CN115864112B - 环形激光器、环形激光器的扫频方法及角速度测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形激光器，包括基座、激光器本体、气体激光部件、棱镜、光电探测器以及频率调节部件。频率调节部件包括轴套和多个第一固定部、第二固定部以及压电瓷片。本发明还公开了一种环形激光器的扫频方法以及一种角速度测量设备。本发明通过改变安装孔位的组合方式，调节环形激光器的抖动频率，克服了当前环形激光器的抖频固定而不能自由组合的缺点，在不增加任何成本和实施难度的情况下，提高了环形激光器的适配性和可靠性，降低了生产制造过程中调度管理难度，提高了产品及时交付率。

Description

环形激光器、环形激光器的扫频方法及角速度测量设备

技术领域

本发明涉及受激发射器件，尤其涉及一种环形激光器、环形激光器的扫频方法及角速度测量设备。

背景技术

环形激光器是现代惯性导航技术中常用的元器件，可以安装在角速度测量设备上。其一般形式是一个光路为环形的氦氖激光器，工作时其内部运行着顺时针和逆时针光束两束激光。根据Sagnac原理，当载体绕环形激光器的敏感轴旋转时，环形激光器内部的顺逆两束光将产生与载体旋转速率成正比的频率差（或光程差），通过测量此频率差即可获得角速率信息。

安装在导航***同一框架的三个环形激光器做周期性抖动时，如果抖动相互耦合会在各个敏感轴轴上产生一种圆锥运动。由于环形激光器的抖动不是载体的真实运动，所以产生的不可交换性误差称为“伪圆锥误差”。如果三个环形激光器抖动频率相同，这种“伪圆锥误差”最大，为了减小这种误差，三个环形激光器的抖动频率必须按高、中、低三种频率相互叉开，频率叉开越大，这种误差越小，一般情况下抖动频率需要相互叉开50Hz以上。

传统做法是三个环形激光器分别安装辐条厚度不同的三种型号抖动机构，辐条厚度越厚，抖动机构的弹性模量越大，抖动频率就越大。采用这种方案，一旦抖动机构加工成形，弹性模量即固化。大多数抖动机构都是作为一个组件通过胶水粘接方式粘死在环形激光器中心的圆孔中。这种结构存在以下缺点：

（1）“伪圆锥误差”除了与三个环形激光器频率叉开大小有关，还与诸多因素有关，例如导航算法中姿态更新的周期T、抖动初始相位等等。例如导航算法中姿态更新的周期T、抖动初始相位等等。如图1所示，如果姿态更新的周期T=0.02秒，抖频叉开50Hz可将伪圆锥误差消除。如果姿态更新周期为0.03秒，则抖频叉开33Hz可消除伪圆锥误差，而叉开50Hz伪圆锥误差出现局部较大值。所以这种抖动频率固化的环形激光器无法灵活的匹配导航算法，给惯导***的设计带来了诸多限制，弱化了***适配能力。

（2）生产企业常常需要按三种型号等比例生产环形激光器，确保产品能按型号成套交付。然而环形激光器交付前必须进行各种严格地筛选测试，往往经过筛选后，剩下的合格品基本无法保证按抖频型号全部成套。由于环形激光器生产周期较长，为了避免交付风险，生产企业通常不是按订单计划安排生产，而是提前在仓库准备充足的合格成品，这种非市场驱动的的生产模式势必占用企业大量的现金流。

（3）环形激光器绕敏感轴的抖动称为一阶谐振，这个抖动是为了减少闭锁误差而设计的。当抖动机构工作时还会产生与敏感轴方向正交垂直的另外两个方向的抖动，称为二阶谐振和三阶谐振。这两种抖动会给导航***带来很多误差效应。抖频叉开越大，辐条厚度相差就越大，必然会使得其中频率最低的抖动机构辐条厚度太薄，从而降低了该型抖动机构对二阶和三阶抖动的抑制能力。

因此，现有技术有必要进一步改进。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种环形激光器。进一步的，本发明还提供了一种环形激光器的扫频方法、角速度测量设备，该扫频方法可以在使用前确定环形激光器在不同安装位置的自然频率，便于使用者根据频率需求选择安装位置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种环形激光器，包括：

