一种用于激光陀螺连接排气台的非玻璃装置的制作方法

1.本实用新型属于惯性导航设备制造技术领域，具体涉及一种用于激光陀螺连接排气台的非玻璃装置。


背景技术：

2.激光陀螺是用于测量运动物体角速率的传感器，是现代惯性导航技术中常用的传感器种类之一，其一般形式是一个环形氦氖激光谐振腔，常用的激光谐振腔有四边形和三角形等。与常规的氦氖激光器相同，激光陀螺内部充有一定气压的氦氖(he-ne)气体，称为工作物质，保证工作物质的纯度是维持激光陀螺寿命的核心。由于激光陀螺腔体内外存在较大的气压差(大约0.9个大气压)，要在长达10年左右的使用和存储期限内不发生大气泄漏是对激光陀螺制造工艺的艰巨挑战。此外，附着在微晶玻璃腔体内表面以及电极内表面的其它非工作气体分子会缓慢释放出来影响工作气体纯度，其结果就是激光陀螺增益下降，激光强度变弱甚至不能达到激光产生的条件，使得激光陀螺失效。因此，杂质气体的增多是影响激光陀螺寿命关键的因素之一。为了克服杂质气体对激光陀螺寿命的影响，激光陀螺需要安装吸气剂，吸气剂一般由锆、铝等组成，经过高温激活后，吸气剂在常温下即可吸附杂质气体分子，而不吸附氦氖气体。然而吸气剂的激活一般是在激光陀螺“老化”结束以后才实施，因此激光陀螺在连接真空排气台“老化”的过程中，需要一个辅助吸气剂来吸附“老化”过程中产生的杂气。
3.激光陀螺腔体一般采用低膨胀微晶玻璃加工而成，其外部还有电极、反射镜片等元件，这些外部元件一般由金属、石英等材料加工制成，经过精密洗净后通过特殊工艺与激光陀螺的微晶玻璃腔体封接在一起。在谐振腔调谐完成后还必须与真空排气台连接，经过若干天的“老化”处理，以使得反射镜片适应低气压环境变得稳定，同时也使得微晶玻璃腔体以及其上封接的其它元件接受等离子清洗，进一步释放表面附着的非工作气体分子。激光陀螺的抽气阳极是通过铟丝加热加压软化封接在腔体之上，这种封接对剪切作用力耐受很弱，如果连接装置整体是刚性结构，则会对抽气阳极的铟封造成切向应力损伤；而长期以来，激光陀螺与真空排气台的连接都是通过光电硬玻璃管和可伐合金过渡来实现，连接的过程需要使用氢氧混合气体燃烧产生的高温火焰进行烧结，烧结时，操作者还需通过一个玻璃端口用嘴向加热变软的玻璃管内吹气，利用吹气的气压控制连接处的管径大小。这种连接工艺的弊端主要是：口腔吹气容易对真空系统造成污染，另外氢气的使用给工作现场的安全生产管理带来了极大的难度，也让操作者承受了较大的心理压力。
4.近年来，国内外对激光陀螺与真空排气台的连接做了较大改进，依靠卡套或vcr接口，实现了激光陀螺与排气台的金属冷接台。这些改进大大减少了氢气的使用，但并没有彻底杜绝氢气使用，因为这些接台装置依然存在玻璃材料。例如，老化过程中所用的辅助吸气剂仍然是封装在一个玻璃泡中，然后通过可伐合金过渡连接到金属管路中。辅助吸气剂一旦使用殆尽，则需使用氢氧气火焰烧结工艺来更换新的辅助吸气剂。此外，由于玻璃在系统中的存在，就无法避免在长时间“老化”过程中发生玻璃破裂，导致大气泄漏到真空系统中，
污染激光陀螺，损伤排气台里精密真空器件。所以这种玻璃与金属共存的接台装置并没有彻底解决上述的问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种用于激光陀螺连接排气台的非玻璃装置，其目在于：在激光陀螺与真空排气台的连接过程中彻底放弃氢氧气火焰烧结工艺，实现完全的金属冷连接，以此提高激光陀螺系统在老化、作业状态下的耐受力与使用寿命。
