CN107449412A - 基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置 - Google Patents

Abstract

一种基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，主要结构包括下基板、键合框体、上基板、驱动磁体、检测磁体、定光栅、驱动质量块、检测质量块、弹性梁、动光栅组成，下基板对称设置矩形驱动磁体、检测磁体、2个定光栅，键合框体固定连接上基板和下基板，上基板设置驱动机构、检测机构、驱动质量块、检测质量块，检测质量块中心设置可动光栅，此装置结构新颖可起到自解耦效果，利用莫尔条纹检测微弱柯式力，具有灵敏度高、精度高、噪声小、不受温度影响，检测数据准确、可靠性好。

Description

基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置

技术领域

本发明涉及一种基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，属航空飞行器的测量仪器仪表零部件的相关领域。

背景技术

陀螺仪是一种能够敏感载体角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。

对于硅微陀螺仪而言，正交误差是影响其性能的重要因素。在理想情况下，当没有角速度输入时，单纯的驱动运动不会耦合到检测方向，相似地，单纯的检测运动也不会导致驱动方向的运动。但是由于加工误差的必然存在，在没有解耦的情况下，驱动运动和检测运动之间会相互影响，即使在没有角速度输入的情况下，检测方向也会存在位移，这就是正交误差产生的主要原因。在有角速度输入时，检测运动也会带动驱动机构运动，进而导致驱动运动的不稳定。本发明设计的解耦结构是一种减少驱动和检测模态之间相互影响的有效方式。解耦的原理就是通过合理地选择和布局支承梁、驱动机构、检测机构及质量块，用以限制驱动机构只沿驱动方向运动，限制其检测方向、平面外方向等其它方向的运动，同时限制检测机构只沿检测方向运动，限制其驱动方向、平面外方向等其它方向的运动，从而有效地减少耦合误差。

按照传感器检测方式的不同，微机械陀螺仪有电容检测式、压电检测式等多种类型。在众多检测方式中，以电容检测式微机械陀螺仪的发展最为迅速并成为主流检测方式。但是，传感器内部的寄生电容会对电容检测式微陀螺的性能带来一定的影响，为了减小寄生电容的影响，因此对接口电路的检测精度和抗干扰能力提出了较高的要求。并且电容式微机械陀螺的量程与精度为一对矛盾无法兼顾，因此必须研制适应高新技术的能突破极限状态的全新的微机械陀螺，本设计采用的莫尔条纹检测离心力产生的微位移，就是一种既拥有高位移灵敏度，又可兼顾大量程的新型微机械陀螺。目前莫尔条纹已经广泛用于精密位移测量、自动定位、跟踪测试和光学信息处理等领域。但未见其运用于微机械陀螺领域。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种采用莫尔条纹检测的自解耦微机械陀螺装置，以大幅度降低微陀螺仪的耦合误差，提高检测精度，使检测数据更加准确、翔实、可靠。

技术方案

本发明主要结构由：下基板、定光栅、驱动磁体、检测磁体、键合框体、上基板、驱动机构、检测机构、驱动质量块、检测质量块、动光栅组成；下基板3通过键合框体2与上基板1粘结牢固。

所述上基板1为矩形，中心设置驱动质量块20，在驱动质量块20前后设有驱动机构14、15、16、17，左右设置检测质量块18、19，检测质量块前后设有检测机构10、11、12、13，检测质量块18、19中心位置分别设有动光栅4、5。

所述键合框体2，用于连接固定上下基板，并为定光栅6、7和动光栅4、5提供光栅间隙c。

所述下基板3为矩形，左右对称设置驱动磁体9、检测磁体8、并粘结牢固，定光栅6、7。

所述驱动机构14、15、16、17与检测机构10、11、12、13同为回折梁结构，主要结构由：联接块24、25，弹性梁22、23组成。

激光光源，激光光源位于定光栅中心正下方，用于为光栅敏感结构提供稳定波长和功率的光源；

光电探测器，光电探测器件位于可动光栅中心正上方，用于检测透过光栅幅的光束强度变化，并将光强变化转换为电信号；

信号检测模块，信号检测模块将电信号转化为对应的角速度信号。

有益效果

根据本发明实施例的微机械陀螺仪，采用整体对称结构设计，结构设计紧凑合理，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。中心的驱动质量块在电磁力的作用下水平谐振，当有角速度输入时，质量块带动可动光栅发生检测方向位移，导致两层光栅水平相对位置发生变化，透射光强将发生剧烈变化，由光电探测器将该变化转化为电信号。相对于电容式检测，光学效应可以将微机械陀螺仪的灵敏度提高1-2个数量级。除以上特点外，该微陀螺应用电磁驱动，避免了复杂的梳齿结构，增加了驱动位移从而使得柯氏效应更加明显，且光学检测电路较电容式的设计简单、可靠性好、抗电磁干扰能力强。

