一种基于光波热补偿的超流体陀螺装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新型超高精度量子陀螺技术领域，可应用于基于约瑟夫森效应的超流 体陀螺方案设计。 技术背景
[0002] 陀螺作为主要的惯性导航仪器，自19世纪末出现至今，在军、民用领域都发挥着 重要的作用。传统陀螺工作原理是通过机械转子转动来产生动量矩敏感陀螺相对惯性空间 的角运动。随着光学技术的成熟，运用光学干涉效应的新型陀螺应运而生，这种基于新机理 的典型陀螺有激光陀螺和光纤陀螺。在陀螺仪受到人们重视并得到广泛应用的同时，人们 开始试图寻找更高精度、更高灵敏度的导航仪器。近年来随着低温技术的兴起，基于低温物 理量子理论的陀螺开始进入人们视线，在此基础上发展起来的超流体陀螺开始进入人们的 视野。
[0003] 由美国加州大学Berkeley提出的4He超流体交流约瑟夫效应的双弱连接超流体 陀螺在精度、体积、温度要求和受噪声影响等方面具有巨大的优势。该装置的灵敏度在理论
在同样敏感面积条件下约比光纤陀螺的灵敏度高9~10个数量 级。该类型陀螺在物理基础与实验验证方面取得了不小的进展，但整个研究工作仍处于初 期阶段。4He超流体交流约瑟夫森效应的双弱连接超流体陀螺原理在高灵敏度和量程范围 间存在着矛盾。针对这一问题，现有的方法通过事先设定工作点相位，通过热相位注入实现 热补偿，但是热相位注入采用的是铜镍加热电阻，其升温过程实际上可近似为一阶惯性环 节，则热相位的注入将存在惯性延迟，这将直接导致超流体陀螺的幅值不能锁定在目标位 置，甚至出现超流体陀螺系统的失稳，直接影响超流体陀螺的检测精度和动态性能。虽然理 论上可以通过智能控制算法，提高系统的动态性能，减小温升滞后对陀螺系统测量的影响， 但始终不能从根本上解决加热电阻温升滞后问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服超流体幅值锁定方法中，采用加热铜镍电阻进行 热相位注入存在的惯性延迟对超流体陀螺的稳定性及精度的影响，提出了一种基于光波热 补偿的超流体陀螺装置，通过将期望薄膜幅值和薄膜位移检测幅值进行比较处理，控制输 出一定功率的红外光用于实现超流体的温升，从而实现热相位的注入补偿，有效减小热相 位注入的延迟时间，提高超流体陀螺的测量精度。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种基于光波热补偿的超流体陀螺装置，包括热驱动 系统、环形腔干涉系统、位移检测系统、控制处理系统、热补偿系统；
[0006] 环形腔干涉系统包括环形干涉回路，所述的环形干涉回路内充满超流体，其特征 在于：在环形干涉回路上端设有环形腔上开口端，与热驱动装置相连；在环形干涉回路下 端设有环形腔下开口端，与柔性薄膜相连；在环形干涉回路侧端设有环形腔支路端，与热补 偿装置相连；在环形干涉回路对称位置设有左弱连接隔板和右弱连接隔板；
[0007]位移检测系统包括超导铅膜金属涂层、电极板和超导检波线圈；所述超导铅膜金 属涂层用于表征薄膜的位移变化，当薄膜产生位移时，带动超导铅膜运动；电极板用于产生 初始电场，薄膜位移变化导致铅膜与电极板之间的磁场发生改变；超导检波线圈用于检测 磁通变化，进而间接得到薄膜的位移量；
[0008]控制处理系统包括控制器、激光器和分光器组成，所述控制器用于将检测到的薄 膜位移幅值与期望幅值比较，生成控制量；所述激光器用于接收控制指令，发射具有一定频 率的红外光波；所述分光器用于产生热补偿系统的加热光和生成对应触发器的开关信号。
[0009]热驱动系统，左侧设有铜镍加热电阻，右侧设有薄铜片调温槽，下侧设有开口腔， 下开口腔与装有左弱连接隔板和右弱连接隔板的环形干涉回路的上开口端相连。热补偿系 统，左侧设有薄铜片调温槽，下侧设有开口腔和开关阀门，所述开关阀门在光波的触发下呈 开状态。
[0010] 超流体陀螺装置在受到外界角速度输入影响下在环形回路中产生转动相
面积，1114为4He的原子质量；n为常流体的粘度，P"为常流体密度，P为总的流体密度，AT为光波热效应引起管路内的温度差，S是单位质量的熵，1是管路长度，R是管路宽度。
[0011] 控制处理系统通过控制热补偿系统的补偿热相位A(})lasCT，抵消由外界输入角速 度引起的转动相位A(i)s，使得环形回路内的超流体相位A(J)all保持恒定，则超流体质量流 量幅值I= 2NI。。Icos(A(}> all)I恒定，式中，N为微孔数目，I。。为超流体临界流量，则测量
[0012] 本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：
[0013]现有的超流体陀螺幅值锁定方案采取铜镍电阻加热来实现热相位注入，由于电阻 温升延迟存在，不易精确控温，本发明采用红外加热，温度控制容易、不需要暖机，并较具安 全性且具有穿透力，能内外同时加热，热惯性小且升温迅速，便于快速感知外界角速度的变 化，灵敏度更高，同时有效减小了热相位注入的延迟时间，相比基于铜镍加热电阻补偿的超 流体陀螺装置，其幅值锁定效果更好，提高了陀螺的测量精度和动态性能。
【附图说明】
[0014]图1为本发明基于光波热补偿超流体陀螺装置的结构示意图；
[0015] 图2为热补偿装置的原理图。 具体实施方案
[0016] 如图1所示，该光波热补偿超流体陀螺装置，包括热驱动系统、环形腔干涉系统、 位移检测系统、控制处理系统、热补偿系统。其特征在于：热驱动系统主要包括，铜镍加热 电阻1和薄铜片调温槽2,环形腔干涉系统包括环形干涉回路3、环形腔上开口端4、环形腔 下开口端5和环形腔支路端6,左弱连接隔板7和右弱连接隔板8,其中环形腔上开口端与 热驱动系统相连，下开口端安装柔性薄膜9,环形腔支路端与热补偿系统组成，通过加热电 阻使得弱连接两端产生温度差和压力差，驱动超流体流过隔板的若连接处，发生约瑟夫森 效应，此时薄膜以固定幅值振荡，当外界输入角速度存在时，薄膜幅值将被角速度信息调制 发生改变。位移检测系统由薄膜表面的超导铅膜金属涂层10、电极板11和超导检波线圈 12组成，