CN102854331A - 一种光机电振动角速率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光机电振动角速率传感器，涉及传感器技术领域。该传感器振动系统由驱动臂，敏感臂以及位于交叉点处的质量块构成，光驱动系统通过悬浮于驱动臂上方的光纤组辐射光脉冲驱动振动臂振动，进而带动质量块摆动，最终产生沿驱动方向的线动量，光学检测系统采用相干检测技术，该传感器在输入轴方向有输入角速度时，由于哥氏力的作用将在敏感臂上产生相应的振动。该振动通过光学检测系统进行数据采集，进而转变为输入角速度。该传感器兼顾了MEMS陀螺仪小体积易集成和光学陀螺仪高精度的特点，同时还具有零位稳定性高，无轴间干扰，抗电磁干扰等优点。

Description

一种光机电振动角速率传感器

技术领域

本发明涉及角速率传感器，尤其是利用光学驱动和传感机械振动的角速率传感器。

技术背景

光学角速率传感器，基于SAGNAC效应，该类型陀螺没有活动部件，具有很强的抗干扰能力，但是该类型陀螺体积较大，成本较高，基于目前的技术水平，很难进行小体积和集成化；传统基于哥氏效应的振动陀螺受电子灵敏度和电磁灵敏度的限制使得其灵敏度不高，但是能够进行小体积和集成化研究。

本申请提出一种机械学与光学技术相结合的交叉技术领域的全光纤驱动与检测的角速率测量方法。这种角速率传感器基于哥氏效应振动原理的、全光驱动和全光检测微位移技术三者相结合的新型传感器设计技术。它没有传统光学角速率传感器所遇到的原理性限制和缺点；与传统MEMS角速率传感器相比：采用光学方式测量振动，能够极大减少结构中的热噪声，具有无机械谐振频率点要求的特点，更加适合于快速启动的角速率测量。全光驱动与检测光机电振动角速率传感器可以广泛应用于军事，工业，等各个方面，具有重要的使用价值和军事战略高度，同时具有很广阔的商业应用前景。但是，目前国内还未见制备全光驱动与检测光机电振动角速率传感器方法的相关报道。

发明内容

本发明针对传统MEMS陀螺受电子灵敏度和电磁灵敏度的限制使得其灵敏度不高，不能进行小体积集成化易受温度影响等缺点，提出了一种新的敏感角速率传感器。

为了达到上述目的，本发明敏感角速率传感器包含：振动系统、光驱动系统、全光检测系统、外部衔接系统。振动系统包含：质量块，驱动臂，敏感臂；振动系统通过驱动臂和敏感臂与外部支持结构体衔接，驱动臂在全光脉冲驱动的作用下产生振动，随之带动质量块摆动，进而在驱动臂方向上产生线动量，当角速率传感器在输入轴向方向上有输入角速度时，振动质量块将在同时垂直线动量与输入角速度切三者满足右手定则的方向即敏感臂方向上产生一个振幅同输入角速度呈正比的振动，该振动在全光检测系统的作用下即可转化为光，电信号。

振动系统中质量块的质量中心位于驱动臂与敏感臂中心轴线的交叉点处。驱动臂的长度由质量块和驱动臂在振动时的波长决定，敏感臂的长度由质量块和敏感臂在受迫振动时的波长决定。驱动臂、敏感臂同支持体衔接点到质量块质量中心的距离等于振动时的半个波长或波长的倍数，使得质量块，外部支撑结构体同时位于驱动臂和敏感臂的振动波节处，进而达到最好的力学隔离。

光驱动系统包含：受控高频高能量激光器，光隔离器，光纤组及其光纤端同驱动臂间形成的F-P干涉仪。受控高频高能量激光器在上位机的控制下发送频率为驱动臂固有频率的光脉冲，该脉冲信号通过光纤传输至光电隔离器，再由光纤输出，进而在光纤端与驱动臂表面间形成F-P干涉。由于光脉冲的频率等同于驱动臂的固有频率，此时，驱动臂将产生共振，并带动振动块在平衡位置做摆动。

