CN100555361C - 光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺包括有信号处理电路板、光源、光源控制电路板、波导、耦合器、激光笔、光电探测器、陀螺骨架、有机玻璃罩、上盖、多个线卡子。有机玻璃罩安装在上盖上；上盖安装在陀螺骨架上；信号处理电路板、光源、光源控制电路板、波导、耦合器、激光笔、光电探测器安装在陀螺骨架上。本发明的目的是以教学实验演示为基础，把由光纤陀螺为主构成的寻北仪的原理展示出来，使实验者能够：1)了解光纤陀螺的主要物理原理——Sagnac效应；2)理解四位置法以及一元线形回归法的原理和消除误差的基本方法；3)通过学生实际操作实验设备以达到寻北目的，同时获得实验室所在纬度和地球自转角速度；4)使学生更加了解光纤陀螺的工作原理和应用，对光纤陀螺的工作原理有一个基本的认识，了解调制解调以及闭环工作的基本原理。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺结构，利用光纤陀螺作为角速度传感器，设计出适用于教学演示的光纤陀螺寻北仪，可以实现对地理北极、地轴北极的寻找以及对纬度和地球自转角速度的测量。
背景技术
力学定律告诉我们，关在一个“黑箱”内的观察者，在匀速直线运动中无法知道他的运动。但如果这个“黑箱”具有加速度，那么检测其线性加速度或旋转则是可能的，这就是惯性制导和导航的基本原理。知道了运动体的初始方向和位置，对测量的加速度和旋转速率进行(数学)积分就得到运动体的姿态和轨迹。这种惯性技术完全是自主式的，无需外部基准：不受任何盲区效应或干扰的影响。50年代以来，这种自主式惯性技术已经成为民用或军用航空、航海和航天***中的一项关键技术。
惯性技术的发展与陀螺仪的发展密切相关。陀螺仪作为一种对惯性空间角运动的惯性敏感器，可用于测量运载体姿态角和角速度，是构成惯性***的基础核心器件。1913年，萨格奈克(Sagnac)论证了运用无运动部件的光学***同样能够检测相对惯性空间的旋转。他采用一个环形干涉仪，并证实在两个反向传播的光路中，旋转产生一个相位差。当然，由于灵敏度非常有限，最初的装置全然不是一个实用的旋转速率传感器。1962年，Rosenthal提出采用一个环形激光腔增强灵敏度，其中反向传播的两束光波沿着封闭的谐振腔传播多次，以增强萨格奈克效应，此即是谐振式光纤陀螺R-FOG的理论基础。由于20世纪70年代在对电信应用的低损耗光纤，固态半导体光源和探测器的研发上付出的巨大努力，用多匝光纤线圈代替环形激光器，通过多次循环来增加萨格奈克效应已成为可能，在此背景下出现干涉式光纤陀螺。光纤陀螺仪自问世以来，已经发展为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，具有高可靠性、长寿命、快速启动、大动态范围等一系列优点。它适合于结构设计要求小型化的中等精度应用领域：飞机的姿态/航向基准***，导弹的战术制导，也可应用于教学实验、钻井测量，机器人和汽车的制导***。
专利号ZL200510063052.4中公开了一种轻小型三轴一体光纤陀螺。该轻小型三轴一体光纤陀螺，包括光源组件、光纤组件、机械骨架、控制电路板和以及用于同外部产生信息联络的外部接口。该光纤陀螺结构为实际应用中的器件。
专利申请号200610080857.4中公开了一种对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪的四态调制及解调方法。其中，说明书附图的图1中介绍了光纤陀螺的基本组成。
随着我国航空航天事业的迅猛发展，作为当代的大学生，应该了解和掌握更多的航空航天技术。为了使学生更加了解光纤陀螺的工作原理和应用，通过学生实际操作实验设备达到寻北目的，使学生通过测量测试获得所在位置的纬度和地球自转角速度，并为了方便学生测量、减小实验环境的建造费用等，本发明人设计了一个基于光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺结构。
发明内容
