一种激光陀螺的垂直向形变补偿装置及补偿方法与流程

1.本发明属于激光陀螺领域，尤其涉及一种激光陀螺的垂直向形变补偿装置及补偿方法。


背景技术：

2.激光惯性导航系统是基于激光陀螺的现代化高性能惯性导航系统，广泛用于运载火箭、卫星飞船、导弹武器、航空飞机、潜艇舰船等领域。
3.惯性导航系统内部通常安装有三只激光陀螺和三只加速度计。激光陀螺是导航系统的关键仪表，用来测量角速度和角度，具有精度高、可靠性好、寿命长等特点。
4.在运载火箭、导弹武器、战机等在大加速度环境下，激光陀螺形状是个扁平的矩形体，激光陀螺在平行于激光光路的x、y方向上具有很高的刚度，激光陀螺谐振腔的腔体产生的形变很小，陀螺的输出偏置误差很小。
5.然而在激光陀螺的z轴（敏感轴）方向上的受到加速度影响时，由于该方向扁平的激光陀螺刚度较小，导致激光陀螺谐振腔的腔体在z轴（敏感轴）方向上产生变形，从而使激光光路形变，产生了显著的偏置误差。对z轴方向40g的加速度，常规尺寸的激光陀螺来说加速度引起的偏置误差通常在0.05~0.3deg/h，这个误差是小加速度环境下误差（通常优于0.01deg/h）的数倍。因此在z轴大加速度环境下，加速度导致的激光陀螺偏置误差必须得到抑制。
6.现有的专利和文献在涉及对大加速度下陀螺误差问题的解决，通常只有采用更小尺寸的激光陀螺、加大激光陀螺厚度，或者标定出仪表对加速度的敏感度进行补偿等方法。但是这些方法都存在如下问题：（1）小尺寸激光陀螺静态精度往往比大尺寸激光陀螺要低得多，难以达到静态下的高精度要求。
7.（2）采用加大厚度的激光陀螺，往往显著增加了仪表体积重量，通常体积和重量会增大20~40%，这往往不能接受；（3）要标定出陀螺对加速度的敏感，需要复杂昂贵的离心机进行长时间标定，且每只陀螺敏感度和极性都不相同，误差分辨率也不高，这种方法效率很低、成本极高。
8.因此，现有措施和方法不能适应高精度激光陀螺在大过载下的精度保持要求。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本发明的第一方面提出了一种激光陀螺的垂直向形变补偿装置，所述装置包括：惯导系统加速度计、电学放大器和多片压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的两个表面均印刷导电银膜作为施加电压的电极；将所述多片压电陶瓷片以预定分布方式粘接在激光陀螺的上下表面，并将所述多片压电陶瓷片的两个电极引出线分别连接，构成正电极和负电极；所述正电极和负电极分别连接到所述电学放大器的正电压输出端子和负电压输
出端子；所述惯导系统加速度计检测激光陀螺敏感轴向上的加速度并生成所述敏感轴向的加速度信息，所述惯导系统加速度计将所述加速度信息提供给所述电学放大器；所述电学放大器根据所述加速度信息，将表征激光陀螺敏感轴向上的加速度大小的电压线性转换为控制压电陶瓷片的压电陶瓷矫正电压；所述压电陶瓷矫正电压由电学放大器正电压输出端子和负电压输出端子输出到所述压电陶瓷片的正电极和负电极；通过所述压电陶瓷矫正电压控制所述压电陶瓷的弯曲形变。
10.如本发明的第一方面所述的装置，所述压电陶瓷片被制成长条状薄片，使用环氧胶粘接在激光陀螺的敏感轴向的上表面及下表面上，且多片所述压电陶瓷片在激光陀螺的上表面及下表面上按中心对称的方式排列。
11.如本发明的第一方面所述的装置，所述长条状薄片的压电陶瓷片的材料为 pzt-5。
12.如本发明的第一方面所述的装置，所述压电陶瓷片两个表面的导电银膜上分别引出一根电极引出线；或者，在所述压电陶瓷片的一个面上设置一个与本面导电银膜绝缘的电极引出点，所述电极引出点与另一个面的导电银膜构成电连接；一个所述电极引出线设置在本面导电银膜上，另一根电极引出线设置在所述电极引出点上。
13.如本发明的第一方面所述的装置，当所述压电陶瓷片的两个电极引出线分别设置在所述压电陶瓷片的两表面上时，使用两层布线方式连接所述压电陶瓷片表面的两个电极引出线，构成正电极和负电极引线。
14.如本发明的第一方面所述的装置，当所述压电陶瓷片的两个电极引出线设置在所述压电陶瓷片的一个面上时，通过一层布线方式分别连接所述压电陶瓷片的两个电极引出线，构成正电极和负电极引线。
15.如本发明的第一方面所述的装置，所述压电陶瓷矫正电压的变化范围为0-300v。