一基座，所述基座中间形成一向上开口的安装室，所述安装室的中间设有一定位轴；

设置在安装室中的激光器本体，该激光器本体内具有一环形腔室和中心腔室；

一气体激光部件，该气体激光部件沿环形腔室发射第一激光束和第二激光束；

多个棱镜，该棱镜安装在激光器本体的外侧，所述棱镜反射第二激光束；

一光电探测器，所述光电探测器接收经气体激光部件直射的第一激光束以及经棱镜反射的第二激光束；以及

一频率调节部件，所述频率调节部件安装在激光器本体的中心腔室内且位于定位轴上，

其中，所述频率调节部件包括轴套和多个第一固定部、第二固定部以及压电瓷片，所述第一固定部、第二固定部对称地布置在轴套外侧，所述第一固定部和第二固定部间隔设置，所述压电瓷片对称地粘接在第一固定部的侧壁上，所述频率调节部件通过第一固定部设置在中心腔室内，所述第二固定部设有一条形槽，所述条形槽沿轴套径向延伸，

所述条形槽中具有一固定频率调节部件的紧固件，所述安装室中间具有紧固件通过的多处条形孔，所述紧固件上端经该条形孔延伸至条形槽中。

在本发明中，所述频率调节部件的自然频率，其中K是频率调节部件的刚度，I是环形激光器的转动惯量。

在本发明中，该环形激光器还包括起振单元、检抖单元、驱动单元，起振单元用于向驱动单元提供的多个受迫频率，驱动单元通过驱动电极连接至压电瓷片，检抖单元根据频率调节部件在多个受迫频率下的谐振确定自然频率f。

在本发明中，还包括数据分析单元，数据分析单元根据多个转动惯量获得的多个自然频率f得出相关性常数C和固定常数B，f=RC+B，所述紧固件与轴套之间的距离为R。

在本发明中，所述第一固定部上具有与中心腔室配合的弧形部，所述频率调节部件通过弧形部安装在激光器本体的中心腔室内。

在本发明中，所述紧固件从下至上依次由第一阶梯部、第二阶梯部、第三阶梯部、杆体以及螺纹部组成，所述第二阶梯部置于条形孔中，所述杆体穿过条形孔置于条形槽中，所述螺纹部上具有一螺帽，该螺帽置于第二固定部上。

在本发明中，所述第二阶梯部和第三阶梯部之间存在一环形槽，所述环形槽中设有一卡件，该卡件上设有一卡口，所述卡口置于环形槽中，所述卡件的底部面与安装室的底部面接触。

在本发明中，所述杆体上设有一螺纹孔，所述螺纹孔中具有一与螺纹孔配合的螺杆件，所述螺杆件置于条形槽中。

一种环形激光器的扫频方法，包括以下步骤：

步骤1：起振单元通过扫描频谱的方式经驱动单元激发驱动电极，频谱中包含频率调节部件的自然频率；

步骤2：频率调节部件受驱动电极激发产生抖动，频率调节部件在自然频率产生谐振状态，并且谐振状态产生的抖动信号大于失谐状态的抖动信号；

步骤3：检抖单元拾取谐振状态的抖动信号，并将自然频率给驱动单元，

步骤4：驱动单元将自然频率的电信号输出至驱动电极，驱动电极持续激发频率调节部件。

一种角速度测量设备，包括三组上述的环形激光器，相邻的环形激光器的中心轴相互垂直。

实施本发明的这种环形激光器、环形激光器的扫频方法及角速度测量设备，具有以下有益效果：本发明通过改变安装孔位的组合方式，调节环形激光器的抖动频率，克服了当前环形激光器的抖频固定而不能自由组合的缺点，在不增加任何成本和实施难度的情况下，提高了环形激光器的适配性和可靠性，降低了生产制造过程中调度管理难度，提高了产品及时交付率。该环形激光器针对使用时产品适配性的问题，通过起振单元和检抖单元拟合产品的自然频率和元件常数，使用者在调整紧固件与轴套之间的距离时，可以准确估计自然频率。

