CN105509725A - 一种小型化核磁共振陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯性测量领域的陀螺仪装置，涉及一种小型化的核磁共振原子陀螺仪。所述小型化核磁共振原子陀螺仪包括充有碱金属以及惰性气体的混合气体的真空气室，真空气室顶部内部镀有反射膜；释放用于抽运和检测的光束的激光器置于真空气室底部；在激光器两边对称放置两个探测器用于检测转速信号；用于产生横向振荡磁场的亥姆霍兹线圈设置在真空气室两侧；用于产生原子核拉莫尔进动所需静态磁场的螺线圈围绕真空气室、激光器、亥姆霍兹线圈组成的光学***，螺线圈外部采用屏蔽结构进行磁屏蔽。本发明在降低陀螺体积的同时，有效降低由于光强抖动对陀螺精度造成的影响，提升陀螺精度。<!-- 2 -->

Description

一种小型化核磁共振陀螺仪

技术领域

本发明属于惯性测量领域的陀螺仪装置，涉及一种小型化的核磁共振原子陀螺仪。

背景技术

核磁共振陀螺概念起源于20世纪60年代，其原理是利用载体转动时导致原子核拉莫尔进动频率改变来测量载体转动速度。

原子核具有磁矩，将其置于静磁场B₀中，原子核磁矩会绕着磁场进行拉莫尔进动：

ω₀＝γB₀(1)

当载体绕静磁场转动时，在载体中测量得到拉莫尔角频率发生改变，通过测量载体中拉莫尔频率ω_obs即可确定载体角速度。

Ω＝γB₀-ω_obs(2)

传统的核磁共振陀螺采用单独的抽运光光源以及探测光光源，探测器与探测光光源同轴，陀螺载体的速度由探测光强的改变确定。气室用传统工艺吹制而成。该结构采用的分立装置过多导致陀螺体积过大，不利于工程化应用，正是由于该劣势，使得上世纪核磁共振陀螺在与光学陀螺的竞争中被淘汰。

发明内容

本发明的目的是：克服现有核磁共振陀螺样机体积庞大，不易工程化应用的缺陷，提出一种体积小、精度高的核磁共振原子陀螺仪。

本发明的技术方案是：一种小型化核磁共振原子陀螺仪，其包括充有碱金属以及惰性气体的混合气体的真空气室，真空气室顶部内部镀有反射膜；释放用于抽运和检测的光束的激光器置于真空气室底部；在激光器两边对称放置两个探测器用于检测转速信号；用于产生横向振荡磁场的亥姆霍兹线圈设置在真空气室两侧；用于产生原子核拉莫尔进动所需静态磁场的螺线圈围绕真空气室、激光器、亥姆霍兹线圈组成的光学***，螺线圈外部采用屏蔽结构进行磁屏蔽。

所述激光器为垂直面腔激光器。

所述真空气室采用七件分立微晶玻璃构建利用低温键合技术粘结而成，其顶部为两个具有对称内楔面并镀制高反膜的微晶玻璃模块，中部为两个腔体内部的面镀制缓冲膜的长方柱体微晶玻璃模块，底部为两侧镀制增透膜的微晶玻璃片，且其侧面设置有两个腔体内部的面镀制缓冲膜的长方柱体微晶玻璃片。

进行光学探测时，两路探测光沿相反的方向进入真空气室，并分别被两路探测器探测，然后进行差分信号处理，得到转速信号。

磁屏蔽结构采用开口不在一条线上，且相互错开的四层屏蔽罩。

螺线圈长度比气室长度大两个数量级。

亥姆霍兹线圈半径间距比气室长度大一个数量级。

本发明的优点是：本发明使用发散光源同时实现抽运光以及探测光的功能，在光源的对称两侧放置探测器，该装置在降低陀螺体积的同时，采用双探测器测量的方式降低由于光强抖动对陀螺精度造成的影响，提升陀螺精度。另外，由于真空气室利用低温键合技术制成，便于气室内部镀膜，保证角度及角速度测量精度，非常适用于惯性导航，磁场测量等高精度测量领域。