16.本发明的第二方面提出一种激光陀螺的垂直向形变补偿方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，惯导系统加速度计检测激光陀螺敏感轴向上的加速度，以生成所述敏感轴向上的加速度信息，并将所述加速度信息输入到电学放大器输入端；步骤2，所述电学放大器根据所述加速度信息，将表征激光陀螺敏感轴向的加速度大小的电压线性转换为预定幅度的压电陶瓷矫正电压；步骤3，所述电学放大器正电压输出端子和负电压输出端子分别连接到压电陶瓷片的两个电极，所述电学放大器输出的所述压电陶瓷矫正电压控制所述压电陶瓷片产生形变，以矫正激光陀螺敏感轴向上的加速度造成的激光陀螺形变，使激光陀螺的输出偏置保持不变。
17.如本发明的第二方面所述的方法，所述压电陶瓷矫正电压的电压值使所述压电陶瓷片的弯曲方向与所述激光陀螺敏感轴向加速度造成的激光陀螺谐振腔腔体形变的弯曲方向相反。
18.如本发明的第二方面所述的方法，所述预定幅度的压电陶瓷矫正电压的范围是：
0-300v；所述压电陶瓷矫正电压产生的所述压电陶瓷片的弯曲形变量为：不超过数微米的范围。
19.采用本发明的方案，可以直接用于现有激光陀螺，不需要对复杂的设计修改，现有激光陀螺采用本发明后重量和体积的增加均不超过2%。采用本发明后，可以在减小激光陀螺厚度的情况下，保持大加速度下的性能稳定，有利于激光陀螺的轻质化设计。本发明只需要计算每种规格陀螺的机械形变敏感度，即可实施，不需要对每只产品进行单独标定，方法具有高度的一致性。本发明方法高度灵敏、控制范围大，能够确保在-80g～80g加速度下，陀螺输出的高度稳定；本发明非常廉价和实用，能够保持陀螺在加速度环境下的精度。
附图说明
20.图1是本发明的激光陀螺表面粘接双面引出电极的压电陶瓷片的正面图；图2是本发明的激光陀螺上、下两个表面粘接双面引出电极的压电陶瓷片的示意图；图3是本发明的双面引出电极压电陶瓷片的正视图；图4是本发明的单面引出电极压电陶瓷片的正视图；图5是本发明的激光陀螺表面粘接单面引出电极的压电陶瓷片的正面图。
21.其中，1. 激光陀螺，2.压电陶瓷片，3.导电银膜，4.导电金属片，5. 第一连接导线，6.正电压端子，gnd.电压地端子，7.电极引出点，8.电极引出点连接端，9.第二连接导线，10.第二连接导线引出端。
具体实施方式
22.本发明的技术解决问题是：克服现有方法措施的缺点，提供一种廉价、简单、实时灵敏的控制方法，极大减小加速度导致的偏置误差。
23.本发明提出一种激光陀螺在大加速度环境下稳定控制的形变装置，适用于确保激光陀螺大过载环境下精度性能的稳定。
24.本发明提出一种在激光陀螺1表面粘贴压电陶瓷片，根据惯导系统加速度计的加速度信息，控制压电陶瓷片的形变，确保激光陀螺在敏感轴向无弯曲，从而消除加速度环境下的偏置误差的方法。
25.敏感轴向存在加速度时，激光陀螺谐振腔腔体表面产生几个纳米到几个微米的弯曲形变，形变越大，激光陀螺输出的偏置误差也越大。而为了消除激光陀螺的弯曲形变，可以通过对粘贴在激光陀螺的表面上的压电陶瓷片施加矫正电压，使得压电陶瓷片产生的形变抵消加速度引起的激光陀螺的弯曲形变。
26.以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
27.如图1和图2所显示，本发明的第一方面提出了一种激光陀螺1的垂直向形变补偿装置，所述装置包括：惯导系统加速度计（未示出）、电学放大器（未示出）和多片压电陶瓷片2；所述压电陶瓷片2的两个表面均印刷导电银膜3作为施加电压的电极；将所述多片压电陶瓷片2以预定分布方式粘接在激光陀螺1的上下表面，并将所述多片压电陶瓷片2的两个表面的导电银膜3与第一和第二连接导线分别连接，构成正电压端子6和电压地端子gnd；
所述正电压端子6和电压地端子gnd分别连接到所述电学放大器的正电压输出端子和负电压输出端子；所述惯导系统加速度计检测激光陀螺1敏感轴向上的加速度并生成所述敏感轴向的加速度信息，所述惯导系统加速度计将所述加速度信息提供给所述电学放大器；所述电学放大器根据所述加速度信息，将表征激光陀螺1敏感轴向加速度大小的电压线性转换为控制压电陶瓷片2的压电陶瓷矫正电压；所述压电陶瓷矫正电压由电学放大器正电压输出端子和负电压输出端子输出到所述压电陶瓷片2的正电压端子6和电压地端子gnd；以控制所述压电陶瓷片2的弯曲形变。
28.如图1所示为本发明的激光陀螺1一个表面粘接压电陶瓷片2的正面图；图2是在激光陀螺1的上、下两个表面分别粘接多个压电陶瓷片2的示意图。
29.如本发明的第一方面所述的装置，所述压电陶瓷片2被制成长条状薄片，使用环氧胶粘接在激光陀螺1的敏感轴向的上表面及下表面上，且多片所述压电陶瓷片2在激光陀螺的上表面及下表面上按中心对称的方式排列。
