阅读说明：本技术 一种减小激光陀螺温变效应的稳频装置 (Frequency stabilizer for reducing temperature variation effect of laser gyroscope ) 是由 王飞 卢广锋 王凡 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种减小激光陀螺温变效应的稳频装置,包括：螺杆(1),由高热膨胀系数的合金材料制成；爪盘(2),中心具有孔,以供螺杆(1)穿过；压电陶瓷(3),位于爪盘(2)上方或下方,中心具有孔,以供螺杆(1)穿过。本发明将稳频组件螺杆材质由低膨胀合金换成某种膨胀系数较大的合金,螺杆膨胀/收缩方向与谐振腔腔体膨胀方向是相反的,保证激光陀螺不产生“跳模”。(The invention provides a frequency stabilizing device for reducing the temperature change effect of a laser gyroscope, which comprises: the screw (1) is made of alloy materials with high thermal expansion coefficients; the claw disc (2) is provided with a hole in the center and is used for the screw rod (1) to pass through; and the piezoelectric ceramic (3) is positioned above or below the claw disc (2), and the center of the piezoelectric ceramic is provided with a hole for the screw rod (1) to pass through. The invention changes the material of the screw of the frequency stabilizing component from low expansion alloy to certain alloy with larger expansion coefficient, and the expansion/contraction direction of the screw is opposite to the expansion direction of the cavity of the resonant cavity, thereby ensuring that the laser gyro does not generate mode jump.)

一种减小激光陀螺温变效应的稳频装置

技术领域

本发明涉及激光陀螺的控制元件，特别涉及一种减小激光陀螺温变效应的稳频装置。

背景技术

激光陀螺的工作原理是基于Sagnac效应，即激光陀螺是依靠环形行波激光振荡器内的双向行波间的谐振频率差来测量载体的角速度的。其中激光陀螺的标度因数(4A/γL，A环路面积，γ激光波长，L谐振腔光学腔长)稳定性是衡量激光陀螺精度的一个关键参量。由于环路面积和激光波长对于一个确定的激光器是一个定值，那么标度因数唯一取决于谐振腔光学腔长。

然而陀螺腔体本身及腔内介质的热胀冷缩和机械振动都会引起谐振腔光学腔长的变化，谐振腔内运行的单纵模频率将随光学腔长的变化在增益轮廓内漂移。激光陀螺通常是采用压电元件驱动环形腔的一面或多面反射镜，沿反射镜面法线方向平移对激光腔长进行调节，将纵模频率稳定于某一基准频率处，该过程称为稳频。激光陀螺在正常状态下，要求全过程稳定工作于同一个纵模上。

然而，由于激光陀螺工作温度跨度很大(通常为-40℃～+70℃)，加上其很多外部元器件热膨胀的影响，如果不加控制，在整个工作温度区内，激光陀螺自由膨胀导致的纵模漂移经常超过稳频机构所能提供的最大补偿能力。当稳频机构到达其机械极限而陀螺又要求继续正常工作时，稳频机构会自动跳到另一个纵模上稳定工作，这种情况称之为“跳模”。“跳模”发生之后陀螺输出会产生较大误差，导致整个导航系统出现偏差，有可能带来不可估量的后果。

因此稳频装置是激光陀螺重要的功能控制环路，其作用是当外界温度变化产生了等效的腔长变化、引起纵模漂移时，及时跟踪并使陀螺稳定工作于同一阶纵模。为了避免“跳模”的发生，一般有两条途径：一种是尽量减小全温域内激光陀螺自身带来的纵模漂移，如使用低膨胀材料等等；另一种是尽可能增大稳频装置的调节范围，例如减小槽片底部的厚度、增大压电陶瓷的驱动行程等。

稳频装置通常采用粘接有压电陶瓷的稳频组件作为激光陀螺稳频装置。稳频组件由螺杆和爪盘组成。稳频装置的工作机理如图1所示，爪盘两侧分别装配压电陶瓷片，在逆压电效应作用下，一片压电陶瓷沿径向收缩，厚度变薄，另一片压电陶瓷沿径向伸张，厚度变厚。在该差动效应作用下，螺杆产生轴向力，促使槽片薄片弯曲，推动中心柱反射镜端面前进或后退。压电陶瓷微位移驱动器可实现微米级别的位移补偿，调整激光器谐振腔腔长以达到激光器稳频效果。

