CN104034322B - 光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置，它包括激光器、光强调制器、三维涡旋光阱系统、底座、平行光光源、微球转子、光电图像探测器、处理器、三维光阱稳定捕获系统；所述的三维涡旋光阱系统固定在底座上，激光器出射的激光经过光强调制器进入三维涡旋光阱系统，双折射石英微球通过三维光阱稳定捕获系统稳定捕获在待测物体转轴中心位置。本发明消除了一般测量加速度装置机械接触引起的误差，具有较高的测量精度，又可同时检测两个自由度的角速率，有利于降低微惯性测量单元的器件尺寸与成本。
Description
技术领域
本发明涉及测量角速度的装置，尤其是一种光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置。
背景技术
根据量子理论，光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子。当光子入射到介质表面发生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化。由动量守恒定律就可以推出，当光束入射微粒，光子的动量变化量就是微粒的动量变化量。所以光束对微粒存在力的作用，称为光辐射压。光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力。在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，即令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。研究表明，某些特殊光束（如圆偏振的拉盖尔-高斯光束）中光子携带轨道角动量，因而在与双折射粒子的力学相互作用中能将其轨道角动量传递给粒子，进而使粒子获得角动量而发生偏转。利用两条精确对准、相向传播的单模光纤出射涡旋光束，通过波长1/4玻片变光纤出射的线偏光为圆偏光，可以对双折射微粒产生转动力矩。改变两光纤中的光功率大小，就可以改变转动力矩的大小。
悬浮转子微陀螺的基本工作原理是利用高速旋转的转子的定轴性和进动性。悬浮转子在光学悬浮支承力的作用下悬浮在壳体的零位平衡位置，并在起旋光束的作用下绕其最大惯性主轴作高速自转。当外界施加负载角速度时，转子由于做高速旋转具备了陀螺效应而保持位置不变，而定子的位置随着外界负载发生变化，因此转子与定子之间的相对位置发生变化，转子偏离了相对平衡位置。当转子偏离相对平衡位置后，通过光电图像探测器采集随转动角度变化的光斑。通过检测光斑形状及光强分布，能获得外界负载角速度的相应信息，根据此角速度信息在定子上的涡旋光束施加相应的光强,根据陀螺的进动性,施加的涡旋光束能够使转子恢复到相对平衡位置，从而达到了对陀螺的反馈控制的作用,通过最终的调制光强变化可计算出角速度。
目前已经有众多关于角加速度的测试方法和装置。最普遍的原理就是利用振动式陀螺仪测量角速度。振动式陀螺仪基本上都是利用振动机械元件作为检测质量，基于科氏加速度引起的结构激振模态和检测模态之间能量的转移来检测角速度。根据机械振动工作原理，激励驱动模态和检测模态要进行精密的频率调谐，因而振动式微机械陀螺仪有如下缺点：1 )检测质量通常通过连附于衬底上的挠性支撑梁支悬,为使支悬振动结构的两种振动模态达到良好匹配,支撑结构需进行对称设计和三维微加工,技术难度和耗费大。2) 连附于衬底上的支悬振动结构使得陀螺器件的性能精度受制造缺陷的影响较大,因而器件机械弹簧常数的设计精度很难保证,并且存在机械耦合正交误差问题。3 )为提高振动速率陀螺的灵敏度,要求激励驱动模态和检测模态的谐振频率匹配,因而除了降低系统响应的带宽外,还会相应地使系统响应对由于制造缺陷、环境条件变动引起的系统参数变化变得很敏感，很容易使驱动模态或检测模态的固有频率发生变化。以上种种均制约了振动式陀螺仪的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有机械陀螺测量角速度的不足，提出了一种光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置，提高了角速度测量精度，又可同时检测两个自由度的角速度，有利于降低微惯性测量单元的器件尺寸与成本。
光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置，包括激光器、光强调制器、三维涡旋光阱系统、底座、平行光光源、微球转子、光电图像探测器、处理器、三维光阱稳定捕获系统；所述的三维涡旋光阱系统固定在底座上，激光器出射的激光经过光强调制器进入三维涡旋光阱系统，三维涡旋光阱系统是由三组互相正交的单模光纤对组成，所述的单模光纤对均由两条相向且对准较好的单模光纤组成，单模光纤的尾纤端面都贴上波长1/4玻片，输出端分别固定在底座上，两单模光纤的输出端面间保持间隔，在间隔的正中间放置一个所述的微球转子，微球转子通过三维光阱稳定捕获系统稳定捕获在待测物体转轴中心位置，平行光光源位于微球转子的下方，光电图像探测器位于微球转子的上方，平行光光源发出的光透过微球转子后由光电图像探测器采集，光电图像探测器与光强调制器分别和处理器相连。
