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一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀的制作方法

文檔序號(hào):5857375閱讀:702來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及一種陀螺儀,特別是一種冷態(tài)下能快速啟動(dòng)的激光陀螺儀。
背景技術(shù)
激光陀螺的啟輝主要是通過(guò)高壓電源提供啟輝電壓,在陀螺的電極(陰、陽(yáng)極)之間形成一定強(qiáng)度的電場(chǎng),加速陀螺放電腔內(nèi)的初始陽(yáng)離子碰撞陰極激發(fā)陰極次級(jí)電子的發(fā)射,次級(jí)電子在電場(chǎng)加速作用下繼續(xù)與中性原子碰撞,并電離產(chǎn)生新的陽(yáng)離子和電子。此過(guò)程相互作用影響,使載流子(陽(yáng)離子和電子)數(shù)迅速增加,產(chǎn)生繁流放電過(guò)程,形成陀螺的輝光放電。 激光陀螺的啟輝屬于He-Ne氣體的低氣壓等離子輝光放電過(guò)程。陀螺諧振腔內(nèi)充滿一定比例和壓強(qiáng)的He-Ne增益介質(zhì)氣體,通過(guò)在陀螺的陰、陽(yáng)電極之間施加高電壓,瞬間擊穿惰性氣體產(chǎn)生輝光放電,從而達(dá)到陀螺啟輝的目的。氣體達(dá)到穩(wěn)定輝光放電,需要經(jīng)歷非自持放電和自持放電過(guò)程。非自持放電,參與導(dǎo)電的初始電子是由外界催離劑(催離劑包括自然界中的紫外線、Y射線等宇宙射線等)對(duì)陰極表面電子進(jìn)行激發(fā)產(chǎn)生的,隨著外加電壓的升高,放電管內(nèi)電子動(dòng)能增加,電子與中性原子發(fā)生碰撞電離作用,使載流子數(shù)雪崩式增加,即發(fā)生繁流放電過(guò)程,接著通過(guò)放電管的電流突增,管壓降(陰、陽(yáng)極之間的電壓差)迅速降低,于是就由非自持放電過(guò)渡到了自持放電。在繁流放電中,電子在一個(gè)自由程所獲得的能量與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。陀螺輝光放電伏安特性曲線見圖1。[0004] 陀螺啟輝過(guò)程是氣體放電從非自持向自持轉(zhuǎn)變的過(guò)程,陀螺要啟輝需要建立放電管內(nèi)電子和離子穩(wěn)定的定向移動(dòng)。在啟輝開始階段,放電管內(nèi)的初始載流子主要由外界催離劑對(duì)陰極表面電子進(jìn)行激發(fā)提供。在催離劑作用下,陰極表面逸出的少量電子在外界電場(chǎng)的作用下加速,并與中性原子碰撞,電離產(chǎn)生新的電子和陽(yáng)離子。其中,陽(yáng)離子加速并撞擊陰極,激發(fā)次級(jí)電子發(fā)射。外界電場(chǎng)由施加在放電管兩端的啟輝電壓提供。次級(jí)電子在電場(chǎng)加速作用下繼續(xù)與中性原子碰撞,又電離產(chǎn)生新的電子和陽(yáng)離子。此過(guò)程相互作用影響,使載流子(電子和陽(yáng)離子)數(shù)迅速增加,從而達(dá)到正常放電需要的電流強(qiáng)度。[0005] 當(dāng)陀螺啟輝并熄滅后,放電毛細(xì)管內(nèi)仍然會(huì)殘留大量自由電子和離子,但是這些載流子會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢發(fā)生復(fù)合,因此,當(dāng)激光陀螺被安裝在密閉的陀螺儀安裝盒內(nèi),與外界催離劑隔離貯存一段時(shí)間后,由于陀螺諧振腔內(nèi)的自由電子和離子等初始載流子數(shù)量非常稀少,特別是激光陀螺安裝在陀螺儀的密封盒體中之后,在完全沒(méi)有光照的情況下,導(dǎo)致陀螺在啟輝時(shí)需要經(jīng)過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間才能產(chǎn)生足夠的載流子數(shù),形成繁流放電過(guò)程,表現(xiàn)為陀螺儀啟輝時(shí)間較長(zhǎng)(一般為5s以上),不能滿足系統(tǒng)快速啟動(dòng)(要求啟動(dòng)時(shí)間不大于4s)的使用要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀,通過(guò)增加陀螺放電腔內(nèi)的初始載流子密度,有效縮短形成繁流放電過(guò)程所需的載流子數(shù)累積時(shí)間,從而縮短陀螺儀啟動(dòng)時(shí)間。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀,包括高壓電源、前放電