附图说明

图1是本发明小型化核磁共振陀螺仪的结构示意图；

图2是本发明真空气室的主视图；

图3是本发明真空气室的左视图；

图4是本发明真空气室的右视图；

图5是本发明小型化核磁共振陀螺仪抽运光***示意图；

图6是本发明小型化核磁共振陀螺仪探测***示意图；

图7本发明小型化核磁共振陀螺仪探测方案原理示意图，

其中，1-垂直面腔激光器，2-光电二极管，3-真空气室，4-亥姆霍兹线圈，5-螺线圈，6-磁屏蔽罩。

具体实施方式

下面结合附图和对本发明做进一步说明：

请参阅图1，本发明小型化核磁共振陀螺仪涉及一种核磁共振陀螺的设计，它包括充有碱金属以及惰性气体的混合气体的真空气室，真空气室顶部内部镀有反射膜。释放所需光束的垂直面腔激光器置于气室底部。在激光器两边对称放置两个探测器用于检测转速信号。亥姆霍兹线圈设置在真空气室两侧，用于产生横向振荡磁场。螺线圈围绕真空气室、激光器、亥姆霍兹线圈组成的光学***，用于产生原子核拉莫尔进动所需的静态磁场，且螺线圈外部用四层屏蔽结构进行磁屏蔽，同时为保证磁屏蔽的效果，四层屏蔽罩的开口不在一条线上，而相互错开。

本发明所涉真空气室由图2所示的七件分立微晶玻璃构建利用低温键合技术粘接而成，构建21、22楔面镀制高反膜用以反射抽运光束进入探测器；长方柱体23、24，25，26成为腔体内部的面镀制缓冲膜增加碱金属在气室中的极化弛豫时间。微晶玻璃片27两侧镀制增透膜降低腔体本身对抽运光和投射光的吸收。分立玻璃构建粘结成真空气室的方案便于在气室内部镀制任意膜以优化工作介质的弛豫时间；顶部脊型设计可以产生横向的探测光分量，这样就利用单光源同时实现了抽运光和探测光的作用。

在真空气室完成闭合之前，利用特殊工艺在其中充入碱金属蒸汽，惰性气体，以及淬灭气体(N₂)。碱金属蒸汽的作用有二：1)用于将抽运光的极化状态传递至惰性气体实现其极化，2)极化的碱金属可以将进动惰性气体产生的宏观磁矩放大之后进行测量。另外，惰性气体由于其旋磁比较小，是核磁共振陀螺研制中理想的工作气体。淬灭气体用于吸收碱金属自发辐射产生的光子，减小该光子被碱金属再次吸收的可能性，提升碱金属的极化率。

本发明所涉光源***由图3所示的垂直面腔激光器31和相应光学器件组成。垂直面腔激光器为一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出，与传统激光器相比：1)拥有较大发散角，用来制作核磁共振陀螺时产生的探测光分量比较大；2)能够芯片式生产，在很小的体积内实现激光的功能，有利于核磁共振陀螺的工程化。在实际应用时，首先利用准直器32对光束进行准直，准直光通过起偏器33成为线偏光，在起偏器之后放置1/2波片34之后线偏光变为圆偏振光。利用圆偏振光照射真空气室，其角动量通过光抽运作用转移至碱金属蒸汽，利用自旋交换碰撞机理实现了工作气体惰性气体的极化。光束在到达气室脊顶被反射到探测器处。反射回探测器的光束包含相对于静磁场B₀的横向分量，可以作为探测光进行拉莫尔进动频率的测量。

本发明所涉探测***由分列与光源两侧对称放置的探测器及其对应电路组成。探测器接收到的光强有两部分组成，一部分与抽运光方向相同，是探测光路中的干扰光；一部分与抽运光垂直，为探测光，该部分光强变化对应陀螺载体的转速。为了在强本底下提取出弱信号，必须用与惰性气体拉莫尔进动频率相近信号源对其进行解调，提取出陀螺转速。

本发明所述双探测器探测方法数据处理方法如图4)所述，两路探测光沿相反的方向进入气室，探测光束被两路探测器探测，其中1路光强I₁(t)＝I₀+I(Ω)，另外一路光强I₂(t)＝I₀-I(Ω)，对两路探测结果做如3)的处理：

