一种基于带材的多层磁屏蔽陀螺及装配方法与流程

1.本发明涉及一种基于带材的多层磁屏蔽陀螺及装配方法，属于惯性测量技术领域。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种基于sagnac效应的全固态惯性仪表，用来测量载体的角速率，是飞行器导航系统和姿控系统的重要组成部分，是实现飞行器高精度导航的重要保障。
3.由于法拉第效应的存在，光纤陀螺的精度会受到磁场环境的影响，法拉第效应会改变光路中光波的参数，产生的输出误差表现为零偏漂移。光纤陀螺应用环境中存在着地磁及空间磁场等，会对陀螺产生误差，因此需要对陀螺进行磁屏蔽设计，光纤陀螺磁屏蔽设计的主要目的是抑制法拉第效应，所以磁屏蔽设计主要是屏蔽光路，核心是屏蔽光纤环。
4.目前大多数中高精度陀螺均采用软磁材料(如坡莫合金)制成的结构件作为外壳，以达到磁屏蔽效果。该方法制造工艺比较容易实现，屏蔽可靠，是目前最常用的屏蔽方式。尽管如此，该方式依然有其固有的缺陷：
5.(1)密度大，常用的坡莫合金的密度为8.7g/cm3，是铝合金2a12的3倍左右，在陀螺轻质化的趋势下，陀螺结构件重量占比越来越大，成为减重的一个难题；
6.(2)工艺复杂，铁镍合金的内应力对于磁屏蔽效果影响很大，为保证坡莫合金具有优良的磁屏蔽效果，需要在加工完成后进行氢气退火处理以消除内应力，即便结构件进行很小的局部返修，都需要重新进行氢气退火。
7.(3)多为单层屏蔽，在一些高精度陀螺设计时，采用双层或多层屏蔽，尺寸和重量代价较大。
8.(4)材料加工成本、工艺成本较大，生产周期长，不利于低成本和快速响应的发展趋势。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于：克服现有技术上的不足，提供一种多层磁屏蔽陀螺及装配方法，该结构使用多层磁屏蔽带材设计，达到良好的磁屏蔽效果。本发明进一步可实现多层磁屏蔽的轻质化光纤陀螺，相比于坡莫合金结构件，结构重量可以节省50％以上。
10.本发明的技术方案为：
11.一种基于带材的多层磁屏蔽陀螺，包括上罩、下罩、陀螺法兰、磁封闭空间、光学器件、陀螺电路板，其中：
12.陀螺法兰、上罩、下罩为主体结构件，上罩和下罩分别与陀螺法兰固定连接，形成上、下两个物理隔离的腔体；
13.光学器件和陀螺电路板位于上腔体中；
14.磁屏蔽空间位于下腔体中，所述磁封闭空间包括光纤环、光纤环底座、挡板、n块圆形屏蔽片i、n块圆形屏蔽片ii、n块圆筒形屏蔽片iii，n为屏蔽层数，n取值为[3,6]的任一整
数；光纤环底座与陀螺法兰固定连接；所述三种屏蔽片均由磁屏蔽带材构成，通过所有的屏蔽片搭接构成封闭的磁屏蔽空间，将光纤环、光纤环底座、挡板封闭在此空间内。
[0015]
优选的，屏蔽片i、屏蔽片ii、屏蔽片iii的尺寸随着所在的屏蔽层而不同，第i层的屏蔽片i直径长度值为a-2(i-1)s，第i层的屏蔽片ii直径值为b-2(i-1)s，第i层的屏蔽片iii端面圆边周长值为c-6.3(i-1)s、高度值为d-2(i-1)s，其中i为[1,n]的整数，a为第1层屏蔽片i的直径值，b为第1层屏蔽片ii的直径值，c为第1层屏蔽片iii的端面圆边周长值，d为第1层屏蔽片iii的高度值，s为磁屏蔽带材的厚度值，该厚度为基材和绝缘薄膜的总厚度，各尺寸的关系为a＝b，c＝3.14a。
[0016]
优选的，光纤环底座、挡板的尺寸因屏蔽层数的设置而不同，光纤环底座直径值为e-2(n-1)s，挡板外径值为f-2(n-1)s，挡板高度值为g-2(n-1)s，e为屏蔽层数为1层时光纤环底座的直径值，f为屏蔽层数为1层时挡板的外径值，g为屏蔽层数为1层时挡板的高度值，e＝f＝a-2ns，d-g的值要大于光纤环高度值。
[0017]