路、穩(wěn)流電路、激光陀螺、控制電路;其中,激光陀螺用于敏感載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)角
速率;高壓電源用于提供激光陀螺啟輝、穩(wěn)頻以及機(jī)械抖動(dòng)所需的二次電源;前放電路用
于對(duì)陀螺輸出的光電信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大;穩(wěn)流電路用于控制陀螺兩個(gè)陽(yáng)極放電電流的大
小;控制電路主要用于實(shí)現(xiàn)陀螺的啟輝控制、穩(wěn)頻控制和機(jī)抖控制; 其中,在光學(xué)塊體中,能夠照射到陰極的位置安裝有近紫外發(fā)光燈。 如上所述的一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀,其中,在所述的近紫外發(fā)光燈一側(cè)安裝
有反光片,反光片和陰極位于近紫外發(fā)光燈相對(duì)的兩側(cè)。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是,近紫外波段的發(fā)光光源對(duì)激光陀螺的陰極進(jìn)行照射,使陰極表面的電子掙脫逸出功的束縛逃逸出來(lái),在較短時(shí)間內(nèi)大量增加陀螺放電腔內(nèi)的初始載流子密度,有效縮短形成繁流放電過(guò)程所需的載流子數(shù)累積時(shí)間,從而達(dá)到縮短陀螺儀啟動(dòng)時(shí)間的目的,當(dāng)陀螺儀在冷態(tài)下啟動(dòng)時(shí),效果更加突出,將現(xiàn)有啟動(dòng)時(shí)間為5s 20s甚至更長(zhǎng)縮短到4s以內(nèi),。

圖1輝光放電伏安特性曲線; 圖2是本實(shí)用新型所示的快速啟動(dòng)的激光陀螺儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖; 圖3是快速啟動(dòng)的激光陀螺儀中的激光陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖4是近紫外燈在陀螺上的安裝示意圖; 圖5陀螺光學(xué)塊體的透光譜線; 圖6近紫外燈的發(fā)光譜線; 圖7陀螺儀啟動(dòng)過(guò)程的控制流程圖。 其中,1 、高壓電源,2 、前放電路,3 、穩(wěn)流電路,4、激光陀螺,5 、陰極,6 、光學(xué)塊體,7 、近紫外發(fā)光燈,8、反光片,9、陽(yáng)極,10、控制電路。
具體實(shí)施方式如圖2所示,陀螺儀主要包括高壓電源1 、前放電路2、穩(wěn)流電路3、激光陀螺4、控
制電路10等。其中,激光陀螺4是陀螺儀的核心部件,主要用于敏感載體相對(duì)于慣性空間
的運(yùn)動(dòng)角速率;高壓電源主要用于提供激光陀螺啟輝、穩(wěn)頻以及機(jī)械抖動(dòng)所需的二次電源;
前放電路主要用于對(duì)陀螺輸出的光電信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大;穩(wěn)流電路主要用于控制陀螺兩個(gè)
陽(yáng)極放電電流的大小;控制電路主要用于實(shí)現(xiàn)陀螺的啟輝控制、穩(wěn)頻控制和機(jī)抖控制。圖1
中,控制電路安裝在激光陀螺、高壓電源等的上端,陀螺儀實(shí)現(xiàn)整體密封。 其中,如圖3和圖4所示,在光學(xué)塊體中,能夠照射到陰極的位置安裝有近紫外發(fā)
光燈7,在近紫外發(fā)光燈7 —側(cè)安裝有反光片8,反光片8和陰極5位于近紫外發(fā)光燈7相