$\frac{I_1\left(t\right)-I_2\left(t\right)}{I_1\left(t\right)-I_2\left(t\right)}=\frac{I\left(\mathrm{\&Omega;}\right)}{I_0}---\left(3\right)$

该方案能够降低光源光强抖动引起测量结果噪声，陀螺精度能够有效提升。

专利所述静磁场由螺线圈绕制而成，螺线圈是产生单轴静态磁场理想装置，理论上讲其中心轴线上的磁场为：

$B_n={\mathrm{\&mu;}}_{0}nI\frac{L/2}{\sqrt{R^2+{(L/2)}^2}}---\left(4\right)$

为保证在气室范围内静磁场均匀分布，螺线圈长度应该比气室长度大两个数量级。

所述振荡磁场由正亥姆霍兹线圈产生，其振荡频率应该为ω_a＝γB₀，当保证亥姆霍兹线圈半径间距比气室长度大一个数量级时，磁场均匀度超过10^-5。

所述磁屏蔽罩由四套分离屏蔽罩结合而成，分离的磁屏蔽罩屏蔽性能要明显好于单屏蔽罩：

$S=S_n\underset{i=1}{\overset{n-1}{\&Pi;}}{S}_i\&lsqb;1-\left(\frac{X_i}{X_{i+1}}\right)\&rsqb;,S_i=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i{t}_i}{2X_i}---\left(5\right)$

理论计算，利用相对磁导率大于50000的材料，四层屏蔽结构的屏蔽罩，屏蔽系数会达到10⁶。单层屏蔽罩要达到如此量级的屏蔽性能，体积会增加两个数量级，不利于整个陀螺体积的小型化。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1)本发明采用低温键合技术粘结成真空工作气室，易于对气室内壁镀制缓冲膜以及高反膜，实现高质量真空气室制作。

2)本发明采用脊型结构气室，气室脊顶镀制反射膜，该反射膜将抽运光反射进入探测器，利用单光源同时实现抽运光和探测光的功能，利于***的集成。

3)本发明采用芯片级垂直面腔激光器，降低了光源体积，将陀螺体积大大降低。

4)本发明采用小型亥姆霍兹线圈产生振荡磁场，该线圈可以在很小体积内实现匀强磁场；

5)本发明采用分离式4层结构制作屏蔽罩，屏蔽系数可超过六个数量级，有效提升核磁共振陀螺仪的稳定性和可靠性。

Claims (7)

1.一种小型化核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，包括充有碱金属以及惰性气体的混合气体的真空气室，真空气室顶部内部镀有反射膜；释放用于抽运和检测的光束的激光器置于真空气室底部；在激光器两边对称放置两个探测器用于检测转速信号；用于产生横向振荡磁场的亥姆霍兹线圈设置在真空气室两侧；用于产生原子核拉莫尔进动所需静态磁场的螺线圈围绕真空气室、激光器、亥姆霍兹线圈组成的光学***，螺线圈外部采用屏蔽结构进行磁屏蔽。

2.根据权利要求1所述的小型化核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，所述激光器为垂直面腔激光器。

3.根据权利要求1所述的小型化核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，所述真空气室采用七件分立微晶玻璃利用低温键合技术粘接而成，其顶部为两个具有对称内楔面并镀制高反膜的微晶玻璃模块，中部为两个一面镀制缓冲膜的长方柱体微晶玻璃模块，在进行粘接时，该面朝向气室内部，底部为两侧镀制增透膜的微晶玻璃片，且其侧面设置有两个腔体内部的面镀制缓冲膜的长方柱体微晶玻璃片。

4.根据权利要求1所述的小型化核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，进行光学探测时，两路探测光沿相反的方向进入真空气室，并分别被两路探测器探测，然后进行差分信号处理，得到转速信号。

5.根据权利要求1所述的小型化核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，磁屏蔽结构采用开口不在一条线上，且相互错开的四层屏蔽罩。

6.根据权利要求1所述的小型化核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，螺线圈长度比气室长度大两个数量级。

7.根据权利要求1所述的小型化核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，亥姆霍兹线圈半径间距比气室长度大一个数量级。