优选的，所述下腔体的内腔为圆柱形，在靠近下罩的圆柱形腔底放置所述圆形屏蔽片ii，圆柱形腔侧壁放置屏蔽片iii，陀螺法兰与光纤环底座的之间放置屏蔽片i，屏蔽片ii上放置有挡板，屏蔽片iii的上下两端分别顶住屏蔽片i、屏蔽片ii。
[0018]
优选的，所述陀螺法兰的中心位置有凸起的长方形定位块，屏蔽片i的中心开有相匹配的长方形定位槽。
[0019]
优选的，所述屏蔽片i由光纤环底座均匀压紧，所述屏蔽片ii由挡板均匀压紧，所述屏蔽片iii在与屏蔽片ii搭接边界两端分别由光纤环底座和挡板侧面进行限位，使搭接面不重叠。
[0020]
优选的，所述磁屏蔽带材采用铁镍合金为基材，带材的一侧带有绝缘薄膜。
[0021]
优选的，所述屏蔽片i、屏蔽片ii、屏蔽片iii均是将磁屏蔽带材通过成型板机加而成。
[0022]
优选的，所述陀螺法兰、上罩、下罩、光纤环底座、挡板均为铝合金材质。
[0023]
一种基于带材的多层磁屏蔽陀螺装配方法，包括：
[0024]
(s1)将n块屏蔽片i按层数从第1层开始依次放置到陀螺法兰上，带绝缘薄膜一侧朝向陀螺法兰，所有圆形屏蔽片i的定位槽均穿过陀螺法兰的定位块，n取值为[3,6]的任一整数；将光纤环底座平整地压到所有的屏蔽片i上，并固定连接到陀螺法兰；将光纤环通过胶粘的方式固定到光纤环底座上，光纤在光纤环底座的中间圆环处进入陀螺法兰的另一端面；
[0025]
(s2)将第1层屏蔽片ii放置到下罩的内腔腔底，带绝缘薄膜一侧朝向下罩内腔腔底；将第1层屏蔽片iii放置到下罩腔内，带绝缘薄膜一侧朝向下罩内腔侧面，屏蔽片iii圆筒一端顶住屏蔽片ii，另一端稍微突出下罩边缘；再将第2层屏蔽片ii、屏蔽片iii按第一层的方法安装，如此重复直至将n块屏蔽片ii、n块屏蔽片iii安装完成；将挡板推入到下罩腔内，压住所有的圆形屏蔽片ii；
[0026]
(s3)待s1中光纤环与光纤环底座之间的粘胶固化后，将s2装配完成的结构体安装到s1装配完成的陀螺法兰上；
[0027]
(s4)将光学器件和陀螺电路板依次安装到陀螺法兰上，待完成光纤和电气连接及工艺固定后，将上罩固定到陀螺法兰上。
[0028]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0029]
1)本发明基于带材的多层磁屏蔽陀螺设计，优于现有技术中磁屏蔽陀螺所能达到的磁屏蔽效果，能够满足对高精度、高磁场强度或磁场强度变化范围较大的应用场合需求。
[0030]
2)本发明在保证形尺寸和机械接口不变的情况下，实现屏蔽层数可调的多层磁屏蔽的设计，有利于统型设计，满足多种应用场合对屏蔽效果的不同要求。
[0031]
3)在保证磁屏蔽效果的前提下，所有支撑结构均采用铝合金制成，无需采用密度较大、成本较高的软磁材料，具有轻质化、低成本、生产简单的特点，相比于坡莫合金结构件，结构重量可以节省50％以上。
[0032]
4)本发明设计了一种采用新型磁屏蔽带材对光纤环进行磁防护的结构，并且各部分带材均通过结构设计进行机械限位和约束，带材甚至无需粘贴即可实现装配，装配简单，可靠性高。
附图说明
[0033]
图1为本发明光纤陀螺外形示意图；
[0034]
图2为本发明光纤陀螺内部构成示意图；
[0035]
图3为本发明各部分屏蔽片定位及磁屏蔽空间示意图；
[0036]
图4为本发明光纤环底座和挡板的外形示意图；
[0037]
图5为本发明磁屏蔽密封构成示意图；
[0038]
图6为本发明屏蔽片i、ii、iii的裁剪形状；
[0039]
图7为本发明实施例中三层磁屏蔽构成示意图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0041]
图1为本发明光纤陀螺外形示意图，图2为本发明光纤陀螺内部构成示意图，如图1、图2所示，一种基于带材的多层磁屏蔽陀螺包括下罩1、上罩8、陀螺法兰5、光学器件6、陀螺电路板7及磁封闭空间，其中：