附图说明

图1为整体结构局部剖视图；

图2为整体结构示意图；

图3为整体结构主视图；

图4为上基板结构示意图；

图5为上基板俯视图；

图6为键合框体结构示意图；

图7为下基板俯视图；

图8为下基板左视图；

图9为下基板主视图；

图10为回折梁结构示意图；

图11为回折梁俯视图；

图12为双层光栅俯视图；

图13为双层光栅结构示意图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、上基板，2、键合框体，3、下基板，4、动光栅，5、动光栅，6、定光栅，7、定光栅，8、检测磁体，9、驱动磁体，10、检测机构，11、检测机构，12、检测机构，13、检测机构，14、驱动机构，15、驱动机构，16、驱动机构，17、驱动机构，18、检测质量块，19、检测质量块，20、驱动质量块，21、动光栅栅线，22、定光栅栅线，23、弹性梁，24、弹性梁，25、联接块，26、联接块，a、动光栅栅线狭缝，b、定光栅栅线狭缝，c、双层光栅间隙。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1、2、3所示，为本发明整体结构图，上基板1通过键合框体2与下基板3粘结牢固。

图4、5所示，为本发明上基板1示意图，上基板1左右对称设置检测质量块18、19，中央设置驱动质量块20，检测质量块18前后对称设置检测机构10、11，中央设置动光栅4，检测质量块19前后对称设置检测机构12、13，中央设置动光栅5，驱动质量块20前后左右对称布置驱动机构14、15、16、17。

图7、8、9所示，为本发明下基板3示意图，下基板3左右对称设置固定光栅6、7，中心位置对称设置驱动磁体8、检测磁体9。

图10、11所示，本发明驱动机构与检测机构结构相同，同为回折梁结构，联接块25与联接块26连接固定，联接梁26左右部与弹性梁23、24连接固定。

图12、13所示，为本发明光栅示意图，动光栅栅线21沿水平分布，动光栅栅线狭缝宽度为a，定光栅栅线22方向与动光栅栅线21呈一定角度，所述角度能够使得动光栅4、5及固定光栅6、7配合产生莫尔条纹，定光栅栅线狭缝宽度为b，动光栅与定光栅的光栅间隙为c。

所述驱动质量块20四个边角通过驱动机构14、15、16、17连接在所述检测质量块18、19上；

所述检测质量块18、19的两端通过检测机构10、11、12、13连接在上基板1上；

所述驱动磁体9及检测磁体8分别对应所述驱动质量块20面向检测质量块18、19方向上两个边侧的驱动机构(14、15或16、17)。

四个所述驱动机构14、15、16、17的布置方向均相互平行，平行方向为第一方向，并在同一方向上的同一边侧驱动机构(14、15或16、17)布置在同一直线上；

所述驱动机构14、15、16、17的布置方向为驱动机构弹性梁的布置方向。

所述检测机构10、11、12、13均布置在第二方向上，并所有所述检测机构10、11、12、13之间相互平行布置，所述第二方向上同一边侧的检测机构10、11、12、13布置在同一直线上；所述第一方向与所述第二方向相互垂直，

所述检测机构10、11、12、13的布置方向为检测机构弹性梁的布置方向。

所述检测机构10、11、12、13布置在所述检测质量块18、19在第一方向上的两端；

同时所述四个所述驱动机构14、15、16、17与所述四个所述检测机构10、11、12、13位置相邻并相对。

所述动光栅4、5设置在检测质量块18、19中心处；

所述动光栅4、5包括多个动光栅栅线21，任意一个动光栅栅线21布置方向与第二方向平行，多个所述动光栅栅线21中心点处于平行第一方向的直线上。

所述驱动磁体9与在第一方向上的一边侧驱动机构16、17位置相对；

所述检测磁体8与第一方向上的另一边侧驱动机构14、15位置相对。

所述驱动机构14、15、16、17及检测机构10、11、12、13均为回折梁结构；

包括两个弹性梁23、24及两个联接块25、26，其中一个联接块25一端连接在另一个连接块26中部，并该另一连接块26两端分别连接与第一个连接块25同一方向上的两个所述弹性梁23、24。

