，调整减振器的刚度，可使设计的光纤陀螺仪适应不同制导炮弹的不同发射冲击环境。

附图说明

图1为本发明的可独立抵抗轴向高过载大冲击光纤陀螺仪的结构爆炸图；

图2(a)为本发明光纤陀螺仪光路组件俯视图；

图2(b)为本发明光纤陀螺仪光路组件剖视图；

图3为本发明泡沫金属材料的压缩应力-应变曲线；

图4为本发明减振器与光纤陀螺仪光路组件之间的装配方式示意图；

图5(a)为本发明电路板芯片及探测器减振固化处理示意图；

图5(b)为本发明电路组件整体包裹保护示意图；

图5(c)为本发明电路组件在光纤陀螺仪内部安装固定示意图；

图6(a)为本发明光纤陀螺仪上盖主受力面连接拐角处圆角设计示意图；

图6(b)为本发明光纤陀螺仪下盖主受力面连接拐角处圆角设计示意图；

图7(a)为本发明经历轴向超高过载前光纤陀螺仪的状态示意图；

图7(b)为本发明经历轴向超高过载过程中光纤陀螺仪的状态示意图；

图7(c)为本发明经历轴向超高过载后光纤陀螺仪的状态示意图；

图8为本发明优选方案的外形尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明公开了一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪，其结构爆炸图如图1所示。此光纤陀螺仪的组成由上至下包括：光纤陀螺仪上盖2、电路组件4、光路组件5、减振器6、泡沫金属吸能层7和光纤陀螺仪下盖8。其中，减振器6与泡沫金属吸能层7利用定位螺钉9安装固定于光纤陀螺仪下盖8及光路组件5之间；电路组件4通过灌注胶粘剂3的方式固定于光纤陀螺仪上盖2内；光纤陀螺仪上盖2与下盖8之间利用螺钉1连接固定，电路组件4为光路组件5供电。

由于本发明将光纤陀螺仪的抗振减冲机构设计在了陀螺仪内部，使本发明的光纤陀螺仪具有体积小、重量轻、可依靠陀螺单表本体独立抵抗轴向高过载大冲击的特征。

制导炮弹是炮弹与导弹的结合体，发射时在炮膛内受炸药爆炸而获得动力。数据显示，制导炮弹在发射时需要承受量级为15000g～30000g、半正弦宽度为0.5ms～3ms的超高轴向一次冲击，此外还需承受由此一次超高冲击引发的高频随机振动，这对制导炮弹上光纤陀螺仪等惯性设备的抗冲击过载能力提出了严格的要求。

光路组件5包括sld光源、耦合器、y波导、光纤环。光纤陀螺仪的光路组件通常仅能承受不到2000g的冲击，经特殊减振固化处理的光路组件可承受大于6000g的冲击，所谓特殊减振固化处理是指在光学器件(包括sld光源、y波导、耦合器)与结构件之间增垫橡胶减振垫、利用硅橡胶对光纤环进行全固化处理，如图2(a)、图2(b)所示，以提升光路组件(5)在高过载大冲击环境中的适应性。

但是，即使光路组件5经过了特殊的减振固化处理，其抗振能力也远无法达到制导炮弹抗冲击过载指标的要求，为避免光路组件5在轴向超高过载环境中发生失效，本发明在光纤陀螺仪内部设计了泡沫金属吸能层7与减振器6相结合的复合抗振减冲机构。当光纤陀螺仪在承受轴向高过载大冲击时，处于光纤陀螺仪下盖8与光路组件5之间的泡沫金属吸能层7会被压缩，并产生变形、压溃，以将轴向高冲击载荷中一次超大冲击的大部分能量耗散掉，减振器6则会在此基础上进一步吸收冲击能量，并耗散由一次超大冲击激发的后续高频振荡的能量，保护光路组件5的正常工作。

对于泡沫金属吸能层7，其材料通常采用泡沫铝、泡沫钛、泡沫镍、泡沫铜等泡沫金属材料。其形状可利用线切割的加工方式定制为带安装定位孔的圆柱形薄片。

图3所示为泡沫金属材料的压缩应力-应变曲线，可以看出，泡沫金属材料的压缩应力-应变曲线具有明显的三个阶段，即线弹性区、平台区、致密化区。其中，线弹性区阶段的变形机理与实体金属相同，且持续时间短暂；平台区阶段是泡沫金属材料的吸能阶段，此阶段中外界输入的能量会转变为泡沫金属材料中孔穴的变形、坍塌、破碎等各种形式的能量耗散掉；平台区过后进入致密化区阶段，泡沫金属材料结构刚度增强，呈现出显著的应变硬化现象。