6.本实用新型的技术方案如下：一种用于激光陀螺连接排气台的非玻璃装置，包括连接装置总成、激光陀螺、高压电源、真空排气台、激活线圈。其中，所述连接装置总成包括波纹管一、波纹管二、隔断组件、三通接头、对接管、密封接头、储存罐、吸气剂；所述波纹管一的法兰接口与所述真空排气台的法兰对接安装，从而形成连接装置总成与真空排气台的柔性连接；波纹管一的另一端通过含有绝缘非玻璃材质的所述隔断组件连接至所述三通接头，三通接头的另一端口与所述波纹管二连接，波纹管二的另一端卡套接头与所述激光陀螺的抽气阳极连接，从而形成连接装置总成与激光陀螺的柔性连接；激光陀螺的阴极、阳极分别与所述高压电源的负极、正极形成电气连接；此外，三通接头的第三个端口通过所述对接管与所述密封接头形成密封连接，密封接头下方连有所述储存罐，所述储存罐为非玻璃材质，并呈上端开口的中空平底圆形筒，储存罐内腔之中设有放置于其平底之上的所述吸气剂；所述激活线圈设置于储存罐平底下方，其线圈环绕轴心与储存罐平底垂直，并与储存罐轴线重合。
7.进一步的，所述连接装置总成还包括分流环，所述分流环为弱磁合金或无磁合金材料制成的环状体，其环状内径与所述储存罐外径呈过盈配合或过渡配合关系，当对利用所述激活线圈对所述吸气剂执行激活工作时，将分流环套合安装于所述储存罐底部的外壁之上，当吸气剂已经处于激活状态时，可将分流环卸下进行单独散热。
8.进一步的，所述真空排气台之中用于产生负压的真空泵系统与所述法兰接口之间的管路上设有真空计，所述真空计的测量精度数量级小于1
×
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，所述吸气剂的激活状态的判断标准为真空计示数至少上升2个数量级。
9.进一步的，所述卡套接头包括卡套螺母、前卡套、后卡套、主接头体，其中卡套螺母套合于所述激光陀螺的所述抽气阳极上，所述前卡套、所述后卡套均为锥形体，并分别由外而内套合于抽气阳极上，其中前卡套外径大于后卡套，使所述主接头体的外螺纹与卡套螺母的内螺纹对接安装时，二者共同将前卡套、后卡套压紧并形成密封空间，主接头体的另一端密封固定于波纹管二的端头。
10.进一步的，所述密封接头包括vcr接头、vcr螺母、密封垫圈，其中，所述vcr接头固定于所述对接管端头，所述vcr螺母套合于vcr接头处，通过将vcr螺母旋入所述储存罐的端头外螺纹处，使vcr接头与储存罐端头共同抵住所述密封垫圈的两端，形成所述三通接头与储存罐之间的密封连接。
11.进一步的，所述隔断组件包括中间的陶瓷管与两端的金属管，二个所述金属管通过钎焊固定于所述陶瓷管的两端，其中一端的金属管与一个连接管焊接固定，所述连接管的另一端与所述三通接头连接。
12.进一步的，所述吸气剂为锆铝吸气剂，当对吸气剂进行激活时，以950～1100w的功率驱动激活线圈使其产生频率为1.5
±
0.1mhz电磁波；激活线圈以间隔方式开启，每次开启时间≤25s，多次开启激活线圈使吸气剂保持激活温度的总持续时间为5～15min，从而使吸气剂进入完全激活状态并发挥吸气功能。
13.进一步的，所述激活线圈的环绕匝数为2～4匝，激活线圈工作时，其所处水平面的设置位置与所述吸气剂底面间距≤50mm。
14.进一步的，所述吸气剂呈圆饼状，所述储存罐内径与吸气剂外径差值为0～3mm，储存罐为304奥氏体无磁不锈钢或无磁合金材料制成。
15.进一步的，所述分流环外壁之上设有以蛇形走线路径分布的凸起状分流棱，所述分流棱蛇形走线路径环绕于分流环轴线一周进行布置。
16.本实用新型的有益效果是：
17.1.本实用新型利用非玻璃材质储存罐、隔断组件及波纹管连接结构的设计，完全摒弃了玻璃材料的使用，实现了激光陀螺与真空排气台的之间的金属冷连接，拆装方便，密封性好，彻底消除了使用氢气带来的安全隐患，无需担心玻璃管破裂对真空系统和激光陀螺的污染和破坏；同时，储存罐内的吸气剂可以在真空排气系统中各种真空泵停止工作之后，持续产生吸气作用，吸附激光陀螺在老化过程中产生的杂质气体，并且，利用储存罐的平底结构使激活线圈从外部即可完成校准，有效提高电磁激活效率及工作气体纯度，吸气剂的安装更换也实现了无火作业，安全方便，气密性好，极大地保障了激光陀螺设备运行的精度、寿命及稳定性。