发明原理是：

电磁力驱动下驱动质量块在X方向谐振。而与X轴平行的4组检测机构在X方向的刚度很大，限制了动光栅在X方向的位移，驱动质量块具有X-Y两个方向的自由度。当有Z方向的角速度输入时，由于哥氏力的作用，检测质量块将带动动光栅在Y方向振动，通过左右两组动光栅在Y方向振动位移，使动光栅相对与定光栅间相对位置发生变化，用激光光源照射双层光栅，相对位置的变化将导致光电探测器接收到的的能量改变，这样就可把一个微弱的柯氏力信号转化为一个较大的光学信号，通过光电探测器即可将光学信号转换为电学信号，通过接口电路拾取信号，经过解调、放大、滤波、调零输出即可获得角速度的信息。

莫尔条纹信号细分技术的纳米级测量精度光栅传感器，理论计算和仿真证明能够达到纳米级测量精度。光线先入射定光栅，定光栅在入射光的作用下发生一次衍射，形成的一次莫尔条纹再入射到动光栅形成二次莫尔条纹，在光的接收面上将发生干涉现象。通过二次莫尔条纹进一步对一次莫尔条纹进行了光学放大。

一次莫尔条纹宽度为：

二次莫尔条纹宽度为：

定光栅栅线与动光栅栅线的夹角均为θ₁，一般θ₁很小；两组一次莫尔条纹栅线的夹角为θ₂；d为光栅栅距。用电子学的技术对二次莫尔条纹进行电子学细分，可以得到比二次莫尔条纹更高的细分测量分辨力。光栅上刻有规则排列的规则形状的刻线，刻线有透光的和不透光的、或者全部透光的、或者对光反射和不反射的，光栅刻线也称栅线。

如图12、13所示为两块黑白型长光栅，透光的缝宽为a，不透光部分为动光栅栅线宽度，其中一块旋转角度为θ，两光栅的栅距可以相等也可以不等。将两块光栅相叠合，则两光栅栅线的夹角为θ，在垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹即为光栅莫尔条纹。当两块光栅沿着垂直于栅线的方向作相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线近似相同的方向上相应的移动，光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹则相应地移过一个条纹间距。莫尔条纹的移动使光电元件输出一个电信号周期，这时如果可以期的电信号分成n个周期，那么可以得到的位置分辨力将为光栅周期的1/n。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述自解耦微陀螺装置包括：

上基板，所述上基本中心布置驱动质量块，在所述驱动质量块的任意相对两侧设置检测质量块，所述检测质量块中心处布置有动光栅；

键合框体；

下基板，所述下基板通过键合框体与所述上基板相互固定，所述下基板上设置有驱动磁体、检测磁体及定光栅；

所述定光栅与所述动光栅位置相对，并所述动光栅布置方向与所述定光栅布置方向在同一水平面存在角度。

2.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述驱动质量块四个边角通过驱动机构连接在所述检测质量块上；

所述检测质量块的两端通过检测机构连接在上基板上；

所述驱动磁体及检测磁体分别对应所述驱动质量块面向检测质量块方向上两个边侧的驱动机构。

3.根据权利要求2所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，四个所述驱动机构的布置方向均相互平行，平行方向为第一方向，并在同一方向上的同一边侧驱动机构布置在同一直线上；

所述驱动机构的布置方向为驱动机构弹性梁的布置方向。

4.根据权利要求3所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述检测机构均布置在第二方向上，并所有所述检测机构之间相互平行布置，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，所述第二方向上同一边侧的检测机构布置在同一直线上；

所述检测机构的布置方向为检测机构弹性梁的布置方向。

5.根据权利要求4所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述检测机构布置在所述检测质量块在第一方向上的两端；

同时所述四个所述驱动机构与所述四个所述检测机构位置相邻并相对。

6.根据权利要求5所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述动光栅设置在检测质量块中心处；

所述动光栅包括多个动光栅栅线，任意一个动光栅栅线布置方向与第二方向平行，多个所述动光栅栅线中心点处于平行第一方向的直线上。

7.根据权利要求6所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述驱动磁体与在第一方向上的一边侧驱动机构位置相对；

所述检测磁体与第一方向上的另一边侧驱动机构位置相对。

8.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述驱动机构及检测机构均为回折梁结构；

包括两个弹性梁及两个联接块，其中一个联接块一端连接在另一个连接块中部，并该另一连接块两端分别连接与第一个连接块同一方向上的两个所述弹性梁。

9.根据权利要求7所述的基于莫尔条纹检测的自解耦微陀螺装置，其特征在于，所述定光栅包括定光栅栅线，所述定光栅栅线的布置方向与所述动光栅的布置方向，在同一水平面上具有角度。