由于制导炮弹的超高轴向一次冲击对于泡沫金属材料属于高速压缩，而泡沫金属材料高速压缩时的变形模式又与准静态压缩时完全不同。在高速压缩时，泡沫金属材料会在动态加载面附近首先出现孔壁坍塌，并发生局部密实化现象，在此过程中，泡沫金属材料静态面处的应力为其平台应力，而动态加载面处的应力则会显著增大。泡沫金属材料的这一特性决定了其在受到高速冲击载荷时，只能传递允许的脉冲强度到被保护结构上，一方面避免了被保护结构由于过载而发生失效，另一方面又显著提升了其在高速冲击中所吸收耗散的能量，因此在高过载大冲击的环境中，泡沫金属材料是理想的轻质吸能防护材料。

为在轴向高过载大冲击中有效保护光纤陀螺仪的光路组件，避免其由于过载而发生失效，设计采用的泡沫金属吸能层7在抵抗轴向高过载大冲击过程中的平台区峰值应力应满足：

σp≤ma/s

其中：m为经减振固化处理的光路组件5的质量；a为经减振固化处理的光路组件5可独立承受的最大轴向冲击加速度；s为泡沫金属吸能层7与光路组件5的接触面积。

为充分且高效的发挥泡沫金属吸能层7在轴向一次超大冲击中的吸能能力，并保证光纤陀螺仪中被保护的光路组件不发生过载失效，在轴向高过载大冲击过程中，泡沫金属吸能层7应完全工作在图3所示的平台区阶段，因此，设计采用的泡沫金属吸能层(7)的厚度应满足：

l≥w/(nσpsεd)

其中：w为泡沫金属吸能层7在高过载大冲击环境中所需吸收的轴向冲击能量；n为泡沫金属吸能层7在高速压缩时吸收能量的放大倍数，压缩速率越快，泡沫金属吸能层7吸收的能量越大，n＝3～10；εd为泡沫金属吸能层7的密实化应变，即泡沫金属吸能层7完全压溃后，因结构致密化而导致的压缩应力突然增大对应的应变。

对于减振器6，其通常采用金属减振器或橡胶减振器。在轴向高过载大冲击过程中，为了充分发挥泡沫金属吸能层7平台区阶段的吸能能力，设计采用的减振器6应对此阶段泡沫金属吸能层7的压缩变形完全不加约束，因此，设计采用的减振器的刚度应满足：

k≤σps/(εdl)

此外，在装配时，减振器6与光路组件5采用过盈装配方式，如图4所示，保证光纤陀螺仪光路组件在抵抗轴向高过载大冲击的同时，还可承受一定程度的附加径向冲击振动。

电路组件4上集成了光纤陀螺仪的信号处理电路、光源驱动电路以及探测器，主要起给光纤陀螺供电及对信号进行调制解调处理的作用。由于电路组件4上的电子元器件均是通过焊接的方式固定到印制板上的，因此其抗冲击能力要比光路组件5强，通常可承受10000g左右的冲击，但也远达不到制导炮弹在发射时所产生的15000g～30000g的轴向超高过载冲击，因此在装配中同样需要对电路组件4进行了减振固化处理。

电路组件4减振固化处理的措施和流程为：(1)在电路板芯片下及探测器下灌注流动性较好的环氧胶，对光纤陀螺仪电路组件进行一次固化，如图5(a)所示；(2)利用硬度较高的环氧胶对电路组件进行整体包裹保护，使电路组件形成一个整体，以分散平均电路组件上各芯片在高过载大冲击环境中所受的冲击载荷，如图5(b)所示；(3)通过灌注具有较高强度和弹性的硅橡胶类胶粘剂或聚氨酯类胶粘剂将已成为一个块状整体的电路组件粘贴固定于光纤陀螺仪上盖内，由此在光纤陀螺仪上盖及电路组件之间形成减振垫，以进一步提升电路组件在高过载大冲击环境中的适应性，如图5(c)所示。以上措施可以使光纤陀螺仪电路组件在轴向高过载大冲击环境得到有效保护，实现安全抵抗制导炮弹发射时产生的15000g～30000g轴向超高过载冲击的目的。

此外，在高过载大冲击的环境中，通常要求弹载设备的结构具有轻质量、高强度的属性，因此光纤陀螺仪结构件材料优选高强度铝合金，如7a04铝合金、7075铝合金等。并且在光纤陀螺仪上盖和下盖的主受力面连接拐角处应尽可能设计成较大的圆弧过渡，如图6(a)、6(b)所示，以降低主受力面连接拐角处的应力集中，提升光纤陀螺仪的结构强度。

本发明设计的一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪，如图7(a)所示，光纤陀螺仪在经历轴向超高过载前，光路组件5与泡沫金属吸能层7及减振器6直接接触，泡沫金属吸能层7及减振器6又与光纤陀螺仪下盖8直接接触，并且光路组件5、泡沫金属吸能层7、减振器6及光纤陀螺仪下盖8之间利用定位螺钉9固定，电路组件4通过灌注胶粘剂3的方式固定于光纤陀螺仪上盖2内，光纤陀螺仪上盖2、下盖8最后再利用螺钉1连接。