18.2.本实用新型的波纹管柔性连接可有效避免刚性连接对激光陀螺及其抽气阳极铟封结构造成的应力损伤，同时以vcr接头、卡套接头实现吸气装置总成的灵活拆装与严实封接，连接装置总成、激光陀螺、真空排气台的连接、拆卸效率相比玻璃烧结显著提高，在行业内具有较好的实用价值。
19.3.本实用新型通过分流环套合于储存罐底部外壁的设计，利用高频交流电的趋肤效应，使激活线圈的大量感应涡流在激活吸气剂之外分别集中于分流环外壁及储存罐底部薄面，从而有效分担储存罐侧壁所受涡流热效应的影响，降低储存罐热变形程度，并防止热量经过金属连接件传导而对激光陀螺造成干扰，有效提高激光陀螺的测量精度；同时，通过分流环外壁蛇形走线布置的分流棱形成外壁涡流的平行耦合，进而有效抑制感应涡流在分流环外壁上的集中程度，进一步降低分流环自身的热变形程度，以此保证激活线圈对吸气剂的对准精度及激活效率，提高整体装置对热变形的抗干扰能力。
附图说明
20.图1为本实用新型的装配结构示意图；
21.图2为本实用新型中连接装置总成的结构示意图；
22.图3为本实用新型中隔断组件的局部结构爆炸图；
23.图4为本实用新型中卡套接头的相关结构爆炸图；
24.图5为本实用新型中密封接头的相关结构爆炸图；
25.图6为本实用新型中激活线圈的工作状态示意图；
26.图7为本实用新型中分流环与储存罐的安装结构示意图；
27.图8为本实用新型中分流棱的涡流方向示意图；
28.图9为本实用新型中储存罐在涡流热效应下的有限元分析示意图；
29.图10为本实用新型中储存罐安装分流环后在涡流热效应下的有限元分析示意图。
30.图中：1-连接装置总成，11-波纹管一，111-法兰接口，12-波纹管二，121-卡套接头，121a-卡套螺母，121b-前卡套，121c-后卡套，121d-主接头体，13-隔断组件，131-陶瓷管，132-金属管，133-连接管，14-三通接头，15-对接管，16-密封接头、161-vcr接头，162-vcr螺母，163-密封垫圈，17-储存罐，18-吸气剂，19-分流环，19a分流棱，2-激光陀螺，21-抽气阳极，22-阴极，23-阳极，3-高压电源，4-真空排气台，41-真空泵系统，42-真空计，5-激活线圈。
具体实施方式
31.下面结合说明书附图及实施例，对本实用新型作进一步详细描述。
32.实施例一
33.如图1-6所示，一种用于激光陀螺2连接排气台的非玻璃装置，包括连接装置总成1、激光陀螺2、高压电源3、真空排气台4、激活线圈5。其中，所述连接装置总成1包括波纹管一11、波纹管二12、隔断组件13、三通接头14、对接管15、密封接头16、储存罐17、吸气剂18；所述波纹管一11的法兰接口111与所述真空排气台4的法兰对接安装，从而形成连接装置总成1与真空排气台4的柔性连接，真空排气台4之中用于产生负压的真空泵系统41与所述法兰接口111之间的管路上设有真空计42，所述真空计42的测量精度数量级为1
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；波纹管一11的另一端通过所述隔断组件13连接至所述三通接头14，隔断组件13包括中间的陶瓷管131及其两端通过钎焊方式固定的金属管132，其中一端的金属管132与一个连接管133焊接固定，所述连接管133的另一端与所述三通接头14连接；三通接头14的另一端口与所述波纹管二12连接，波纹管二12的另一端卡套接头121与所述激光陀螺2的抽气阳极21连接，从而形成连接装置总成1与激光陀螺2的柔性连接，所述卡套接头121包括卡套螺母121a、前卡套121b、后卡套121c、主接头体121d，卡套螺母121a套合于激光陀螺2的所述抽气阳极21上，所述前卡套121b、所述后卡套121c均为锥形体，并分别由外而内套合于抽气阳极21上，其中前卡套121b外径大于后卡套121c，使所述主接头体121d的外螺纹与卡套螺母121a的内螺纹对接安装时，二者共同将前卡套121b、后卡套121c压紧并形成密封空间，主接头体121