[发明专利]多圈环绕的超流体陀螺装置

说明书

技术领域

本发明公开了一种多圈环绕的超流体陀螺装置，属于高精度陀螺仪的技术领域。

背景技术

惯性导航系统具有不依赖外界信息，也不向外部辐射能量的突出优点，是发展各类飞机、导弹、舰船、机器人、兵器等高性能装备的关键技术之一。陀螺仪是惯性导航系统的核心传感器，用于敏感运动载体相对惯性空间的角运动，其精度对惯性导航系统的精度有决定性的作用。运用物理学、材料学和电子技术等学科的先进技术，提高陀螺仪的精度，一直是惯性导航系统研究的重点。

基于萨格纳克效应，物质波干涉对旋转具有极高的灵敏度，利用物质波干涉可以开发新一代高精度陀螺仪。

超流体陀螺是物质波干涉式陀螺仪的一种。当角速度的旋转轴与超流体陀螺的感应面积的法线方向一致时，超流体陀螺能够敏感该角速度。目前超流体陀螺的感应面积为其管路环绕1圈所形成的闭合面积，大约为10cm²左右。根据目前的感应面积，超流体陀螺的总输出噪声为                                                的数量级，热噪声为的数量级。

超流体陀螺的总输出噪声决定了其分辨率，热噪声决定了其极限分辨率。由于超流体陀螺的管路可以多圈环绕，那么其感应面积可因此而扩大，其总输出噪声和热噪声能被抑制，其精度可进一步提高。

发明内容

本发明提供一种多圈环绕的超流体陀螺装置，其通过采用超流体管路的多圈环绕技术，扩大了超流体陀螺装置的感应面积，对其总输出噪声和热噪声进行了有效抑制，同时本发明超流体陀螺装置具有更小的分辨率和极限分辨率，提高了其测量精度。

本发明采用如下技术方案：一种多圈环绕的超流体陀螺装置，其包括有如下结构：

多圈环绕的超流体干涉仪，所述多圈环绕的超流体干涉仪是敏感角速度的核心元件，所述干涉仪的包括超流体管路、薄膜、稀土金属和弱连接，所述干涉仪中无颜色填充的部分充满超流体，所述超流体被分为内腔和外腔，所述内腔由薄膜和弱连接构成，在所述外腔中把超流体的管路多圈环绕，其感应面积扩大为，其中表示环绕管路的圈数，表示超流体管路的环绕半径；

温度控制系统，所述温度控制系统把外腔的超流体温度控制为2.1616K到2.1716K之间的某个值，并且保持恒定；

化学势能差热驱动系统，所述化学势能差驱动系统控制多圈环绕的超流体干涉仪内腔的加热器，表示化学势能差驱动系统的输出，则超流体陀螺的化学势能差为，并且的范围应满足，其中为⁴He原子的质量，为普通流体成分的粘性，为流过双弱连接处超流性成分流量的最大值，是体积因子，的熵密度，为内外腔之间传导热量的等效热阻，、和分别表示超流体、普通流体成分和超流性成分的密度，，；

位移检测系统，位移检测系统的对薄膜的位移进行检测；

幅值锁定系统，所述幅值锁定系统控制所述幅值锁定系统控制多圈环绕的超流体干涉仪外腔的加热器，在超流体干涉仪中产生热相移，抵消角速度产生的萨格纳克相移，使得超流体相移保持恒定，表示幅值锁定控制系统的输出，则热相移为，其中是超流体陀螺长度，是环绕管路的横截面积。

所述多圈环绕的超流体陀螺装置的总输出噪声

其中，是超流体陀螺的总输出噪声，是普朗克常数，是薄膜面积，是约瑟夫森频率，是双弱连接的非对称因子，是约瑟夫森感抗，是流过弱连接的最大流量，表示位移检测系统的总输出噪声，是超流体陀螺的测量频率。

所述多圈环绕的超流体陀螺装置的分辨率等于所述总输出噪声。

所述多圈环绕的超流体陀螺装置的热噪声

  其中，是超流体陀螺的热噪声，是玻尔兹曼常数，是弱连接处微孔的数量。

所述多圈环绕的超流体陀螺装置的极限分辨率等于所述热噪声。

本发明具有如下有益效果：

（1）能够确保超流体陀螺装置具有稳定的工作状态，当超流体陀螺装置管路的环绕圈数为100时，其分辨率为，极限分辨率为；

（2）对比于管路的环绕圈数为1时，其分辨率提高2个数量级，极限分辨率提高1个数量级，其精度得到有效的提高；

（3）相对于同等感应面积的光学陀螺来说，其分辨率比光学陀螺高出约10个数量级。

附图说明

图1为本发明多圈环绕的超流体陀螺装置的结构示意图。

图2为本发明多圈环绕的超流体陀螺装置对总输出噪声的抑制效果图。

图3为本发明多圈环绕的超流体陀螺装置对热噪声的抑制效果图。

其中：