對(duì)的兩側(cè)。 從陀螺啟輝過(guò)程分析來(lái)看,陀螺啟輝主要受到以下三個(gè)重要因素影響外加電場(chǎng)強(qiáng)度、初始載流子密度以及陰極的次級(jí)電子發(fā)射能力。其中,外加電場(chǎng)強(qiáng)度由高壓電源提供的啟輝電壓決定,啟輝電壓越高,電場(chǎng)強(qiáng)度則越強(qiáng),越有利于陀螺啟輝;陰極的次級(jí)電子發(fā)射能力越強(qiáng),在相同條件下,陰極發(fā)射的次級(jí)電子數(shù)就越多,陀螺越容易啟輝。但如果啟輝電壓過(guò)高,會(huì)給陀螺儀內(nèi)部的絕緣提出較高的要求,影響陀螺儀的安全性;陀螺陰極的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)表征次級(jí)電子的發(fā)射能力,陰極表面氧化層越薄,次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)則越大,次級(jí)電子發(fā)射能力則越強(qiáng),但陰極表面氧化層過(guò)薄會(huì)對(duì)陰極的使用壽命造成不利影響。在啟輝電壓值以及陀螺陰極的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)一定的情況下,為了縮短陀螺儀的啟輝時(shí)間(特別是在冷態(tài)下),提高陀螺儀啟輝的可靠性,可以采用近紫外發(fā)光燈管(或近紫外LED)預(yù)先對(duì)陀螺陰極進(jìn)行照射,使陰極表面的電子掙脫逸出功的束縛逃逸出來(lái),在較短時(shí)間內(nèi)大量增加陀螺放電腔內(nèi)的初始載流子密度,縮短形成繁流放電過(guò)程所需的載流子數(shù)累積時(shí)間,進(jìn)而有效縮短陀螺儀的啟動(dòng)時(shí)間。 通過(guò)發(fā)光燈管發(fā)出的近紫外射線對(duì)陰極進(jìn)行照射,使陰極表面的大量電子在短時(shí)間內(nèi)獲得足夠的能量以克服逸出功的束縛從陰極表面逃逸出來(lái),逸出的電子在外加電場(chǎng)的加速作用下與中性原子碰撞電離產(chǎn)生新的電子和離子,初始載流子密度在較短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到一定水平。 光子的能量£ = ^ = ^其中,h為普朗克常數(shù),c為光速,A為光波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越
短的光線頻率越高,光子的能量就越大。因此采用波長(zhǎng)較短的光線對(duì)陀螺陰極進(jìn)行照射,可
以有效增加陰極表面逸出電子的數(shù)量和速度。只有當(dāng)照射光子的能量大于等于陰極表面電
子的逸出功時(shí),才會(huì)有部分電子掙脫逸出功的束縛從陰極表面逃逸出來(lái),因此,照射光線的
hc
波長(zhǎng)必須滿足一定范圍要求,即根據(jù)公式E = hv = 7計(jì)算得出照射光線的最大波長(zhǎng)(或最

小頻率),其中E為陰極表面電子逸出功。純鋁材料的電子逸出功約為4.3eV,對(duì)應(yīng)照射光線的最大波長(zhǎng)約為380nm ;氧化鋁材料的電子逸出功僅約為2. 8eV,對(duì)應(yīng)照射光線的最大波長(zhǎng)約為443nm。 由于發(fā)光燈管在對(duì)陀螺陰極表面進(jìn)行照射時(shí),需要先透過(guò)陀螺光學(xué)塊體,而光學(xué)塊體會(huì)對(duì)發(fā)光燈管發(fā)出的不同波長(zhǎng)的射線會(huì)有不同程度的吸收和衰減,因此,需要對(duì)陀螺光學(xué)塊體的透光譜線進(jìn)行測(cè)試和分析。陀螺光學(xué)塊體材料微晶玻璃Zerodur(德國(guó)SCH0TT公司)的透光譜線如圖5所示,橫軸表示光線的波長(zhǎng),縱軸表示光線的透過(guò)率。從圖5的透光譜線可以看出,陀螺光學(xué)塊體的透光波長(zhǎng)在380nm附近,在紫外和可見光波段,當(dāng)照射光的波長(zhǎng)低于380nm時(shí),照射光線的透過(guò)率衰減非常厲害,甚至幾乎為零,只有當(dāng)照射光的波長(zhǎng)大于380nm時(shí)(透過(guò)窗口 ),才會(huì)有部分光線透過(guò)陀螺光學(xué)塊體照射到陰極,因此,照射光線的波長(zhǎng)不能太低,在滿足陰極表面電子逸出功要求的同時(shí),必須保證有足夠的光線能夠透過(guò)陀螺光學(xué)塊體而不被吸收。 