光检测系统包含：激光光源，光耦合器，光隔离器，光纤组及其光纤端同敏感臂间形成的F-P干涉仪。激光光源发出的光经Y型光耦合器后分为两路，两路光分别进入一个Y型光耦合器，在两个耦合器尾纤端面镀膜,则光在尾纤端面发生部分反射和透射，尾纤将固定悬浮在敏感臂上方，同时在敏感臂上镀膜形成反射面。两路光分别产生干涉，形成两路干涉条纹（双光干涉）。

本发明采用光学方式测量振动，该传感器兼顾了MEMS陀螺仪，小体积易集成和光学陀螺仪高精度，同时还具有零位稳定性高，无轴间干扰等优点，能够极大减少结构中的热噪声，具有无机械谐振频率点要求的特点，更加适合于快速启动的角速率测量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1光机电角速率传感器俯视图；

图2振动系统示意图；

图3光驱动系统接示意图；

图4光检测系统示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的工作进行详细的描述。

如图1所示为本发明光机电振动角速率传感器俯视图。光机电振动角速率传感器包括：由振动质量块（11）通过一组驱动臂（12）和敏感臂（13）组成的振动系统（10），振动系统通过驱动臂和敏感臂与外部支持结构体（20）衔接，驱动臂在全光驱动系统（31）的作用下产生振动，带动振动质量块在平衡位置附近进行摆动，进而产生线动量；在角速率传感器的输入轴向（002）方向上输入角速度，当角速率传感器在沿图2中输入轴向（002）方向上有输入角速度时，振动质量块将在敏感臂产生振动，进而带动敏感臂产生振动；检测系统（32）对敏感臂振动的振幅进行检测。

如图2振动系统示意图。图中所述振动质量块的大小取决于系统的灵敏度，品质因数，振动质量块的质量中心（110）必须在驱动臂与敏感臂中心轴线的交叉点处。驱动臂的长度由质量块和振动臂构成的系统在振动时的波长决定，敏感臂的长度由质量块和敏感臂构成的系统在受迫振动时的波长决定。

驱动臂和敏感臂在交叉点处被分成两部分，包括驱动臂（121）、驱动臂（122）和敏感臂（131）、（132），一般情况下，驱动臂、敏感臂的长度为由质量块和振动臂构成的系统在振动时的半个波长，也可以为半个波长的倍数。驱动臂和敏感臂宽度相同，厚度可根据实际应用环境决定，例如为了提高抗冲击性能就需要增加厚度。为了提高系统灵敏度，驱动臂同敏感臂的夹角（140）为90度最佳，否则将导致灵敏度降低等问题。

光机电振动角速率传感器中振动系统（10）、外部支持结构体（20）为同种线胀系数小的材料制作，通常情况下为合金、石英、多晶硅、二氧化硅等。这样将最大限度地减小外界温度对该系统的影响。

同时，外部支持结构体俯视图通常为矩形，也可以为圆形，椭圆形，只需满足驱动臂、敏感臂同支持体衔接点到质量块质量中心的距离等于振动时的半个波长或半个波长的倍数即可。

如图3为光驱动系统连接示意图。该系统采用光学驱动方式，致使敏感体振动，光驱动系统由位于驱动臂（12）上方的光纤组（31），光电隔离器（40），高频高能量激光器（60）组成。高频高能量激光器在上位机的控制下发送频率为驱动臂固有频率的光脉冲信号，该脉冲信号通过光纤（50）传输至光电隔离器，再由光纤输出，进而在光纤端与光机电振动角速率传感器的驱动臂（12）表面间形成F-P干涉。由于光脉冲的频率等于驱动臂的固有频率，此时，驱动臂将产生共振，并带动振动块在平衡位置沿（003）方向做摆动。为了增强驱动臂（12）和敏感臂（13）的光反射，通常可采用表层抛光，表面沉积等工艺。