[0042]
陀螺法兰5、上罩8、下罩1为主体结构件，上罩8和下罩1分别与陀螺法兰5固定连接，形成上、下两个封闭的物理隔离腔体，为内部光电器件提供保护屏障。光学器件6和陀螺电路板7位于上腔体中，陀螺电路板7带有对外电连接器。磁屏蔽空间位于下腔体中，如图3所示，所述磁封闭空间包括光纤环2、光纤环底座3、挡板14、n块圆形屏蔽片i 4、n块圆形屏蔽片ii 12、n块圆筒形屏蔽片iii 13，n为屏蔽层数，n为3、4、5、6任一数。光纤环底座3的上表面通过胶粘的方式固定光纤环，光纤环底座3下表面与陀螺法兰5固定连接；上述三种屏蔽片均由磁屏蔽带材构成，通过所有的屏蔽片搭接构成封闭的磁屏蔽空间，将光纤环2、光纤环底座3、挡板14封闭在此空间内，为光纤环提供磁防护。
[0043]
陀螺的下罩1、挡板14、光纤环底座3、陀螺法兰5、上罩8均为铝合金加工而成，无需采用密度较大、成本较高的软磁材料，实现磁屏蔽效果，具有轻质化、低成本、生产简单的特点。采用磁屏蔽带材，相比较与坡莫合金结构件，在满足磁屏蔽要求的情况下，结构件重量可以节省50％以上。
[0044]
表1所示为各层屏蔽片的尺寸。
[0045]
表1基于n层屏蔽层数的屏蔽片尺寸
[0046][0047]
表1中n为屏蔽层数，s为磁屏蔽带材的厚度，该厚度为包含基材和绝缘薄膜的总厚度，a为第1层屏蔽片i的直径，b为第1层屏蔽片ii的直径，c为第1层屏蔽片iii的端面圆边周长值，d为第1层屏蔽片iii的高度值，e为屏蔽层数为1时光纤环底座的直径值，f为屏蔽层数为1时挡板的外径值。为使各部分互相配合形成屏蔽腔体，各尺寸之间具有以下关系：a＝b，c＝3.14a。
[0048]
图4为光纤环底座3和挡板14的外形图，针对不同的屏蔽层数，光纤环底座3和挡板14的尺寸不同。实施n层屏蔽时，则光纤环底座3直径尺寸为e-2(n-1)s，挡板14外径尺寸为f-2(n-1)s，挡板14厚度尺寸为g-2(n-1)s。其中e为屏蔽层数为1层时光纤环底座的直径值，f为屏蔽层数为1层时挡板的外径值，g为屏蔽层数为1层时挡板的高度值，e＝f＝a-2ns，其中d-g的值应能包含光纤环高度尺寸。
[0049]
在调整磁屏蔽层数时，仅需要变更结构件的三个尺寸就能实现，有利于通用化的设计，提高了在不同磁场环境下陀螺的适应能力。最大屏蔽层数需要综合考虑带材厚度、各部分的实际尺寸和公差分配，保证安装后各部分之间有足够的安全间隙，即光纤环与磁屏蔽空间的外边缘之间有不少于1mm的间隙，避免由于公差或振动环境下发生接触，影响光纤环精度。
[0050]
图5为本发明中磁屏蔽密封构成示意图，陀螺安装完成后，圆形屏蔽片i 4、圆形屏蔽片ii 12和屏蔽片iii 13通过相互搭接，共同构成了完整的磁屏蔽空间，将光纤环2、光纤环底座3和挡板14置于磁屏蔽保护空间内。其中，圆形屏蔽片i 4中间有长方形的定位槽，在安装到陀螺法兰5时，与陀螺法兰5上凸起的定位块匹配，保证圆形屏蔽片i 4的角度及位置精度。屏蔽片iii 13的上下两端分别顶住圆形屏蔽片i 4、圆形屏蔽片ii 12的外圆部分，在陀螺法兰5和下罩1的结构约束下，屏蔽片iii 13与圆形屏蔽片i 4和圆形屏蔽片ii 12之间具有一定的压力，从而保证搭接处的磁密封性。这样通过结构的公差控制，即可保证边缘处的搭接效果，具有操作简单、搭接效果好、便于检查的优点。
[0051]
图3还示出了各部分屏蔽片定位及固定关系，其中圆形屏蔽片i 4通过中间的定位槽与陀螺法兰5上的定位块匹配，实现准确定位，然后通过陀螺法兰5与光纤环底座3两个平面的均匀压紧，保证了圆形屏蔽片i 4的完全固定。圆形屏蔽片ii 12在装入下罩1腔底时，通过下罩1的侧壁，即可保证定位准确，装入屏蔽片iii 13和挡板14后，圆形屏蔽片ii 12在挡板14和下罩1腔底的压力下，实现完全固定。在屏蔽片ii 12装入下罩1腔底后，将屏蔽片iii 13装入下罩1内腔侧面，由公差控制，使其紧贴下罩1内腔侧面，并且搭接处紧密对齐且不重叠。挡板14由光纤环底座3压紧到圆形屏蔽片ii 12上。挡板14和光纤环底座3的底座部分在进入下罩腔体后，会对屏蔽片iii 13的搭接部分形成一定的压力，保证屏蔽片iii 13搭接处不会重合，从而实现对屏蔽片iii 13的固定。