所述的微球转子为表面光学处理过的球状双折射粒子，半径在2~500微米，质量在10-11~10-4克，微球转子通过光刻技术在其表面溅射上一些不透明对称图案，所述的不透明对称图案能使平行光照射微球转子后在光电图像探测器上形成光斑形状并对微球转子绕其自转轴以外的轴旋转角度矢量敏感的图案。
所述的三维光阱稳定捕获系统采用六根单模光纤输出在三维方向上相对的三对，基模高斯捕获光使微球转子稳定在转轴中心处，并实时调制捕获光光强使得在有外界线加速度时微球转子仍然稳定在相对平衡位置，并使微球转子偏离三维光阱稳定捕获系统的光阱中心的距离在1微米以内。
所述的三维涡旋光阱系统的输出端面的间隔为50~800微米，所述的波长1/4玻片主轴与出射线偏光偏振方向成45度，以保证输出圆偏振光能够对微球转子传递自旋角动量。
所述的微球转子质量分布均匀，旋转中心与光刻图案中心重合，采用双折射晶体材料以满足能传递自旋角动量，确保微球转子的几何中心与待测物体的旋转轴重合。
所述的三维涡旋光阱系统的光束与微球转子满足光束携带旋转角动量并可以与微球转子发生作用转移旋转角动量致微球转子旋转，光束的产生方式包括利用计算全息光栅对线偏振激光进行变换、螺旋位相片法、旋转Dove棱镜法、激光器腔内生成法、1/4玻片法，对双折射粒子包括石英、冰洲石、PMDA/TFDB粒子的致旋作用，以及不对称光阱对不对称微粒的致旋作用。
所述的三维光阱稳定捕获系统的三对单模光纤的尾纤与三维涡旋光阱系统的三对单模光纤的尾纤之间有夹角，以便于两个光阱系统的安装，三维涡旋光阱系统安装时须保证起旋涡旋光光纤的起旋方向与待测物体的旋转主轴一致。
本发明的有益效果，具有振动式微机械陀螺仪所不具有的优势：
1）转子通过光学悬浮的方式支撑，无机械接触，免除了转子与主轴连接处的磨损以及框架支承的损耗引入的误差，因此可以达到较高精度。
2）转子系统置于真空环境中，这样就克服了空气阻力，同时排除了振动式微陀螺所具有的正交误差问题，无需频率调谐。
附图说明
图1是本发明光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置的结构示意图。
图2是微球转子的光阱示意图，包含三维稳定捕获光阱、三维涡旋光束光阱以及旋转姿态测量系统。
图3是光学悬浮转子微陀螺的力平衡反馈式工作原理。
图中，激光器1、光强调制器2、三维涡旋光阱系统3、底座4、平行光光源5、微球转子6、光电图像探测器7、处理器8、三维光阱稳定捕获系统9。
具体实施方式
参照图1，光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置，包括激光器1、光强调制器2、处理器8以及底座4、固定在底座上的三维涡旋光阱系统3、平行光光源5、光电图像探测器7、三维光阱稳定捕获系统9以及真空悬浮的微球转子6。微球转子6放置在三维光阱稳定捕获系统9以及三维涡旋光阱系统3的正中心，保证起旋的涡旋光束提供的角速度矢量方向与被测物体旋转主轴一致。三维光阱稳定捕获系统9相对的两光纤端面距离在50到800微米之间，通过精确调制反馈光强使得粒子偏离中心位置的误差控制在1微米以内。用来起旋以及提供进动角速度外力矩的三维涡旋光阱系统3要求起旋光束光纤端面距离比较近，比微球转子直径大20到100微米，而提供进动角速度外力矩的光束光纤端面距离在50到800微米以内，微球转子（粒子）可采用具有透光性、表面平整度较好且易于光学表面处理的双折射圆球，如石英微球，半径在2~500微米，质量在10-11~10-4克，具体要求还可以根据微球转子的双折射折射率特性、密度、光束模场类型及功率要求进一步做优化设计。
根据光阱力对粒子的捕获原理，通过三维光阱稳定捕获系统9使得粒子稳定悬浮在待测物体旋转轴主轴上。这里的粒子就是真空环境中的微球转子6，微球进行光学表面处理，在其表面形成不透光图案，且使图案相对于旋转轴主轴中心对称，这主要是为了在微球的转动姿态测量中能得到对应不同转动姿态有不同的成像光斑。通过下方的平行光光源5沿着平行于旋转轴主轴往上入射，在上方的光电图像探测器7上采集光斑形状及光场强度分布，并通过处理器8计算出微球的转动角方向及大小。在三维涡旋光阱系统3某一维方向上通过施加高功率涡旋光束使得微球转子6绕被测物体旋转主轴（设为z轴）高速起旋，此时关闭起旋的涡旋光束光源，当有外界角速度输入且角速度矢量有垂直于z轴的分量时，微球转子6由于做高速旋转具备了陀螺效应而保持位置不变，而定子的位置随着外界负载发生变化，因此微球转子6与定子之间的相对位置发生变化，微球转子6偏离了相对平衡位置。当微球转子6偏离相对平衡位置后，在光电图像探测器7上实时采集微球转子6的光斑位置信息来粗略判定微球转子6的转动角度及其方向，并以此为反馈信息来调制除z轴以外另外两个方向上涡旋光束的光强大小使得涡旋光束对微球转子6产生外力矩矢量，根据陀螺的进动性，此时微球转子6将产生一个与自转轴及外力矩矢量轴相垂直的进动角速度，根据力矩再平衡原理可使微球转子6恢复到相对平衡位置，通过此时调制漩涡光束的光强变化来计算转动角速度。通过此方法可同时测量两个正交方向上的角速度。