附图说明

图1为姿态更新周期分别为0.01秒、0.02秒以及0.03秒时环形激光器的伪圆锥误差图；

图2为本发明中第一激光束和第二激光束在激光器本体内的反射示意图；

图3为本发明的环形激光器结构示意图；

图4为图3的截面图；

图5为图4中的A处局部放大图；

图6为图3中的频率调节部件和激光器本体结构***图；

图7为图6中的频率调节部件的俯视图；

图8为本发明中的紧固件、螺帽、螺杆件和卡件结构***图；

图9为本发明优选的环形激光器框图；

图10为本发明的环形激光器在不同R下自然频率的仿真结果图，其中斜率为常数C；

图11为本发明的环形激光器的扫频方法的示意图；

图12为本发明的角速度测量设备结构示意图。

图中：基座1、激光器本体2、棱镜3、气体激光部件4、光电探测器5、频率调节部件6、环形激光器7、安装室8、第二激光束9、定位轴10、条形孔11、环形腔室12、中心腔室13、第一激光束14、紧固件15、轴套16、第一固定部17、第二固定部18、压电瓷片19、条形槽20、定位孔21、弧形部22、第一阶梯部23、第二阶梯部24、第三阶梯部25、杆体26、螺纹部27、螺帽28、环形槽29、卡件30、卡口31、螺纹孔32、螺杆件33、角速度测量设备34、细导线35。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

由于棱镜的缺陷等原因，环形激光器存在“闭锁误差”。当载体在环形激光器中心轴方向上的角速率小于某阈值时，环形激光器内部运行的顺时针的第一激光束和逆时针的第二激光束频率将锁定在同一频率，此时，环形激光器不能敏感转动，处于失效状态。机械抖动偏频是人为在环形激光器中心轴方向施加一个角速度，尽可能让其工作在锁区以外。具体实施方式是通过一个抖动机构使陀螺本体沿测量方向作微小的周期性抖动来实现偏频。为了提高抖动效率，抖动机构通过自激或锁相环等控制方式驱动，保证抖动机构工作在谐振状态，即按抖动机构的自然频率抖动。抖动机构的自然频率大小取决于抖动机构刚度和激光陀螺总的转动惯量。由于现有的环形激光器的转动惯量固定，所以抖频固定，无法根据需要调节。本发明公开了一种环形激光器，用户可根据需求设定激光陀螺的抖动频率的叉开大小，可使激光陀螺灵活适配不同抖频需求的应用场所。本发明在解决现有技术方案缺陷的同时不增加新的成本，实现方式简单，可靠性高，有助于降低企业的管理成本和经营风险，兼具技术价值和商业价值。

实施例1

如图2至图8所示，本实施例的这种环形激光器，包括基座1、激光器本体2、棱镜3、气体激光部件4、光电探测器5以及频率调节部件6。基座1与频率调节部件6形成环形激光器7。设激光器本体2设置在安装室8中，气体激光部件4、棱镜3以及光电探测器5均设置在激光器本体2上。棱镜3设置在激光器本体2的四角处上的其中三个方向上，棱镜3用于反射第二激光束9。光电探测器5设置在另一个方向上，三处棱镜3相邻设置，光电探测器5与其中两个棱镜3相邻设置。气体激光部件4设置在其中一处棱镜3和光电探测器5之间。

基座1中间形成一向上开口的安装室8，安装室8的中间设有一定位轴10和四处条形孔11，条形孔11均匀的分布在定位轴10的周围。

激光器本体2内具有一环形腔室12和中心腔室13，中心腔室13位于环形腔室12的中间，环形腔室12用于第一激光束14和第二激光束9光线反射。中心腔室13是用于安装频率调节部件6。

气体激光部件4沿环形腔室12发射第一激光束14和第二激光束9。

光电探测器5接收经气体激光部件4的第一激光束14以及经棱镜3反射的第二激光束9。

频率调节部件6安装在激光器本体2的中心腔室13内且位于定位轴10上，激光器本体2设置在安装室8中，频率调节部件6通过紧固件15安装在基座1上，与安装室8的底部面之间留有间隙。紧固件15支撑在频率调节部件6的四处方向上。

频率调节部件6包括轴套16和多个第一固定部17、第二固定部18以及压电瓷片19。第一固定部17、第二固定部18对称地布置在轴套16外侧，第一固定部17和第二固定部18间隔设置。压电瓷片19对称的粘接在第一固定部17的侧壁上，频率调节部件6通过第一固定部17设置在中心腔室13内，第二固定部18设有一条形槽20，条形槽20沿轴套16径向延伸。轴套16的中间具有一定位孔21，定位孔21与定位轴10配合安装。