目前激光陀螺稳频装置的螺杆和爪盘材质均采用低膨胀系数的合金，常温下平均膨胀系数1.6×10^-6/℃。当激光陀螺的环境温度发生微小改变时，为了实现位移补偿，要求压电陶瓷具有较高的驱动能力。但是过高的电场会导致压电陶瓷退极化，影响使用寿命。如果在环境温度变化时某一组件能预先抵消一部分谐振腔的膨胀/收缩，将实现在较低的驱动电压下完成稳频过程，延长压电陶瓷的使用寿命。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出一种减小激光陀螺温变效应的稳频装置，包括：螺杆，由高热膨胀系数的合金材料制成；爪盘，中心具有孔，以供螺杆穿过；压电陶瓷，位于爪盘上方或下方，中心具有孔，以供螺杆穿过。

优选地，所述稳频装置还包括：槽片，槽片位于八爪结构的爪盘下方，爪盘下沿基准面与槽片外表面相结合，螺杆的顶端与槽片点接触并且顶紧槽片。

优选地，所述稳频装置还包括：槽片，螺杆的顶端设置一球，所述球由高热膨胀系数的合金材料制成；槽片对应地设置凹槽，用于容纳所述球；所述球与所述槽片点接触并且顶紧槽片。

优选地，槽片位于爪盘下方，爪盘下沿基准面与槽片上沿基准面粘接。

优选地，所述稳频装置包括两个压电陶瓷，两个压电陶瓷分别位于爪盘的上方和下方，与爪盘固定连接，螺杆穿过爪盘和压电陶瓷与槽片点接触。

优选地，所述高热膨胀系数的合金为共晶铝合金。

优选地，所述共晶铝合金包括：铝、铜和铍，其中，铝含量占10％-20％，铜含量占5％-12％，铍含量占68％-85％。

优选地，所述共晶铝合金包括：铝、铜、镁和铍，其中，铝含量占10％-20％，铜含量占5％-12％，镁含量低于0.1％，铍含量占67.9％-85％。

优选地，所述高热膨胀系数的合金包括：CuZn、FeNiCr、FeNiMn、FeNiMn和MnCrNi合金。

优选地，所述爪盘由低热膨胀系数的合金材料制成。

本发明的稳频装置中，爪盘和压电陶瓷采用常用的激光陀螺稳频组件的材质。螺杆采用膨胀系数较大的合金。当温度升高时，陀螺腔体膨胀，要求压电陶瓷推动镜片朝着腔体方向运动，螺杆本体膨胀，可以推动反射镜下移；温度降低时，陀螺腔体收缩，要求压电陶瓷带动镜片朝着远离腔体方向回弹，螺杆收缩，可以使反射镜上移，等效起到了压电陶瓷加电推动的作用。由于螺杆膨胀/收缩方向是与谐振腔腔体膨胀/收缩方向相反的，所以可以预先抵消一部分陀螺腔体产生的膨胀/收缩效应，这样加上压电陶瓷的作用可以有充分的空间保证激光陀螺不产生“跳模”。

本发明将稳频组件螺杆材质由低膨胀合金换成某种膨胀系数较大的合金，螺杆膨胀/收缩方向与谐振腔腔体膨胀方向是相反的，则可以预先抵消一部分压电陶瓷的作用。而且，爪盘与槽片上沿接触面采用粘接，更容易保证螺杆与槽片的垂直度，减少歪扭现象的发生。

附图说明

为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的

具体实施方式

更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的稳频装置的第一实施方式的剖面图。

图2为本发明的稳频装置的第一实施方式的立体图。

图3为本发明的稳频装置的第二实施方式的剖面图。

图4为本发明的稳频装置的第二实施方式的立体图。

附图标记

1-螺杆；2-爪盘；3-压电陶瓷；4-槽片。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。

第一实施方式

在第一种实施方式中，如图1-2所示，本发明的一种减小激光陀螺温变效应的稳频装置，包括螺杆1、爪盘2和压电陶瓷3。所述螺杆1采用共晶铝合金(膨胀系数例如为3×10^-5/℃)制成。螺杆1的直径与爪盘2的圆孔开口匹配，螺杆1和爪盘2通过螺纹相互连接。