图3描述了光学悬浮转子微陀螺的力平衡反馈式工作原理，在以涡旋光阱力平衡反馈模式工作时，转子始终跟踪壳体的转动，当壳体连接的载体发生转动角α时，转动姿态测量单元通过光学成像法测量出将角位移，然后通过处理器8将其转化为光强调制信号信号，进入光强调制器2，光强调制器2调制涡旋光束光功率产生相应的光功率力矩 M，以驱动微球转子6转动以保持与壳体的平行。在控制过程中，调制后产生外力矩的涡旋光束光功率的大小与壳体转动的角速度大小成比例。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置，其特征是，所述的装置包括激光器(1)、光强调制器(2)、三维涡旋光阱系统(3)、底座(4)、平行光光源(5)、微球转子(6)、光电图像探测器(7)、处理器(8)、三维光阱稳定捕获系统(9)；所述的三维涡旋光阱系统(3)固定在底座(4)上，激光器(1)出射的激光经过光强调制器(2)进入三维涡旋光阱系统(3)，三维涡旋光阱系统(3)是由三组互相正交的单模光纤对组成，所述的单模光纤对均由两条相向且对准较好的单模光纤组成，单模光纤的尾纤端面都贴上波长/4玻片，输出端分别固定在底座(4)上，两单模光纤的输出端面间保持间隔，在间隔的正中间放置一个所述的微球转子(6)，微球转子(6)通过三维光阱稳定捕获系统(9)稳定捕获在待测物体转轴中心位置，平行光光源(5)位于微球转子(6)的下方，光电图像探测器(7)位于微球转子(6)的上方，平行光光源(5)发出的光透过微球转子(6)后由光电图像探测器(7)采集，光电图像探测器(7)与光强调制器(2)分别和处理器(8)相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的微球转子(6)为表面光学处理过的球状双折射粒子，微球转子(6)质量分布均匀,半径在2~500微米，质量在10-11~10-4克，微球转子(6)通过光刻技术在其表面溅射上一些不透明对称图案，所述的不透明对称图案是能使平行光照射微球转子(6)后在光电图像探测器(7)上形成对微球转子(6)绕其自转轴以外的轴旋转角度矢量敏感的光斑形状的图案, 旋转中心与光刻图案中心重合, 并确保微球转子(6)的几何中心与待测物体的旋转轴重合。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的三维光阱稳定捕获系统(9)采用六根单模光纤输出在三维方向上相对的三对基模高斯捕获光使微球转子(6)稳定在转轴中心处，并实时根据微球转子（6）的位置信息调制捕获光光强使得在有外界线加速度时微球转子(6)仍然稳定在相对平衡位置，并使微球转子(6)偏离三维光阱稳定捕获系统(9)的光阱中心的距离在1微米以内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的三维涡旋光阱系统(3)的输出端面的间隔为50~800微米，所述的波长1/4玻片主轴与出射线偏光偏振方向成45度，以保证输出圆偏振光能够对微球转子(6)传递自旋角动量。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的三维涡旋光阱系统(3)的光束与微球转子(6)满足光束携带旋转角动量并可以与微球转子(6)发生作用转移旋转角动量致微球转子(6)旋转，光束的产生方式包括利用计算全息光栅对线偏振激光进行变换、螺旋位相片法、旋转Dove棱镜法、激光器腔内生成法、1/4玻片法，对双折射粒子包括石英、冰洲石、PMDA/TFDB粒子的致旋作用，以及不对称光阱对不对称微粒的致旋作用。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的三维光阱稳定捕获系统(9)的三对单模光纤的尾纤与三维涡旋光阱系统(3)的三对单模光纤的尾纤之间有夹角，以便于两个光阱系统的安装，三维涡旋光阱系统(3)安装时须保证起旋涡旋光光纤的起旋方向与待测物体的旋转主轴一致。
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20161130 Termination date: 20200619 |