本发明的目的是以教学实验演示为基础，把由光纤陀螺为主构成的寻北仪的原理展示出来，使实验者能够：1)了解光纤陀螺的主要物理原——Sagnac效应；2)理解四位置法以及一元线形回归法的原理和消除误差的基本方法；3)通过学生实际操作实验设备以达到寻北目的，同时获得实验室所在纬度和地球自转角速度；4)使学生更加了解光纤陀螺的工作原理和应用，对光纤陀螺的工作原理有一个基本的认识，了解调制解调以及闭环工作的基本原理。
对此设计的光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺结构采用了开放式设计、尺寸比普通的结构大、刚性强，外罩采用了透明结构。
本发明的一种光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺包括有信号处理电路板(11)、光源(12)、光源控制电路板(13)、波导(14)、耦合器(15)、激光笔(16)、光电探测器(17)、陀螺骨架(1)、有机玻璃罩(2)、上盖(3)、多个线卡子(4)，有机玻璃罩(2)安装在上盖(3)上，上盖(3)安装在陀螺骨架(1)上，信号处理电路板(11)、光源(12)、光源控制电路板(13)、波导(14)、耦合器(15)、激光笔(16)、光电探测器(17)安装在陀螺骨架(1)上；
所述陀螺骨架(1)为一体成型件，陀螺骨架(1)的内圆盘(110)的中心设有圆柱(117)，圆柱(117)的中心开有M通孔(118)，M通孔(118)内安装有激光笔(16)；内圆盘(110)上设有减重圆孔(114)、减重方孔(115)、A凹槽(111)、B凹槽(112)、C凹槽(113)，A凹槽(111)内安装有耦合器(15)、波导(14)，B凹槽(112)内安装有光源(12)，C凹槽(113)内安装有光电探测器(17)；内圆盘(110)的上端是光纤环(109)，光纤环(109)由上环台(122)、下环台(123)、环体(124)构成；环体(124)的内环面(126)上开有D凹槽(119)，D凹槽(119)的一端接合处为A斜槽(120)，A斜槽(120)延伸至上环台(122)的台面上，D凹槽(119)的另一端接合处为B斜槽(121)，B斜槽(121)延伸至上环台(122)的台面上；环体(124)的外环面(125)上缠绕有光纤；内圆盘(110)下端的外缘上均匀设有E凸耳(1a)、F凸耳(1b)、G凸耳(1c)、H凸耳(1d)，E凸耳(1a)上设有I通孔(101)、G螺纹孔(105)；F凸耳(1b)上设有J通孔(102)、H螺纹孔(106)；G凸耳(1c)上设有K通孔(103)、I螺纹孔(107)；H凸耳(1d)上设有L通孔(104)、J螺纹孔(108)；
所述有机玻璃罩(2)上设有A通孔(23)、B通孔(24)，有机玻璃罩(2)的边缘均匀设有四个A螺纹孔(25)；A通孔(23)上安装有A电气接头(21)，B通孔(24)上安装有B电气接头(22)；
所述上盖(3)为一体成型件，上盖(3)的环体(32)的上端为上顶端面(31)，上顶端面(31)上均匀设有四个B螺纹孔(311)；环体(32)的下端外环上均匀设有A凸耳(3a)、B凸耳(3b)、C凸耳(3c)、D凸耳(3d)，A凸耳(3a)上设有C通孔(301)、C螺纹孔(305)；B凸耳(3b)上设有D通孔(302)、D螺纹孔(306)；C凸耳(3c)上设有E通孔(303)、E螺纹孔(307)；D凸耳(3d)上设有F通孔(304)、F螺纹孔(308)；
所述线卡子(4)为一体成型件，线卡子(4)的开口圆环(41)的接合处分别为上卡片(42)、下卡片(43)，上卡片(42)的中心位置开有G通孔(44)、下卡片(43)的的中心位置开有H通孔(45)，G通孔(44)与H通孔(45)对齐设置。
本发明光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺的优点在于：(1)陀螺骨架的尺寸大、刚性强，从而精度高便于提高陀螺的灵敏度；(2)整体采用铝合金等轻质材料，总体质量轻；(3)外罩上罩一层有机玻璃盖板，便于观察陀螺内部的光路、电路构成及走向，便于学生理解；(4)在有机玻璃盖板上安装有两个快速电气接头便于学生对电路观察、测试；(5)由于陀螺骨架尺寸大(是实际应用中光纤陀螺的3～5倍)，便于学生观察光路的走向。
