CN107462235A - 基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，主要结构包括上基板、定光栅层、敏感机构、下基板，上基板设置有四个光电探测阵列，敏感机构包括支撑框体、检测梁、连接梁、质量块、动光栅，定光栅层设置有四个定光栅，下基板设置有四个激光光源，质量块上设置动光栅，此装置结构无需驱动电路，采用离心力驱动质量块产生微位移，采用光学莫尔条纹检测微位移，结构合理紧凑，检测方便，检测精度高，灵敏度高，分辨率高，无正交误差、偏移输出等问题，测量精度较现有技术可提高一个数量级别，检测数据翔实、准确，可靠性好。

Description

基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器

技术领域

本发明涉及一种基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，属微惯性导航技术相关领域。

背景技术

微机械角速率传感器是二十世纪八十年代初发展起来的军民两用高新技术，与传统的角速率传感器相比，它具有体积小、功耗低、成本低、易批量化生产、灵敏度高、抗过载能力强、动态范围大和可集成性好等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，总体性能大幅提升，符合产品信息化发展方向.此外，随着MEMS技术的不断提高，测量全空间角速率的单片集成三轴角速率传感器已成为发展的必然趋势。

目前，微机械角速率传感器主流方式是通过电容极板带动质量块谐振或角振动，但是由于加工工艺存在误差，使得角速率传感器无法达到最初设计时的对称性，由结构误差产生的驱动模态能量耦合到检测模态会直接使输出产生较大噪声，而补偿由加工带来的误差一般为表头放置检测模块由次级电路输出相应补偿，这样给次级处理电路设计带来巨大难题，成本较高。另外，谐振式微机械角速率传感器受到外部振动的干扰较大目前并未出现有效的片内解决方案。本设计采用离心力驱动质量块产生微位移，有效降低了由加工误差产生的正交耦合误差及由外部振动造成的输出失真。

按照传感器检测方式的不同，微机械角速率传感器有电容检测式、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性能带来一定的影响，为了减小寄生电容的影响，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角速率传感器，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角速率传感器。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，但在角速率传感器未见报道。

现有技术中，一种基于电容检测方式的微机械离心式陀螺(申请号：CN201110190016.X)，本发明与之比较采用莫尔条纹检测方式，光栅细分电路的细分倍数及跟踪速度尚有很大提升空间，而电容检测的接口电路的分辨率已经处于检测极限，精度很难再往上提升；另外本发明设计的检测组合梁通过巧妙的梁设计可降低检测误差，结构简单，与其中心位置设有锚点，通过四组弹性梁连接四个质量块，在结构上完全不同，可以看出本发明的实用性和前景更加宽广。

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，设计一种微型角速率传感器的低噪声的、用光学莫尔条纹进行检测的装置，以大幅度降低角速率传感器的噪声水平，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：上基板1、动光栅层2、定光栅层3、下基板4、光电探测器10、检测梁2041、联接块2042、质量块203、动光栅200、上下基板凸台11、41、激光光源401、导线组成；上基板1通过上基板凸台11与动光栅层2粘结牢固，动光栅层2通过支撑框架21与定光栅层3上表面粘结牢固，定光栅层3下表面与下基板4通过下基板凸台41粘结牢固。

所述上基板1为方形，材料为硅，前后左右对称设置四个光电探测器10，并粘结牢固，在第一光电探测器101左右分别设置导线，在第二光电探测器102前后分别设置导线。

所述动光栅层2为方形，包括支撑框架21和检测机构，支撑框架21通过联接块2042与敏感机构连接，敏感机构设有检测机构204、205，质量块203，动光栅200，检测机构204、205通过检测梁2041与质量块203联接，质量块203中心位置设置动光栅200。

所述检测机构204、205设有联接块2042，检测梁2041，其中检测梁2041、联接块2042串联构成折叠梁结构。

所述定光栅层3为方形，在定光栅层3的前后左右对称设置定光栅301、302。

所述的下基板4为方形，材料为硅，在下基板4的上表面前后左右对称设置四个激光光源40，并粘结牢固，激光光源40正负极由导线引出。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，采用莫尔条纹光栅检测方式，四周质量块中央设置动光栅，由离心力引起的质量块带动光栅做面内移动，定光栅与动光栅之间的间距不变相对位置改变，光电探测器件接受到光强产生变化，使输出的电学特性发生变化，根据双层光栅衍射的光强变化量即可得到角速率的大小。双层光栅衍射的光强变化量即可得到角速率的大小。并能同时检测空间内三个轴向的角速率；该角速率传感器易于单片集成化、精度高、寿命长，适于推广应用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构主视图；