第一固定部17上具有与中心腔室13配合的弧形部22，频率调节部件6通过弧形部22安装在激光器本体2的中心腔室13内。

对称设置的压电瓷片19中负极朝向同一方向，正极朝向与负极相反的方向。压电瓷片19元件在周期性电压驱动下产生逆压电效应，使得频率调节部件6周期性抖动。压电瓷片19通过耐高温的胶水粘接于第一固定部17两侧，其厚度必须符合设计要求，且厚度的一致性良好，否则会引起抖动频率偏离设计值。

压电瓷片19粘接完成后，用细导线35通过锡焊方式将所有压电瓷片19的非粘接面短接在一起作为驱动电极，压电瓷片19粘接所用的胶水须能在-40摄氏度至80℃范围内性能稳定。

条形槽20中具有一固定频率调节部件6的紧固件15，安装室8中间具有紧固件15通过的多处条形孔11，紧固件15上端经该条形孔11延伸至条形槽20中。紧固件15从下至上依次由第一阶梯部23、第二阶梯部24、第三阶梯部25、杆体26以及螺纹部27组成，第二阶梯部24置于条形孔11中，杆体26穿过条形孔11置于条形槽20中，螺纹部27上具有一螺帽28，该螺帽28置于第二固定部18上。

第二阶梯部24和第三阶梯部25之间存在一环形槽29，环形槽29中设有一卡件30，该卡件30上设有一卡口31，卡口31置于环形槽29中，卡件30的底部面与安装室8的底部面接触。杆体26上设有一螺纹孔32，螺纹孔32中具有一与螺纹孔32配合的螺杆件33，螺杆件33置于条形槽20中。

紧固件15***到条形孔11和条形槽20中，使得频率调节部件6的第二固定部18置于第三阶梯部25上，杆体26的直径与条形槽20的宽度配合。第二阶梯部24的高度与条形孔11的深度配合，第一阶梯部23的上端面与基座1的底部面接触，然后再将卡件30***到环形槽29中，使得紧固件15通过卡件30固定在条形孔11中，保持紧固件15的位置不动。

由于频率调节部件6是位于第三阶梯部25上，所以能够通过螺纹部27与螺帽28的配合将频率调节部件6的位置固定。

当需要改变紧固件15在条形槽20中的位置时，只需要转动螺杆件33，使得紧固件15相对于螺杆件33发生位移，从而改变紧固件15与轴套16之间的距离R。

实施例2

进一步的，为了解决使用者在安装环形激光器时预测其谐振情况和自然频率，本实施例公开了一种更优选的环形激光器。

如图9，该环形激光器还包括起振单元、检抖单元、驱动单元以及数据分析单元。起振单元向驱动单元提供的多个受迫频率，驱动单元的一个输出端通过驱动电极连接至压电瓷片19，另一输出端连接至频率调节部件6的金属本体。

压电瓷片19粘接完成后，用细导线35通过锡焊方式将所有压电瓷片19的非粘接面短接在一起作为驱动电极，频率调节部件6的金属本体作为地电极。驱动电极和地电极是交流驱动电压的输入端。

压电瓷片19激发频率调节部件振动，检抖单元根据频率调节部件在多个受迫频率下的谐振确定自然频率f。检抖单元例如是振动检测传感器。频率调节部件的自然频率，其中K是频率调节部件的刚度，I是环形激光器的转动惯量。

调整紧固件15的中心线与轴套16的中心线之间的距离R时，转动惯量I发生变化，进而改变频率调节部件的自然频率。数据分析单元根据多个转动惯量获得的多个自然频率f得出相关参数。

图10为本实施例的环形激光器在不同R下自然频率的仿真结果，图中显示，仿真函数接近一条直线，直线的斜率为C，截距为B。因此f=RC+B，C为相关性常数，B为固定常数。