附图说明
图1是本发明光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺的结构图。
图1A是未装配有机玻璃罩、部分光学器件的光纤陀螺的结构图。
图1B是本发明光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺中使用的线卡子的结构图。
图2是本发明未装配光学器件的光纤陀螺的***示图。
图3是本发明光纤陀螺的上盖结构图。
图3A是本发明光纤陀螺的上盖的底部结构图。
图4是本发明光纤陀螺的陀螺骨架结构图。
图4A是本发明光纤陀螺的陀螺骨架的底部结构图。
图4B是本发明光纤陀螺的陀螺骨架的另一视角结构图。
图4C是本发明光纤陀螺的陀螺骨架的仰视角结构图。
图中： 1.陀螺骨架 1a.E凸耳 1b.F凸耳 1c.G凸耳
1d.H凸耳 101.I通孔 102.J通孔 103.K通孔 104.L通孔
105.G螺纹孔 106.H螺纹孔 107.I螺纹孔 108.J螺纹孔 109.光纤环
110.内圆盘 111.A凹槽 112.B凹槽 113.C凹槽 114.减重圆孔
115.减重方孔 117.圆柱 118.M通孔 119.D凹槽 120.A斜槽
121.B斜槽 122.上环台 123.下环台 124.环体 125.外环面
126.内环面 2.有机玻璃罩 21.A电气接头 22.B电气接头 23.A通孔
24.B通孔 25.A螺纹孔 3.上盖 3a.A凸耳 3b.B凸耳
3c.C凸耳 3d.D凸耳 31.上顶端面 311.B螺纹孔 32.环体
301.C通孔 302.D通孔 303.E通孔 304.F通孔 305.C螺纹孔
306.D螺纹孔 307.E螺纹孔 308.F螺纹孔 4.线卡子 41.开口圆环
42.上卡片 43.下卡片 44.G通孔 45.H通孔
11.信号处理电路板 12.光源 13.光源控制电路板
14.波导 15.耦合器 16.激光笔 17.光电探测器
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺包括有信号处理电路板11、光源12、光源控制电路板13、波导14、耦合器15、激光笔16、光电探测器17、陀螺骨架1、有机玻璃罩2、上盖3、多个线卡子4。有机玻璃罩2安装在上盖3上，有利于实验者(学生)观察光纤陀螺；上盖3安装在陀螺骨架1上，上盖3用于保护缠绕在陀螺骨架1的光纤环109上的光纤；信号处理电路板11、光源12、光源控制电路板13、波导14、耦合器15、激光笔16、光电探测器17安装在陀螺骨架1上。本发明中光学器件的功能与专利申请号200610080857.4中公开的光学器件产生的功能相同。另外，激光笔16出射的光束会作为本发明光纤陀螺结构在转动时的转动方向指示用。本发明光纤陀螺教学实验寻北仪的外部接有一台计算机，计算机内安装有控制寻北仪的操作软件，是目前国内较为完善的光纤陀螺教学实验用教学用具。
参见图1、图2、图4、图4A、图4B、图4C所示，陀螺骨架1为一体成型件，采用机械加工钻孔的方式在陀螺骨架1的内圆盘110上钻有多个减重圆孔114，或者减重方孔115，减重圆孔114、减重方孔115都可以让引线通过，也有利于各光学器件、电路板上的电子元件的连接。
陀螺骨架1的内圆盘110的中心设有圆柱117，圆柱117的中心开有M通孔118，M通孔118内安装有激光笔16，圆柱117的高度与陀螺骨架1的高度相同。本发明设计的光纤陀螺结构因安装在光纤陀螺教学实验寻北仪的转位机构的托盘上，托盘在转轴的转动条件下，本发明光纤陀螺结构会随转轴转动发生方向变化，同时产生角速度。激光笔16出射的光速会转动作出转动的指示。
陀螺骨架1的内圆盘110上设有减重圆孔114、减重方孔115、A凹槽111、B凹槽112、C凹槽113，A凹槽111内安装有耦合器15、波导14，B凹槽112内安装有光源12，C凹槽113内安装有光电探测器17。