如图7(b)所示，光纤陀螺仪在经历轴向超高过载时，由于光纤陀螺仪外壳，即上盖2和下盖8，与制导炮弹弹体固连，在轴向超高过载产生的惯性力的作用下，光路组件5与光纤陀螺仪下盖8会发生相向运动，进而挤压泡沫金属吸能层7及减振器6，泡沫金属吸能层7在此过程中会发生变形、压溃，以吸收耗散由轴向超高过载冲击输入的大部分能量，减振器6则会在此基础上进一步吸收冲击能量；

对于电路组件4，在轴向超高过载产生的惯性力的作用下，其会与光纤陀螺仪上盖2发生相背运动，它们之间由胶粘剂形成的减振垫3会发生拉扯，由于选用的硅橡胶类胶粘剂或聚氨酯类胶粘剂具有较高强度和弹性，在拉扯过程中其会充当阻尼器的作用以吸收轴向超高过载的冲击能量；通过以上措施可有效保护光路组件5及电路组件4在轴向超高过载环境中仍工作正常。

如图7(c)所示，光纤陀螺仪在经历轴向超高过载后，泡沫金属吸能层7已被压溃、压扁，并与光路组件5脱离，减振器6则会回弹恢复原状，其始终与光路组件5保持接触并发挥作用，耗散由一次超大冲击激发的后续高频振荡的能量，对光路组件5提供持续的保护；电路组件4则恢复至初始状态，由三重灌胶减振措施保护其正常工作。

具有此类特征的光纤陀螺仪可使陀螺单表在轴向高过载大冲击的环境中实现对角速度的精密测量，对制导炮弹等具有轴向高过载大冲击特性武器的精确制导提供技术支撑。

本发明公开的一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪的一个具体的实施例为：

本发明的一种优选方案如图8所示。此优选方案光纤陀螺仪的外形结构尺寸为：50×50×38(mm)，总重量为125g，此光纤陀螺仪在应用中需要承受20000g、半正弦宽度为1ms的超高轴向一次冲击。

此优选方案的结构爆炸图如图1所示，其中，经特殊减振固化处理的光路组件5的重量为45g，可承受大于6000g的冲击，其与泡沫金属吸能层7的接触面积为1040mm²，由前述公式可知，设计采用的泡沫金属吸能层7在抵抗轴向高过载大冲击过程中的平台区峰值应力应满足：

σp≤ma/s＝2.6mpa

为充分且高效的发挥泡沫金属吸能层7在轴向一次超大冲击中的吸能能力，在轴向高过载大冲击过程中，泡沫金属吸能层应完全工作在图3所示的平台区阶段。

在此优选方案中，光纤陀螺仪下盖8的重量为20g，其会将幅值为20000g、半正弦宽度为1ms的超高轴向一次冲击从光纤陀螺仪下部传递进光纤陀螺仪内部；在此超高轴向一次冲击中，泡沫金属吸能层7所需吸收的能量为超高冲击的输入能量减去光路组件5承受冲击所吸收的能量；设计取泡沫金属吸能层7高速压缩时吸收能量的放大倍数n＝10；设计取泡沫金属吸能层7的密实化应变εd≥0.7；设计取泡沫金属吸能层7平台区峰值应力σp＝2.5mpa；因此，由前述公式可知，设计采用的泡沫金属吸能层7的厚度应满足：

l≥w/(nσpsεd)＝(200-81)/(10×2.5×1040×0.7)＝6.5mm

因此，在此优选方案光纤陀螺仪中，选用的泡沫金属吸能层7的材料为泡沫镍，选用的材料参数为：平台区峰值应力σp≈2.5mpa，密实化应变εd≥0.7，选用的泡沫金属吸能层7的厚度l＝8mm。

在此优选方案中，选用的减震器6为金属减振器。在轴向高过载大冲击过程中，为了充分发挥泡沫金属吸能层7平台区阶段的吸能能力，设计采用的减振器6应对此阶段泡沫金属吸能层7的压缩变形完全不加约束，因此，设计采用的减振器的刚度应满足：

k≤σps/(εdl)＝(2.5×1040)/(0.7×0.008)＝4.6×10⁵n/m

在此优选方案中，对电路组件4进行减振固化采用的胶粘剂分别为：(1)利用单组分环氧胶somida4519在电路板芯片及探测器底部灌胶，对电路组件4进行一次固化；(2)利用环氧树脂胶粘剂hasuncast985fr对电路组件4进行整体包裹保护，使电路组件4形成一个整体，以分散平均电路组件上各芯片在高过载大冲击环境中所受的冲击载荷；(3)通过灌注脱醇型单组份室温硫化硅橡胶gd414将已成为一个块状整体的电路组件4粘贴固定于光纤陀螺仪壳体上盖2内，在光纤陀螺仪上盖2及电路组件4之间形成减振垫，以进一步提升电路组件4在高过载大冲击环境中的适应性。

利用以上措施研制发明的一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪在应用中成功抵抗了超20000g、半正弦宽度为1ms的超高轴向一次冲击，且应用中陀螺仪始终工作正常，精度指标优异。

综上即为本发明提出的一种可独立抵抗轴向高过载大冲击的光纤陀螺仪。最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而为脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。