[0052]
本发明设计的一种采用新型磁屏蔽带材对光纤环进行磁防护的结构，可通过结构设计实现带材的机械限位和约束，带材无需粘贴即可实现装配，装配简单，可靠性高。
[0053]
在安装前需要对磁屏蔽带材进行裁剪和固定。磁屏蔽带材在成型之前经氢气退火处理即可，后续裁剪和固定对带材本身的磁屏蔽性能影响很小，不必再重新进行氢气退火。图6为本发明中磁屏蔽带材裁剪及弯折成型后的形状，带材采用厚度为0.05mm～0.2mm的铁镍合金为基材，该带材具有和坡莫合金相同的磁屏蔽性能，且具有较好的韧性，可以弯折成各种简单形状。该带材一侧带有绝缘薄膜，绝缘薄膜的作用一是隔离各个屏蔽层，二是使带材具有一定的压缩量，为带材的约束和固定提供一定的预压力，保证安装和密封效果。磁屏蔽带材通过成型板机加成特定形状，相比激光切割，成型板机加方式具有更好的横切面质量和尺寸精度。
[0054]
具体装配方法如下：
[0055]
(s1)将n块屏蔽片i按层数从第1层开始依次放置到陀螺法兰上，带绝缘薄膜一侧朝向陀螺法兰，所有圆形屏蔽片i的定位槽均穿过陀螺法兰的定位块，通过圆形屏蔽片i 4的定位槽和陀螺法兰5的定位块，实现圆形屏蔽片i 4的精确定位。然后将光纤环底座3平整地压到所有的屏蔽片i 4上，通过螺钉将光纤环底座3固定到陀螺法兰5上，使其成为一个整体。将光纤环2通过胶粘的方式固定到光纤环底座3上，光纤在光纤环底座3的中间圆环处进入陀螺法兰5的另一端面。
[0056]
(s2)将第1层屏蔽片ii 12放置到下罩1的内腔腔底，带绝缘薄膜一侧朝向下罩1内腔腔底；将裁剪成长方形的屏蔽片按照下罩1内腔侧面的形状弯折成圆筒状的屏蔽片iii 13，第1层屏蔽片iii 13放置到下罩1腔内，带绝缘薄膜一侧为筒状外侧，即朝向下罩1内腔侧面，屏蔽片iii 13圆筒一端顶住屏蔽片ii 12，另一端稍微突出下罩1边缘。通过公差控制，使屏蔽片iii 13两短边对齐但不重叠，此时，屏蔽片iii 13依靠下罩1约束和自身应力，可以卡在下罩1内部。再将第2层屏蔽片ii 12、屏蔽片iii 13按第一层的方法安装，如此重复直至将n块屏蔽片ii 12、n块屏蔽片iii 13安装完成；再将挡板14推入到下罩1腔内，压住所有的圆形屏蔽片ii 12。
[0057]
(s3)待s1中光纤环与光纤环底座之间的粘胶固化后，将s2装配完成的结构体安装到s1装配完成的陀螺法兰5上，形成陀螺的下腔体，提供光纤环的物理隔离、电磁防护和磁屏蔽保护层。
[0058]
(s4)将光学器件6和陀螺电路板7依次安装到陀螺法兰5上，待完成光纤和电气连接及工艺固定后，将上罩8固定到陀螺法兰5上，形成了陀螺的上腔体，提供光学器件6和陀螺电路板7的物理隔离和电磁防护保护层。
[0059]
基于本发明设计，制造了基于带材的三层磁屏蔽陀螺，图7为三层磁屏蔽构成示意图。陀螺的下罩1、挡板14、光纤环底座3、陀螺法兰5、上罩8均为铝合金加工而成，屏蔽带材厚度为s＝0.1mm，a＝b＝48mm，c＝150.7mm，e＝f＝47.4mm，d＝16.4mm，g＝1.6mm。经测试，此陀螺达到的磁屏蔽效果优于坡莫合金结构件。
[0060]
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0061]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。