光纤组通过光耦合方式与驱动臂相连接，并形成F-B干涉仪组。光纤组也可采用单根光纤或激光替代。光纤组通过光纤向驱动臂辐射具有足够辐射压力的电磁波以驱动驱动臂带动质量块获得理想摆动幅度。

激光器（60）为可变激光器（如低噪声激光源）。通常，激光器（60）选择窄带激光器，在实际使用过程中，光纤耦合激光器优于自由空间激光器。同时光驱动系统采用一段常规单模光纤，或者是极化光纤。这样可以有效消除由FP干涉仪内的双折射引起的传感器输出波动。

如图4为全光检测系统示意图。光检测系统中激光光源发出的光分为两路，两路光通过隔离器分别进入一个Y型光耦合器（70）的两输入端，在两个耦合器尾纤端面镀膜,则光在尾纤端面发生部分反射和透射，尾纤将固定悬浮在敏感臂上方，同时在敏感臂上镀膜形成反射面，两路光分别产生干涉，形成两路干涉条纹（双光干涉），光纤组及其光纤端同敏感臂间形成的F-P干涉仪。光隔离器（80，90）是可变的，可以用铟嘉砷PIN光电二极管实现，隔离器通过光纤连接到光耦合器。

振动质量块运动满足如下公式：

驱动臂和振动质量块构成的传感器驱动轴满足如下动力学方程：

$\{(I_{\mathrm{\θ}}+I_p)\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\θ}}\frac{\∂}{\∂t}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ}}\}\mathrm{\θ}=\mathrm{\τ}+2\mathrm{\Ω}{I}_p\frac{\∂}{\∂t}\mathrm{\φ}$

由敏感臂和振动质量块构成的传感器敏感轴满足动力学方程：

$\{(I_{\mathrm{\φ}}+I_p)\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\φ}}\frac{\∂}{\∂t}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\}\mathrm{\φ}=-2\mathrm{\Ω}{I}_p\frac{\∂}{\∂t}\mathrm{\φ}$

其中，I_θ，I_φ和I_p表示振动质量块系统分别绕驱动轴、敏感轴和质量块的惯性分量。γ_θ和γ_φ表示驱动轴、敏感轴的阻尼，κ_θ和κ_φ表示扭矩弹性常量，τ为施加到驱动轴的扭力，角速率为Ω。

由于质量块的惯量分量远大于驱动臂和敏感臂的惯性分量，因此只需考虑质量块的哥氏效应。因为

，公式中的敏感臂对驱动臂产生的哥氏力项可以忽略，对于驱动转矩τ=τ₀e^jωt，当

时，驱动轴角度偏转是θ=θ₀e^jωt，相应的驱动轴角度偏转幅度可表示为：

${\mathrm{\θ}}_0=\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ}}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}^2}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}^2/Q_{\mathrm{\θ}}^2}}$

其中谐振频率为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ}}}{I_{\mathrm{\θ}}+I_p}}$

品质因数为： $Q_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}(I_{\mathrm{\θ}}+I_p)}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\θ}}}$

因此，当ω≈ω_θ时，驱动振幅为：

${\mathrm{\θ}}_0^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_0{Q}_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ}}}=\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}}$

同样，不考虑相移情况下，敏感轴的角度偏转为θ=θ₀e^jωt，相应的敏感轴角度偏转幅度可表示为： ${\mathrm{\φ}}_0={\mathrm{\θ}}_0\frac{2I_p\mathrm{\Ω\ω}}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\φ}}^2}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\φ}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\φ}}^2/Q_{\mathrm{\φ}}^2}}$

其中谐振频率为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\φ}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}}{I_{\mathrm{\φ}}+I_{\mathrm{\φ}}}}$

品质因数为：

$Q_{\mathrm{\φ}}=\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\φ}}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\φ}}(I_{\mathrm{\φ}}+I_{\mathrm{\φ}})}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\φ}}}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}(I_{\mathrm{\φ}}+I_{\mathrm{\φ}})}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\φ}}}$