现有技术中，采用的低膨胀合金的热膨胀系数约2×10^-6/℃。本发明采用高热膨胀系数，一般比现有技术大约5倍以上，都能达到明显的效果。优选地，本发明中采用共晶铝合金，其他种类的高膨胀合金也可以，如CuZn、FeNiCr、FeNiMn、FeNiMn和MnCrNi合金。共晶铝合金的含量范围Al：10％-20％，Cu：5％-12％、Mg：0％-0.1％，其他为Be。

爪盘2采用常用的激光陀螺稳频组件的材质制造而成。为降低热应力，选取低膨胀合金材料。爪盘2与槽片4的接合方式有很多种，本实施方式采用了八爪结构。

如图2所示，图2为本发明的稳频装置的立体图，为了清楚起见，其中省去了压电陶瓷3。

压电陶瓷3的外径与槽片4外环的外径相当，压电陶瓷3的中心设有一个开孔圆环，使螺杆1能够恰好穿过该圆环，依靠螺纹连接在爪盘2的中轴线上，螺杆1的顶端与槽片4点接触，并且顶紧槽片4。稳频装置安装有两片压电陶瓷通过胶黏剂分别粘接于爪盘的上下两面。

第二实施方式

如图3-4所示，在第二实施方式中，爪盘2下沿基准面与槽片4上沿基准面粘接固定，更容易保证螺杆1与槽底的垂直度，减少歪扭现象的发生。

螺杆1的顶端设置成凹球状，内置一个相同材料的小球。对应地，槽片4呈凹球面，从而小球能够被夹在螺杆1和槽片4之间，由于槽片4是凹球面，小球总是会落在凹面的最底部，也就是槽片4的最中心的地方，可以进一步防止歪扭现象产生。小球与槽片也是呈点接触方式。

稳频装置的工作机理如下：爪盘2两侧分别装配压电陶瓷片3，在逆压电效应作用下，一片压电陶瓷沿径向收缩，厚度变薄，另一片压电陶瓷沿径向伸张，厚度变厚。在该差动效应作用下，螺杆1产生轴向力，促使槽片的薄片弯曲，推动槽片中心柱反射镜端面前进或后退。螺杆1采用高膨胀合金，其线膨胀系数随着温度升高而增大。当温度升高时，螺杆1本体膨胀，可以推动反射镜下移；温度降低时，螺杆1收缩，可以拉动反射镜上移。由于螺杆膨胀/收缩方向是与谐振腔腔体膨胀方向相反的，所以可以预先抵消一部分压电陶瓷的作用。压电陶瓷微位移驱动器可实现微米级别的位移补偿，调整激光器谐振腔腔长以达到激光陀螺稳频效果。

理论计算：假设起到膨胀/收缩作用的螺杆1的部分长为3mm，采用合金的膨胀系数为3×10^-5/℃，则从-40℃～+70℃的110℃区间内，单个螺杆长度的变化最大可达3×10^-3×3×10^-5×110＝9.9×10^-6m，即约10μm，双螺杆则共可以产生约20μm的伸缩量。双螺杆指的是，激光陀螺的稳频装置的对面依然有稳频装置，两边一起膨胀，则产生两倍的膨胀。

通过计算可知，选择合适膨胀系数的合金，理论上可以使激光陀螺在高低温变化过程中产生的自由腔膨胀/收缩为0。假设陀螺在110温度范围内的自由膨胀有5个纵模间隔，总是可以找到一种高膨胀合金正好抵消，使压电陶瓷的作用范围在1个模内，或者至少部分的减少对压电陶瓷驱动能力的要求，以完全消除“跳模”现象。

所述螺杆1可以采用共晶铝铜合金、高膨胀铁镍铬合金、镍锰铜合金等符合膨胀系数较高的金属或合金。与现有技术相比，本发明的稳频装置具有如下特点：

(1)增强稳频组件抗歪扭能力；

(2)降低了高低温变化环境下对稳频组件驱动能力的要求；

(3)完全消除激光陀螺跳模。

螺杆1选用了高膨胀合金后，解决了激光陀螺的一个很重要的问题，即：现有技术中的激光陀螺频繁出现的跳模现象，跳模后，数据输出就产生了错误。本发明的技术方案完全可以避免这种现象的产生。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。