d的另一端密封固定于波纹管二12的端头；激光陀螺2的阴极22、阳极23分别与所述高压电源3的负极、正极形成电气连接；此外，三通接头14的第三个端口通过所述对接管15与所述密封接头16形成密封连接，密封接头16包括vcr接头161、vcr螺母162、密封垫圈163，其中所述vcr接头161固定于所述对接管15端头，所述vcr螺母162套合于vcr接头161处，通过将vcr螺母162旋入所述储存罐17的端头外螺纹处，使vcr接头161与储存罐17端头共同抵住所述密封垫圈163的两端，形成所述三通接头14与储存罐17之间的密封连接；储存罐17材质为304奥氏体无磁不锈钢，并呈上端开口的中空平底圆形筒，储存罐17内腔之中设有放置于其平底之上的所述吸气剂18，吸气剂18为圆饼状的锆铝吸气剂18，其外径比储存罐17内径小2mm；所述激活线圈5设置于储存罐17平底下方，其线圈环绕轴心与储存罐17平底垂直，并与储存罐17轴线重合。
34.本实施例的工作步骤如下：
35.步骤一：吸气剂18投入储存罐17之前，需拆下其螺纹接头，而后将吸气剂18平底朝下沿储存罐17内壁滑入底部平面，使二者平面贴合，而后，按如上所述连接安装各个部件，并检验卡套接头121、密封接头16等各个对接处的密封严实度，确保装置的气密性能。
36.步骤二：启动真空泵系统41进行抽气，维持系统运行的低气压状态，而后启动高压电源3，在阴极22和阳极23之间放电起辉，起辉电压高达几千伏，待电流稳定后，维持电压为几百伏。由于抽气阳极21既是激光陀螺2的电极，也是激光陀螺2与真空排气台4的连接端口，通过连接装置总成1之中隔断组件13的陶瓷管131确保绝缘性。使高压电源3正极与真空排气台4的金属管132路之间形成绝缘阻断，保障设备及操作人员的安全；同时，利用波纹管一11、波纹管二12的柔性连接有效避免抽气阳极21的铟封结构受到应力损伤。
37.步骤三：将激活线圈5轴线对准储存罐17圆形底面的中心，并确保激活线圈5截面圆心与储存罐17底面间距为15mm，由于储存罐17内径与吸气剂18圆饼状外径设计尺寸的差值仅为2mm，可无需凭借以往的玻璃外壳进行视觉校准，激活线圈5轴心只需对齐储存罐17轴线即可确保对准吸气剂18；而后，以1000w功率驱动绕数4匝的激活线圈5使其产生频率为1.5mhz的电磁波，第一次启动时，持续25s后暂停线圈电源，之后以一定间隔时间多次开启激活线圈5，每次开启激活线圈5的时间以保持吸气剂18处于恒定激活温度为宜，以此间隔作业方式持续5～12min，如果在此过程中真空计42示数的数量级由10-7
上升到10-5
，可确保吸气剂18已进入受激吸气状态，而后关断线圈电源。由于激活是采用电磁感应加热方式，让高频交流电通过线圈产生高频电磁场，使磁感线穿过饼状吸气剂18，进而在吸气剂18内产生涡流并引发热效应，从而达到高温，激活吸气物质并对整体装置内腔的杂质气体进行吸附。与此同时，由于储存罐17材质为金属，也会产生一定程度的涡流效应而发热，如图7所示，以仿真软件comsol multiphysics有限元分析中的多物理场接口对上述参数进行仿真，计算得出激活线圈5持续25s时的储存罐17底面温度为350℃，接近底端的侧壁温度约为200℃，由于不锈钢材质变形温度范围为900～1150℃，可确保储存罐17的热变形程度符合使用范围要求，进而保持激活线圈5对准度；同时，上述参数及结构在实际生产中经过了生产实践的考验，气密性好，漏率极低，在高温烘烤中表现出高可靠性，保障了激光陀螺2的测量精度。
38.步骤四：定期按步骤三所述操作对吸气剂18进行激活，在定期加热除气过程中释放出来大量气体分子(真空计42示数上升二个数量级)，说明它在激光陀螺2老化过程中起到了吸收杂气的目的，提高激光陀螺2长期运行的使用寿命。
39.实施例二
40.本实施例与实施例一的不同之处在于：连接装置总成1还包括一个分流环19，所述分流环19材质为无磁合金材料制成的环状体，其环状内径与储存罐17外径呈过盈配合关系。