陀螺骨架1的内圆盘110的上端是光纤环109，光纤环109由上环台122、下环台123、环体124构成；环体124的内环面126上开有D凹槽119，D凹槽119的一端接合处为A斜槽120，A斜槽120延伸至上环台122的台面上，D凹槽119的另一端接合处为B斜槽121，B斜槽121延伸至上环台122的台面上；环体124的外环面125上缠绕有光纤，待光纤缠绕的匝数达到设计要求后，光纤的一端经A斜槽120熔接在波导上，光纤的另一端经B斜槽121伸出熔接在波导上。
陀螺骨架1的内圆盘110的下端在内圆盘110的外缘上均匀设有四个凸耳(E凸耳1a、F凸耳1b、G凸耳1c、H凸耳1d)，所述上盖3上的四个凸耳与陀螺骨架1上的四个凸耳配合，用于确定上盖3与陀螺骨架1的装配位置。E凸耳1a上设有I通孔101、G螺纹孔105；F凸耳1b上设有J通孔102、H螺纹孔106；G凸耳1c上设有K通孔103、I螺纹孔107；H凸耳1d上设有L通孔104、J螺纹孔108。I通孔101、J通孔102、K通孔103、L通孔104用于与螺钉的配合实现将陀螺骨架1与光纤陀螺教学实验寻北仪的转位机构的托盘的连接。G螺纹孔105、H螺纹孔106、I螺纹孔107、J螺纹孔108分别与上盖3上的四个螺纹孔配合，并使用螺钉实现上盖3与陀螺骨架1的连接。
参见图1、图2所示，有机玻璃罩2上设有A通孔23、B通孔24，有机玻璃罩2的边缘均匀设有四个A螺纹孔25；A通孔23上安装有A电气接头21，A电气接头21用于与外部的控制仪器连接；B通孔24上安装有B电气接头22，B电气接头22用于与外部的控制仪器连接。有机玻璃罩2安装在上盖3的上顶端面31(螺钉与A螺纹孔25、B螺纹孔311配合)。本发明设计的有机玻璃罩2采用透明材料便于实验者观察光纤陀螺内部的光路、电路构成及走向，便于实验者(学生)理解；通过两个电气接头(A电气接头21、B电气接头22)便于实验者(学生)对电路观察、测试。
参见图1、图2、图3、图3A所示，上盖3为一体成型件，环体32的上端为上顶端面31，上顶端面31上均匀设有四个B螺纹孔311，B螺纹孔311与A螺纹孔25配合，并使用螺钉实现有机玻璃罩2安装在上盖3的上顶端面31；环体32的下端外环上均匀设有四个凸耳(A凸耳3a、B凸耳3b、C凸耳3c、D凸耳3d)，所述上盖3上的四个凸耳与陀螺骨架1上的四个凸耳配合，用于确定上盖3与陀螺骨架1的装配位置。A凸耳3a上设有C通孔301、C螺纹孔305；B凸耳3b上设有D通孔302、D螺纹孔306；C凸耳3c上设有E通孔303、E螺纹孔307；D凸耳3d上设有F通孔304、F螺纹孔308。C通孔301、D通孔302、E通孔303、F通孔304用于与螺钉的配合实现将陀螺骨架1与任意安装板(需要用来测量角速度的设备上)的固定连接。C螺纹孔305、D螺纹孔306、E螺纹孔307、F螺纹孔308分别与陀螺骨架1上的四个螺纹孔配合，并使用螺钉实现上盖3与陀螺骨架1的连接。
参见图1、图1A、图1B所示，在本发明中，使用了多个线卡子4，线卡子4用于卡紧信号处理电路板11、光源控制电路板13上的引线，线卡子4可以根据需要设置在陀螺骨架1的内圆盘1a上下，线卡子4的安装通过螺钉穿过上卡片42的G通孔44、下卡片43的H通孔45后与螺帽配合实现固定安装。将线卡子4的使用能够使引线非常规整的布置在内圆盘1a上，同时也提高了引线输导信号的性能。线卡子4为一体成型件，线卡子4的开口圆环41的接合处分别为上卡片42、下卡片43，上卡片42的中心位置开有G通孔44、下卡片43的的中心位置开有H通孔45，G通孔44与H通孔45对齐设置。引线置于开口圆环41内，且通过螺钉穿过上卡片42、下卡片43后与螺帽配合来卡紧引线。
本发明是以教学实验演示为基础，把由光纤陀螺为主构成的寻北仪的原理展示出来，使实验者能够：1)了解光纤陀螺的主要物理原理——Sagnac效应；2)理解四位置法以及一元线形回归法的原理和消除误差的基本方法；3)通过学生实际操作实验设备以达到寻北目的，同时获得实验室所在纬度和地球自转角速度；4)使学生更加了解光纤陀螺的工作原理和应用，对光纤陀螺的工作原理有一个基本的认识，了解调制解调以及闭环工作的基本原理。
Claims (1)