為了防止陀螺在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,氣體放電產(chǎn)生的離子轟擊陀螺的鋁陰極表面,對(duì)陰極造成濺射,保證陀螺的陰極使用壽命,一般都通過(guò)陰極氧化工藝方法對(duì)高純鋁材料的鋁陰極進(jìn)行氧化處理,在陰極表面生成致密而均勻的氧化層對(duì)陰極進(jìn)行保護(hù)。由于氧化鋁材料的電子逸出功相對(duì)于純鋁材料低很多,對(duì)應(yīng)照射光線的最大波長(zhǎng)大于陀螺光學(xué)塊體的透過(guò)窗口 ,而純鋁材料對(duì)應(yīng)照射光線的最大波長(zhǎng)則在陀螺光學(xué)塊體的透過(guò)窗口附近,因此可以選擇波長(zhǎng)在380nm 443nm范圍內(nèi)的光源對(duì)陀螺陰極進(jìn)行照射,使照射光線能穿透陀螺光學(xué)塊體,并將足夠的能量傳遞給氧化鋁表面電子,使部分電子掙脫逸出功的束縛從陰極表面逃逸出來(lái),然后在外加電場(chǎng)的加速作用下繼續(xù)與中性粒子碰撞電離,從而可以在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的初始載流子,進(jìn)而有效縮短激光陀螺的啟輝時(shí)間。[0026] 我們選擇了一種小型的近紫外發(fā)光燈作為照射光源,采用其工作過(guò)程中發(fā)射的近紫外光對(duì)陀螺陰極進(jìn)行照射。該發(fā)光燈的額定電壓為6V,所需的額定工作電流為60mA。將近紫外發(fā)光燈安裝固定在陀螺安裝孔內(nèi)最靠近陰極的地方,使其發(fā)光面正對(duì)陀螺陰極的內(nèi)表面以最近距離最大限度的對(duì)陀螺陰極進(jìn)行照射,使大量電子能夠掙脫逸出功的束縛從陰極表面逃逸出來(lái),從而大大增加初始載流子的密度。為了使盡可能多的光線透過(guò)陀螺光學(xué)塊體照射到陰極內(nèi)表面,陀螺安裝孔內(nèi)表面在發(fā)光燈安裝處要求其表面粗糙度控制在0. 2以內(nèi),同時(shí),在發(fā)光燈的背面(與照射方向相反的方向)緊貼發(fā)光燈安裝一個(gè)U形的金屬反光片,最大限度的將發(fā)光燈所發(fā)出的光線聚集到陀螺陰極內(nèi)表面。近紫外發(fā)光燈在陀螺上的安裝示意圖如圖4所示。我們通過(guò)光功率計(jì)對(duì)近紫外發(fā)光燈波長(zhǎng)在353nm 514nm范圍內(nèi)的發(fā)光譜進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)光燈與光功率計(jì)的光敏面之間的距離為陀螺儀中發(fā)光燈安裝固定位置與陰極內(nèi)表面之間的最大間距,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由測(cè)試曲線可以看出,發(fā)光燈發(fā)出波長(zhǎng)在382nm 442nm范圍內(nèi)的近紫外光線能量較強(qiáng),由前面的分析可知,該波段的光線能夠透過(guò)陀螺光學(xué)塊體的透過(guò)窗口將能量傳遞給陰極表面的電子。 近紫外燈的開關(guān)控制可以由陀螺儀電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。陀螺儀上電后,陀螺儀電路先發(fā)出開通信號(hào),點(diǎn)亮近紫外燈,時(shí)間為2s ;2s后陀螺儀電路再發(fā)出陀螺啟輝控制信號(hào),控制信號(hào)延遲時(shí)間為500ms,控制高壓電源輸出啟輝電壓;之后,啟輝控制信號(hào)停止輸出,進(jìn)而高壓電源停止輸出啟輝電壓。過(guò)程中陀螺儀電路一直輸出開通信號(hào)控制近紫外燈處于發(fā)光狀態(tài),當(dāng)陀螺儀電路通過(guò)采集的陀螺功率信號(hào)判斷出陀螺被點(diǎn)亮?xí)r,陀螺儀電路不再發(fā)出啟輝控制信號(hào),同時(shí)驅(qū)動(dòng)近紫外燈的控制信號(hào)也由開通狀態(tài)變成關(guān)斷狀態(tài),近紫外燈熄滅;否則陀螺儀電路繼續(xù)發(fā)出啟輝控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)近紫外燈的控制信號(hào)也一直處于開通狀態(tài),近紫外燈一直發(fā)光。