相应的，参照图11，本实施例开公开了一种环形激光器的扫频方法，包括以下步骤：

步骤1：起振单元通过扫描频谱的方式经驱动单元激发驱动电极，频谱中包含频率调节部件6的自然频率；

步骤2：频率调节部件6受驱动电极激发产生抖动，频率调节部件6在自然频率产生谐振状态，并且谐振状态产生的抖动信号大于失谐状态的抖动信号；

步骤3：检抖单元拾取谐振状态的抖动信号，并将自然频率给驱动单元；

步骤4：驱动单元将自然频率的电信号输出至驱动电极，驱动电极持续激发频率调节部件6。

实施例3

如图12，本实施例公开了一种角速度测量设备34，包括三组环形激光器7，相邻的环形激光器7的中心轴相互垂直。三组环形激光器7分别朝X、Y、Z方向设置。根据三个环形激光器7的角度信息不断更新载体的姿态角，进而实时获得载体在坐标系中三个正交方向的加速度。使用者可以根据经典力学原理进行导航运算，完成载体导航。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环形激光器，包括：

一基座，所述基座中间形成一向上开口的安装室，所述安装室的中间设有一定位轴；

设置在安装室中的激光器本体，该激光器本体内具有一环形腔室和中心腔室；

一气体激光部件，该气体激光部件沿环形腔室发射第一激光束和第二激光束；

多个棱镜，该棱镜安装在激光器本体的外侧，所述棱镜反射第二激光束；

一光电探测器，所述光电探测器接收经气体激光部件的第一激光束以及经棱镜反射的第二激光束；以及

一频率调节部件，所述频率调节部件安装在激光器本体的中心腔室内且位于定位轴上，

其特征在于：所述频率调节部件包括轴套和多个第一固定部、第二固定部以及压电瓷片，所述第一固定部、第二固定部对称地布置在轴套外侧，所述第一固定部和第二固定部间隔设置，所述压电瓷片对称的粘接在第一固定部的侧壁上，所述频率调节部件通过第一固定部设置在中心腔室内，所述第二固定部设有一条形槽，所述条形槽沿轴套径向延伸，

所述条形槽中具有一固定频率调节部件的紧固件，所述安装室中间具有紧固件通过的多处条形孔，所述紧固件上端经该条形孔延伸至条形槽中，其中

所述紧固件从下至上依次由第一阶梯部、第二阶梯部、第三阶梯部、杆体以及螺纹部组成，所述第二阶梯部置于条形孔中，所述杆体穿过条形孔置于条形槽中，所述螺纹部上具有一螺帽，该螺帽置于第二固定部上，

所述第二阶梯部和第三阶梯部之间存在一环形槽，所述环形槽中设有一卡件，该卡件上设有一卡口，所述卡口置于环形槽中，所述卡件的底部面与安装室的底部面接触，

所述杆体上设有一螺纹孔，所述螺纹孔中具有一与螺纹孔配合的螺杆件，所述螺杆件置于条形槽中。

2.根据权利要求1所述的环形激光器，其特征在于，所述频率调节部件的自然频率，其中K是频率调节部件的刚度，I是环形激光器的转动惯量。

3.根据权利要求2所述的环形激光器，其特征在于，该环形激光器还包括起振单元、检抖单元、驱动单元，起振单元用于向驱动单元提供的多个受迫频率，驱动单元通过驱动电极连接至压电瓷片，检抖单元根据频率调节部件在多个受迫频率下的谐振确定自然频率f。

4.根据权利要求3所述的环形激光器，其特征在于，还包括数据分析单元，数据分析单元根据多个转动惯量获得的多个自然频率f得出相关性常数C和固定常数B，f=RC+B，所述紧固件与轴套之间的距离为R。

5.根据权利要求1所述的环形激光器，其特征在于，所述第一固定部上具有与中心腔室配合的弧形部，所述频率调节部件通过弧形部安装在激光器本体的中心腔室内。

6.一种权利要求4所述的环形激光器的扫频方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：起振单元通过扫描频谱的方式经驱动单元激发驱动电极，频谱中包含频率调节部件的自然频率；

步骤2：频率调节部件受驱动电极激发产生抖动，频率调节部件在自然频率产生谐振状态，并且谐振状态产生的抖动信号大于失谐状态的抖动信号；

步骤3：检抖单元拾取谐振状态的抖动信号，并将自然频率给驱动单元，

步骤4：驱动单元将自然频率的电信号输出至驱动电极，驱动电极持续激发频率调节部件。

7.一种角速度测量设备，其特征在于，包括三组权利要求1所述的环形激光器，其特征在于，相邻的环形激光器的中心轴相互垂直。

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