1、一种光纤陀螺教学实验寻北仪的光纤陀螺，该光纤陀螺包括有信号处理电路板(11)、光源(12)、光源控制电路板(13)、波导(14)、耦合器(15)、激光笔(16)、光电探测器(17)、陀螺骨架(1)，其特征在于：还包括有机玻璃罩(2)、上盖(3)、多个线卡子(4)，有机玻璃罩(2)安装在上盖(3)上，上盖(3)安装在陀螺骨架(1)上，信号处理电路板(11)、光源(12)、光源控制电路板(13)、波导(14)、耦合器(15)、激光笔(16)、光电探测器(17)安装在陀螺骨架(1)上；
所述陀螺骨架(1)为一体成型件，陀螺骨架(1)的内圆盘(110)的中心设有圆柱(117)，圆柱(117)的中心开有M通孔(118)，M通孔(118)内安装有激光笔(16)；内圆盘(110)上设有减重圆孔(114)、减重方孔(115)、A凹槽(111)、B凹槽(112)、C凹槽(113)，A凹槽(111)内安装有耦合器(15)、波导(14)，B凹槽(112)内安装有光源(12)，C凹槽(113)内安装有光电探测器(17)；内圆盘(110)的上端是光纤环(109)，光纤环(109)由上环台(122)、下环台(123)、环体(124)构成；光纤环(109)的环体(124)的内环面(126)上开有D凹槽(119)，D凹槽(119)的一端接合处为A斜槽(120)，A斜槽(120)延伸至上环台(122)的台面上，D凹槽(119)的另一端接合处为B斜槽(121)，B斜槽(121)延伸至上环台(122)的台面上；光纤环(109)的环体(124)的外环面(125)上缠绕有光纤；光纤的一端经A斜槽(120)熔接在波导上，光纤的另一端经B斜槽(121)伸出熔接在波导(14)上；内圆盘(110)下端的外缘上均匀设有E凸耳(1a)、F凸耳(1b)、G凸耳(1c)、H凸耳(1d)，E凸耳(1a)上设有I通孔(101)、G螺纹孔(105)；F凸耳(1b)上设有J通孔(102)、H螺纹孔(106)；G凸耳(1c)上设有K通孔(103)、I螺纹孔(107)；H凸耳(1d)上设有L通孔(104)、J螺纹孔(108)；I通孔(101)、J通孔(102)、K通孔(103)、L通孔(104)用于与螺钉的配合实现将陀螺骨架(1)与光纤陀螺教学实验寻北仪的转位机构的托盘的连接；G螺纹孔(105)、H螺纹孔(106)、I螺纹孔(107)、J螺纹孔(108)分别与上盖(3)上的四个螺纹孔配合，并使用螺钉实现上盖(3)与陀螺骨架(1)的连接；
所述有机玻璃罩(2)上设有A通孔(23)、B通孔(24)，有机玻璃罩(2)的边缘均匀设有四个A螺纹孔(25)；A通孔(23)上安装有A电气接头(21)，A电气接头(21)用于与外部的控制仪器连接；B通孔(24)上安装有B电气接头(22)，B电气接头(22)用于与外部的控制仪器连接；
所述上盖(3)为一体成型件，上盖(3)的环体(32)的上端为上顶端面(31)，上顶端面(31)上均匀设有四个B螺纹孔(311)，B螺纹孔(311)与A螺纹孔(25)配合，并使用螺钉实现有机玻璃罩(2)安装在上盖(3)的上顶端面(31)；上盖(3)的环体(32)的下端外环上均匀设有A凸耳(3a)、B凸耳(3b)、C凸耳(3c)、D凸耳(3d)，A凸耳(3a)上设有C通孔(301)、C螺纹孔(305)；B凸耳(3b)上设有D通孔(302)、D螺纹孔(306)；C凸耳(3c)上设有E通孔(303)、E螺纹孔(307)；D凸耳(3d)上设有F通孔(304)、F螺纹孔(308)；C螺纹孔(305)、D螺纹孔(306)、E螺纹孔(307)、F螺纹孔(308)分别与陀螺骨架(1)上的四个螺纹孔配合，并使用螺钉实现上盖(3)与陀螺骨架(1)的连接；
所述线卡子(4)为一体成型件，线卡子(4)的开口圆环(41)的接合处分别为上卡片(42)、下卡片(43)，上卡片(42)的中心位置开有G通孔(44)、下卡片(43)的中心位置开有H通孔(45)，G通孔(44)与H通孔(45)对齐设置；线卡子(4)用于卡紧信号处理电路板(11)、光源控制电路板(13)上的引线，线卡子(4)根据需要设置在陀螺骨架(1)的内圆盘(1a)上下，线卡子(4)的安装通过螺钉穿过上卡片(42)的G通孔(44)、下卡片(43)的H通孔(45)后与螺帽配合实现固定安装。
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