陀螺啟輝次數(shù)設(shè)定最多為3次,啟輝間隔時(shí)間為60ms。陀螺儀的整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間嚴(yán)格控制在4s以內(nèi),如果啟輝3次后陀螺仍沒(méi)有被點(diǎn)亮,則不再發(fā)出啟輝控制信號(hào),陀螺儀對(duì)外輸出啟輝失敗信號(hào)。陀螺儀啟動(dòng)過(guò)程的控制流程圖如圖7所示。[0028] 我們進(jìn)行了上百次的激光陀螺儀啟輝驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明在相同條件下,采取了近紫外燈照射措施的激光陀螺儀相對(duì)于沒(méi)有采取措施時(shí)啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短,由原來(lái)5s 20s甚至更長(zhǎng)縮短到4s以內(nèi),試驗(yàn)效果明顯。
權(quán)利要求一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀,包括高壓電源(1)、前放電路(2)、穩(wěn)流電路(3)、激光陀螺(4)、控制電路(10);其中,激光陀螺(4)用于敏感載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速率;高壓電源(1)用于提供激光陀螺(4)啟輝、穩(wěn)頻以及機(jī)械抖動(dòng)所需的二次電源;前放電路(2)用于對(duì)陀螺輸出的光電信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大;穩(wěn)流電路(3)用于控制陀螺兩個(gè)陽(yáng)極放電電流的大??;控制電路(10)主要用于實(shí)現(xiàn)陀螺的啟輝控制、穩(wěn)頻控制和機(jī)抖控制;其特征在于在光學(xué)塊體(6)中,能夠照射到陰極(5)的位置安裝有近紫外發(fā)光燈(7)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀,其特征在于在所述的近紫外發(fā) 光燈(7) —側(cè)安裝有反光片(8),反光片(8)和陰極(5)位于近紫外發(fā)光燈(7)相對(duì)的兩
專利摘要本實(shí)用新型屬于一種陀螺儀,具體涉及一種快速啟動(dòng)的激光陀螺儀。目的是提供快速啟動(dòng)的激光陀螺儀。包括高壓電源、前放電路、穩(wěn)流電路、激光陀螺、控制電路;其中,激光陀螺用于敏感載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速率;高壓電源用于提供激光陀螺啟輝、穩(wěn)頻以及機(jī)械抖動(dòng)所需的二次電源;前放電路用于對(duì)陀螺輸出的光電信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大;穩(wěn)流電路用于控制陀螺兩個(gè)陽(yáng)極放電電流的大??;控制電路主要用于實(shí)現(xiàn)陀螺的啟輝控制、穩(wěn)頻控制和機(jī)抖控制;其中,在光學(xué)塊體中,能夠照射到陰極的位置安裝有近紫外發(fā)光燈。本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)是近紫外波段的發(fā)光光源對(duì)激光陀螺的陰極進(jìn)行照射,在短時(shí)間內(nèi)大量增加陀螺放電腔內(nèi)的初始載流子密度,縮短陀螺儀啟動(dòng)時(shí)間。
文檔編號(hào)G01C19/64GK201522284SQ20092021778
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者姜福灝, 彭梅蘭, 段偉, 田海峰, 白長(zhǎng)川, 韓玉強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第三十三研究所
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