30.如本发明的第一方面所述的装置，所述长条状薄片的压电陶瓷片2的材料为 pzt-5。
31.如本发明的第一方面所述的装置，所述压电陶瓷片2两个表面的导电银膜上分别引出一根电极引出线；或者，在所述压电陶瓷片2的一个面上设置一个与本面的导电银膜3绝缘的电极引出点7，所述电极引出点7与所述压电陶瓷片2另一个面的导电银膜3构成电连接；第一连接导线5设置在本面导电银膜3上，第二连接导线9设置在所述电极引出点7上。
32.本发明的压电陶瓷片2为长条状薄片压电陶瓷，材料通常为 pzt-5，压电陶瓷片表面印刷导电银膜。陶瓷有两种镀银膜方式，第一种如图3所示，陶瓷两面均镀导电银膜3，需额外引出与导电银膜3连接的导电电极。第二种如图4所示，压电陶瓷片上下两个表面镀导电银膜3，其中一个表面的导电银膜3留出一个绝缘区，该绝缘区设置背面银膜的电极引出点7，该电极引出点7与背面的导电银膜3连接。
33.两种压电陶瓷片均可以通过环氧胶将压电陶瓷片粘接在激光陀螺1的上下表面的适合位置，具体粘接压电陶瓷片时，图3所示的第一种结构，需在压电陶瓷片2与激光陀螺1谐振腔腔体粘接的表面上布置一层薄导电金属片4，用于引出压电陶瓷片2下层电极引线，将压电陶瓷片2上表面的银膜通过第一连接导线5引出作为另一电极引线，具体布置结构如图1所示。如图4所示，第二种结构的压电陶瓷片2，直接将压电陶瓷片2上表面的导电银膜3通过第一连接导线5连接，第一连接导线5被引出后作为一个电极引线。压电陶瓷片2下表面的导电银膜3通过电极引出点7在电极引出点连接端8与第二连接导线9连接。通过第二连接导线引出端10引出另一个电极引线，具体布置结构如图5所示。
34.如图5所示，第二连接导线9用于连接多个压电陶瓷片2的电极引出点7，所述第二连接导线9通过第二连接导线引出端10引出作为另一个电极引线。
35.由于激光陀螺1通常是中心对称的设计，因此粘接的压电陶瓷片2具有对称的分布形状。本发明的图1的示例方案是环形布置。
36.如本发明的第一方面所述的装置，当所述压电陶瓷片2的两个电极引出线分别设置在所述压电陶瓷片2的两个表面上时，使用两层布线方式连接所述压电陶瓷片2表面的两
个电极引出线，构成正电极和负电极引线。
37.如本发明的第一方面所述的装置，当所述压电陶瓷片2的两个电极引出线设置在所述压电陶瓷片2的一个面上时，通过一层布线方式分别连接所述压电陶瓷片2的两个电极引出线，构成正电极和负电极引线。
38.如本发明的第一方面所述的装置，所述压电陶瓷矫正电压的变化范围为0-300v。
39.本发明的第二方面提出一种激光陀螺的垂直向形变补偿方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，惯导系统加速度计检测激光陀螺1敏感轴向上的加速度，以生成所述敏感轴向的加速度信息，并将所述加速度信息输入到电学放大器输入端；步骤2，所述电学放大器根据所述加速度信息，将表征激光陀螺1敏感轴向加速度大小的电压线性转换为预定幅度的压电陶瓷矫正电压；步骤3，所述电学放大器正电压输出端子和负电压输出端子分别连接到压电陶瓷片2的两个电极，所述电学放大器输出的所述压电陶瓷矫正电压控制所述压电陶瓷片2产生形变，以矫正激光陀螺1敏感轴向上的加速度造成的激光陀螺1谐振腔腔体形变，使激光陀螺1的输出偏置保持不变。
40.如本发明的第二方面所述的方法，所述压电陶瓷矫正电压的电压值使所述压电陶瓷片2的弯曲方向与所述激光陀螺1敏感轴向加速度造成的激光陀螺1形变的弯曲方向相反。
41.如本发明的第二方面所述的方法，所述预定幅度的压电陶瓷矫正电压的范围是：0-300v；所述压电陶瓷矫正电压产生的所述压电陶瓷片的弯曲形变量为：不超过数微米的范围。
42.将形变控制量转换为0-300v之间的压电陶瓷矫正电压，实时控制激光陀螺1表面上压电陶瓷片2的形变，从而对加速度造成的激光陀螺1形变进行矫正补偿，使光路高度稳定，激光陀螺1的输出偏置保持不变。
43.通过对应方向的加速度计获取激光陀螺1在敏感轴向上的实时加速度值。根据加速度信息，将表征激光陀螺1敏感轴向加速度大小的电压，线性转换为0-300v之间的压电陶瓷矫正电压，并实时控制激光陀螺1表面压电陶瓷片2的形变，从而对加速度造成的激光陀螺1谐振腔腔体形变进行补偿，使其激光陀螺的输出高度稳定。
44.最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。