41.如图7所示，当对利用激活线圈5对吸气剂18执行激活工作时，将所述分流环19套合于储存罐17底部的外壁之上，使分流环19底面与储存罐17底面齐平。此时，按照实施例一中步骤三所述的相同参数及方法启动激活线圈5，利用高频交流电的趋肤效应，使激活线圈5的大量感应涡流在激活吸气剂18之外分别集中于分流环19外壁及储存罐17底部薄面，从而有效分担储存罐17侧壁所受涡流热效应的影响。如图10所示，以仿真软件comsol multiphysics有限元分析中的多物理场接口对装有分流环19的储存罐17进行仿真，计算得
出激活线圈5持续25s时的储存罐17底面温度为350℃，接近底端的侧壁温度约为50℃，与实施例一所测得的底部侧壁温度(200℃)对比有明显下降，且从下表得出加装分流环19对储存罐17侧壁温度的降低具有明显效果。
42.感应温度\安装结构单独储存罐(图9)储存罐+分流环(图10)储存罐底面温度(℃)350350储存罐底部侧壁温度(℃)20050储存罐中部侧壁温度(℃)10025
43.从图10可明显看出，储存罐17侧壁几乎不受涡流热效应影响，感应加热的热量主要集中于储存罐17底面及放置于底面之上的吸气剂18，从而有效降低储存罐17罐体轴线方向上的热变形程度，并防止热量经过金属连接件传导而对激光陀螺2造成的热干扰，提高激光陀螺2的测量精度及激活线圈5的校准精度。
44.从图10与图9对比可以分析出，分流环19虽然对储存罐17侧壁造成的降温效果较大，而储存罐17底面造成的温度并无明显变化，因此可以判断，分流环19对激活线圈5中央部位电磁场的干扰程度较低，故而，激活线圈5环形中央部位的高频电磁场可照常穿过储存罐17底面之上的吸气剂18，以此正常实施激活作业。
45.当持续5～12min的间隔式激活作业完成后，真空计42示数出现明显变化，说明吸气剂18达到激活状态，此时关断激活线圈5电源，静置片刻，使储存罐17底面残余高温向上传递至分流环19，而后以工具卸下分流环19降低单独隔离散热，以此确保大部分的感应热能被分流环19吸收，减轻热干扰对整体装置造成的影响，提高激光陀螺2的测量精度。
46.实施例三
47.本实施例与实施例一的区别在于：连接装置总成1还包括一个分流环19，同时，本实施例与实施例二的区别在于：所述分流环19外壁之上设有以蛇形走线路径分布的凸起状分流棱19a，所述分流棱19a蛇形走线路径环绕于分流环19轴线一周进行布置。
48.如图7所示，将带有分流棱19a的所述分流环19套合于储存罐17底部的外壁之上，使分流环19底面与储存罐17底面齐平，而后按照实施例二中所述的相同参数及方法启动激活线圈5。
49.如图8所示，当激励线圈产生高频电磁场作用分流环19上生成高频感应涡流，由于高频电流趋肤效应会使其集中于导体表面薄片，使感应涡流沿分流棱19a的蛇形走线路径进行传播，此时分流棱19a任意相互临近的二道棱边上的电流方向相反，从而分割出相邻方向相反的多个磁场区域(如图8所示符号
“×”
所处磁场方向指向分流棱19a轴线，符号“·”所处磁场方向背离分流棱19a轴线)，因此，当涡流大小随着交变电磁场变化而变化时，图8中每个磁场区域的棱边电流均会受到相邻反向磁场所生成感应电流的抑制，同理通过多个棱边之间的平行耦合，在整体上可将分流棱19a等效为环形滤波电感，从而降低分流环19表面高频涡流的电流强度，同时，分流棱19a可以起到辅助散热的作用，通过上述方式，进一步降低分流环19自身的热变形程度，以此保证激活线圈5对吸气剂18的对准精度及激活效率，提高整体装置对热变形的抗干扰能力。
50.以上所述实施例仅为本实用新型的较佳实施方案，并非对本实用新型作出形式上的限定，应当理解，对于本领域内的技术人员而言，利用本实用新型权利要求书的特征还可作出其他修改、变更及等同替换，这些均应落入本实用新型的保护范围之内。