假设，即角速率传感器不在谐振点传感，并在传感轴上没有受到Q_φ作用，则在ω≈ω_θ处，传感振幅为：

${\mathrm{\φ}}_0^{\′}={\mathrm{\θ}}_0^{\′}\frac{2I_p\mathrm{\Ω}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}}=\frac{2{\mathrm{\τ}}_0{I}_p\mathrm{\Ω}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}}$

本发明振动角速率传感器有两个交叉的振动面以及一个位于交叉点处的质量块构成振动块系统，光驱动部分采用光纤组辐射光脉冲驱动振动臂振动，进而带动质量块振动，产生沿振动方向的线动量，当沿输入轴方向有输入角速度时，由于哥氏力的作用将在敏感臂上产生相应的振动。通过光纤组采集数据，进而进行测量传感器的输入角速度。该传感器兼顾了MEMS陀螺仪，小体积易集成和光学陀螺仪高精度，同时还具有零位稳定性高，无轴间干扰等优点。

Claims (7)

1.光机电振动角速率传感器，其特征在于：该传感器包括振动系统、光驱动系统、光检测系统，由驱动臂和敏感臂以及位于其交叉点处的质量块组成振动系统，该振动系统通过驱动臂和敏感臂与外部支持结构体衔接，驱动臂在全光驱动系统的作用下产生振动，进而带动质量块进行摆动，进而产生线动量，当角速率传感器在输入轴向方向上有输入角速度时，质量块将在敏感臂产生振动，光学检测系统检测该振动。

2.如权利要求1所述的角速率传感器，其特征在于：振动质量块的质量中心必须在驱动臂与敏感臂中心轴线的交叉点处，驱动臂的长度由质量块和振动臂在振动时的波长决定，敏感臂的长度由质量块和敏感臂在受迫振动时的波长决定。

3.如权利要求1所述的角速率传感器，其特征在于：光驱动系统由位于驱动臂上方的光纤组、光电隔离器、高频高能量激光器组成，高频高能量激光器在上位机的控制下发送频率为驱动臂固有频率的光脉冲信号，该脉冲信号通过光纤传输至光电隔离器，再由光纤输出，进而在光纤端与光机电振动角速率传感器的驱动臂表面间形成F-P干涉，驱动臂将产生共振，并带动振动块在平衡位置做摆动。

4.如权利要求1所述的角速率传感器，其特征在于：光检测系统中激光光源发出的光分为两路光分别进入一个Y型光耦合器，两路光分别产生干涉，形成两路干涉条纹。

5.如权利要求1或2所述的角速率传感器，其特征在于：驱动臂、敏感臂同支持体衔接点到质量块质量中心的距离等于振动时的半个波长或波长的倍数。

6.如权利要求1或2所述的角速率传感器，其特征在于：驱动臂和敏感臂宽度相同，驱动臂同敏感臂之间的夹角为90度。

7.如权利要求1或2所述的角速率传感器，其特征在于：驱动臂和振动质量块构成的传感器驱动轴满足如下动力学方程：

$\{(I_{\mathrm{\θ}}+I_p)\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\θ}}\frac{\∂}{\∂t}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ}}\}\mathrm{\θ}=\mathrm{\τ}+2\mathrm{\Ω}{I}_p\frac{\∂}{\∂t}\mathrm{\φ}$

由敏感臂和振动质量块构成的传感器敏感轴满足动力学方程：

$\{(I_{\mathrm{\φ}}+I_p)\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\φ}}\frac{\∂}{\∂t}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\}\mathrm{\φ}=-2\mathrm{\Ω}{I}_p\frac{\∂}{\∂t}\mathrm{\θ}$

其中，I_θ， I_φ和I_p表示振动质量块系统分别绕驱动轴、敏感轴和质量块的惯性分量。γ_θ和γ_φ表示驱动轴、敏感轴的阻尼，κ_θ和κ_φ表示扭矩弹性常量，τ为施加到驱动轴的扭力，角速率为Ω。

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