图3为本发明上基板结构示意图；

图4为本发明上基板仰视图；

图5为本发明动光栅层结构示意图；

图6为本发明动光栅层俯视图；

图7为本发明定光栅层结构示意图；

图8为本发明定光栅层俯视图；

图9为本发明下基板结构示意图；

图10为本发明下基板俯视图；

图11为本发明敏感机构结构示意图；

图12为本发明敏感机构俯视图；

图13为本发明检测机构俯视图；

图14为本发明光栅结构示意图；

图15为本发明光栅剖视图；

图中所示，附图标记清单如下：

1-上基板；2-动光栅层；3-定光栅层；4-下基板；10-光电探测器；11-上基板凸台；21-支撑框架；40-激光光源；41-下基板凸台；101-第一光电探测器；101a-探测器第一输入导线；101b-探测器第一输出导线；102-第二光电探测器；102a-探测器第二输入导线；102b-探测器第二输出导线；200-动光栅；201-第一敏感机构；202-第二敏感机构；203-质量块；204-第一检测机构；205-第二检测机构；301-第一定光栅；302-第二定光栅；401-第一激光光源；401a-光源第一输入导线；401b-光源第一输出导线；402-第二激光光源；402a-光源第二输入导线；402b-光源第二输出导线；2001-动光栅栅线；3001-定光栅栅线；2041-检测梁；2042-联接块；a-动光栅栅线狭缝；b-定光栅栅线狭缝；c-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，需要理解的是，术语“中心”、“中央”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此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。

如图1所示，为本发明所提供的莫尔条纹离心式三轴角速率传感器，所述三轴角速率传感器包括一个上基板1、一个动光栅层2、一个定光栅层3、及一个下基板4，所述上基板1、动光栅层2、定光栅层3、及下基板4自上至下依次叠层设置；

所述三轴角速率传感器整体呈正方体型，但不限于正方体型；

如图2所示，具体为所述上基板1整体为长方形板状结构，或正方形板状结构，本发明采用为正方形板状结构，所述上基板1的四个角落处面向动光栅层2的一侧上分别延伸出上基板凸台11，所述上基板凸台11的数量为四个，所述上基板凸台11将所述上基板11支撑在所述动光栅层2上侧面；

所述动光栅层2与所述上基板1的整体形状一致，所述动光栅层2的四个角落处具有向下延伸的支撑框架21，所述支撑框架21与所述上基板凸台11的位置相互对应；

所述下基板4及定光栅层3与所述上基板1的整体形状一致，在所述下基板的四个角落处面向定光栅层3的一侧上分别延伸出下基板凸台41，所述下基板凸台41与所述支撑框架21位置相互对应，并所述下基板凸台41的数量为4个，所述定光栅层3的四个角落同时被相互对应的支撑框架21及下基板凸台41呈夹持状，并固定；

在上述的连接点或固定点处均采用表面粘结固定；

所述上基板1面向动光栅2的一侧设置有多个光电探测器10；

在所述下基板4面向定光栅3的一侧设置有多个激光光源40；

所述光电探测器10与所述激光光源40的数量均为四个，并位置相互对应；所述激光光源40发射出的激光依次通过定光栅层3、动光栅层2，并由所述光电探测器10接收。

如图3、4所示，分别为上基板1的立体示意图及正视图，所述上基板1的光电探测器10包括两个过中心轴向方向上的第一光电探测器101，两个所述第一光电探测器101在竖直方向相互对应设置，并分别设置在上基板1边侧的中心位置上；

所述光电探测器10还包括第二光电探测器102，两个所述光电探测器102在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二光电探测器102的连线与两个所述第一光电探测器101的连线相互垂直；两个所述第二光电探测器102同样分别设置在所述上基板1边侧的中心位置处，然而该边侧与第一光电探测器101的边侧相互交叉相邻。

所述第一光电探测器101分别连接探测器第一输入导线101a，及探测器第一输出导线101b，所述输入及输出位置可置换；

所述第二光电探测器102分别连接探测器第二输入导线102a，及探测器第二输出导线102b，所述输入及输出位置可置换；

如图5、6所示，分别为动光栅层2的立体示意图及正视图，所述动光栅层2的任意一组相对两边上分别设置有第一敏感机构201，及另外一组相对两边上分别设置有第二敏感机构202；

所述第一敏感机构201及第二敏感机构202的数量均为两个，并所述第一敏感机构201与所述第一光电探测器101的位置上下相对；所述第二敏感机构202与所述第二光电探测器102的位置上下相对。

如图7、8所示，分别为定光栅层3的立体示意图及正视图，所述定光栅3的任意一组相对两边上分别设置有第一定光栅301，及另外一组相对两边上分别设置有第二定光栅302；

所述第一定光栅301及第二定光栅302的数量均为两个，并所述第一定光栅301与所述第一敏感机构201的位置上下相对，所述第二定光栅302与所述第二敏感机构202的位置上下相对。

如图9、10所示，分别为下基板4的立体示意图及正视图，所述下基板4的激光光源40包括两个过中心轴向方向上的第一激光光源401，两个所述第一激光光源401在竖直方向相互对应设置，并分别设置在下基板4边侧的中心位置上；

所述激光光源40还包括第二激光光源402，两个所述激光光源402在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二激光光源402的连线与两个所述第一激光光源401的连线相互垂直；两个所述第二激光光源402同样分别设置在所述下基板2边侧的中心位置处，然而该边侧与第一激光光源401的边侧相互交叉相邻。

所述第一激光光源401分别连接光源第一输入导线401a，及光源第一输出导线401b，所述输入及输出位置可置换；

所述第二激光光源402分别连接光源第二输入导线402a，及光源第二输出导线402b，所述输入及输出位置可置换；

相互对应的所述第一光电探测器101、第一敏感机构201、第一定光栅301及第一激光光源401处在同一竖直线上，依次上下对应。

如图11、12所示，为所述动光栅层2上的第一、二敏感机构201、202的细节示意图，所述第一、二敏感机构201、202均包括动光栅200，所述动光栅200设置在一个质量块203上，并具体设置在所述质量块203的中心位置处上，所述质量块203上下两端分别通过第一检测结构204及第二检测结构205连接在所述动光栅层2上；

具体为所述动光栅200与上、下的激光光源、定光栅及光电传感器处在同一竖直线上。

如图13所示，为所述检测结构俯视图，所述检测结构包括多个检测梁2041及联接块2042，检测梁2041通过联接块2042串联形成折叠梁结构，且可以串联或并联多次以实现不同的刚度要求，并联的特点是所有单梁都有自己的固定端和力的作用端；串联的特点是所有单梁共用一个固定端和一个力的作用端。并联梁的长度相同,总的横向尺寸增大,刚度系数变大；串联的横向尺寸不变,总长度增加,刚度系数变小。

如图14、15所示，所述动光栅200与所述的定光栅(301、302)上下平行排列，即动光栅200的每个动光栅栅线2001分别位于定光栅栅线3001上方，且动光栅与定光栅呈一定夹角，光栅间隙小于激光光源40的光波波长,激光光源40和光电探测器10分别位于动光栅200和定光栅(301、302)中心的正下方与正上方。

发明原理是：

角速率传感器敏感机构敏感到X轴角速率输入时会带动Y方向上的两个质量块做反向的面内运动，并由Y轴的一组光电探测阵列探测到的光强变化输出一对差模信号。角速率传感器敏感机构敏感到Y轴角速率输入时会带动X方向上的两个质量块做反向的面内运动，并由X轴的一组光电探测阵列探测到的光强变化输出一对差模信号。角速率传感器敏感机构敏感到Z轴角速率输入时会带动X与Y方向上的两个质量块做反向的面内运动，并由X轴向与Y轴轴向的两组组光电探测阵列探测到的光强变化输出两组差模信号。需要说明，所述质量块连接框体所形成的梁结构可以回折多次以达到降低检测梁架构的刚度的目的。

光栅上平行等距的刻线称为栅线，其中透光的缝宽为b，不透光的缝宽为a。一般情况下，透光的缝宽与不透光的缝宽相等，即b＝a,d＝b+a称为光栅栅距，如果栅线间的夹角为θ，则光栅组透光部分呈菱形。当有光源照射光栅时，综合效果就是一组等间距亮带——形成了莫尔条纹.。

当两块迭合光栅沿着垂直于栅线方向相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线近似的方向作相应的移动，两块光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。如果不考虑光栅的衍射作用，又设它们的栅距相等，缝宽和线宽都相等，则根据简单的避光原理，在线重叠处两块光栅的栅线完全避光，透光量为0，在缝重叠处两块光栅栅线不彼此避光，通光量最大，此时光通过两光栅后的能量分布将是一个三角波，但实际上由于光的衍射作用，光能量分布是一个近似的正弦波。不难理解，当θ很小时，莫尔条纹的移动方向与光栅相对移动方向近似垂直,产生莫尔条纹的宽度W为：

莫尔条纹的移动量D及主、副光栅间相对位移x之间的关系为：

D＝kx

式中放大倍数k＝1/sin(2)。

单个光电元件只能接收固定点的莫尔条纹信号，通过判别明暗的变化而求得动光栅的位移量，由位移量的大小推得角速率的大小。

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 (8)

1.基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述离心式三轴角速率传感器包括：上基板、动光栅层、定光栅层及下基板，所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板依次叠层布置；

所述离心式三轴角速率传感器还包括莫尔条纹检测单元，所述莫尔条纹检测单元包括：光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源，所述光电探测器、动光栅、定光栅及激光光源分别设置在所述上基板、动光栅层、定光栅层及下基板上，同一个莫尔条纹检测单元内，所述光电探测器、动光栅、定光栅、及激光光源置于同一竖直线上；

所述动光栅布置在质量块上，所述质量块通过检测机构连接在动光栅层上；

所述动光栅的光栅布置方向与所述定光栅布置方向在同一水平面上存在角度。

2.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述离心式三轴角速率传感器呈正方体结构；

所述莫尔条纹检测单元的数量为四个，分别置于所述正方体结构的四个侧边上。

3.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述上基板的四个角落处面向动光栅层的一侧上分别延伸出上基板凸台，所述上基板凸台的数量为四个，所述上基板凸台将所述上基板支撑在所述动光栅层上侧面；

所述上基板的光电探测器包括两个过中心轴向方向上的第一光电探测器，两个所述第一光电探测器在竖直方向相互对应设置，并分别设置在上基板边侧的中心位置上；

所述光电探测器还包括第二光电探测器，两个所述光电探测器在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二光电探测器的连线与两个所述第一光电探测器的连线相互垂直；两个所述第二光电探测器同样分别设置在所述上基板边侧的中心位置处；

所述第一光电探测器分别连接探测器第一输入导线，及探测器第一输出导线，所述输入及输出位置可置换；

所述第二光电探测器分别连接探测器第二输入导线，及探测器第二输出导线，所述输入及输出位置可置换。

4.根据权利要求3所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述动光栅层与所述上基板的整体形状一致，所述动光栅层的四个角落处具有向下延伸的支撑框架，所述支撑框架与所述上基板凸台的位置相互对应；

所述动光栅层的任意一组相对两边上分别设置有第一检测机构，及另外一组相对两边上分别设置有第二检测机构；

所述第一检测机构及第二检测机构的数量均为两个，并所述第一检测机构与所述第一光电探测器的位置上下相对；所述第二检测机构与所述第二光电探测器的位置上下相对。

5.根据权利要求4所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述定光栅的任意一组相对两边上分别设置有第一定光栅，及另外一组相对两边上分别设置有第二定光栅；

所述第一定光栅及第二定光栅的数量均为两个，并所述第一定光栅与所述第一敏感机构的位置上下相对，所述第二定光栅与所述第二敏感机构的位置上下相对。

6.根据权利要求5所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述下基板及定光栅层与所述上基板的整体形状一致，在所述下基板的四个角落处面向定光栅层的一侧上分别延伸出下基板凸台，所述下基板凸台与所述支撑框架位置相互对应，并所述下基板凸台的数量为4个，所述定光栅层的四个角落同时被相互对应的支撑框架及下基板凸台呈夹持状，并固定；

所述下基板的激光光源包括两个过中心轴向方向上的第一激光光源，两个所述第一激光光源在竖直方向相互对应设置，并分别设置在下基板边侧的中心位置上；

所述激光光源还包括第二激光光源，两个所述激光光源在水平方向上相互对应设置，并两个所述第二激光光源的连线与两个所述第一激光光源的连线相互垂直；两个所述第二激光光源同样分别设置在所述下基板边侧的中心位置处，然而该边侧与第一激光光源的边侧相互交叉相邻；

所述第一激光光源分别连接光源第一输入导线，及光源第一输出导线，所述输入及输出可置换；

所述第二激光光源分别连接光源第二输入导线，及光源第二输出导线，所述输入及输出可置换。

7.根据权利要求4所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述第一检测机构和第二检测机构均包括多个检测梁及连接块；

所述检测梁与所述联接块串联形成折叠梁结构；

所述折叠梁结构形成至少一个回折结构。

8.根据权利要求5所述的基于莫尔条纹检测的离心式三轴角速率传感器，其特征在于，所述定光栅沿着垂直定光栅边侧的方向布置；

所述动光栅沿着非垂直动光栅层边侧的方向布置；

并动光栅与所述定光栅在水平方向上存在一个较小的角度，能够实现激光光源射出的光线产生莫尔条纹的效果。