CN110940327A - 一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构 - Google Patents

一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于微陀螺技术领域，具体涉及一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构，包括方形外壳，所述方形外壳的底部设置有磁铁，所述方形外壳的内部设置有质量块，所述质量块设置在磁铁的正上方，所述质量块的一侧布置有电磁驱动导线，所述质量块的另一侧布置有驱动反馈导线，所述质量块的顶部固定有反光镜，所述方形外壳的顶部设置有光栅，所述光栅的正上方设置有光纤准直器，所述光纤准直器的正上方设置有光纤环形器，所述光纤环形器的一侧设置有激光器，所述光纤环形器的另一侧设置有探测器。本发明能够提高其检测灵敏度和分辨率，并有利于微陀螺的微型化。本发明用于微陀螺角速度的测量。

Description

一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构
技术领域
本发明属于微陀螺技术领域，具体涉及一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构。
背景技术
随着前沿科技的飞速发展，在消费电子，汽车，微卫星，工业控制系统和惯性导航等领域，急需具有高精度、高分辨率和低噪声等优点的微陀螺仪。对于微陀螺而言，科里奥利力的检测是高精度微陀螺的关键技术，常见的检测方式有：电容式、压阻式以及石英式等。其中电容式检测目前发展最成熟，具有较高的测量精度，但随着陀螺仪的进一步小型化时，很容易受到电磁干扰，并且梳状电压容易遭到破坏，所以分辨率已经到达极限，无法再提高，光栅式检测与电容式检测相比，不存在因陀螺小型化引起精度变化的现象，其光栅常数越小，光栅式陀螺的分辨率就越高；压阻式检测因固有温度显著而限制了其应用，难以再提高其灵敏度，而光栅式检测与压阻式检测相比，具有较高的灵敏度，温度变化对其灵敏度的影响也很微小；石英式检测制作简单，成本低，但由于材料限制，在光轴上没有压电效应，光栅式检测与石英式检测相比，光栅式检测具有更高的检测灵敏度，并且具有更好的稳定性，更低的成本等优点，所以微陀螺采用光栅式检测，能够提高其检测灵敏度和分辨率，并有利于微陀螺的进一步微型化。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、灵敏度高、稳定性强的基于离面运动的单光栅微陀螺结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构，包括方形外壳，所述方形外壳的底部设置有磁铁，所述方形外壳的内部设置有质量块，所述质量块设置在磁铁的正上方，所述质量块的一侧布置有电磁驱动导线，所述质量块的另一侧布置有驱动反馈导线，所述质量块的顶部固定有反光镜，所述方形外壳的顶部设置有光栅，所述光栅的正上方设置有光纤准直器，所述光纤准直器的正上方设置有光纤环形器，所述光纤环形器的一侧设置有激光器，所述光纤环形器的另一侧设置有探测器。
所述方形外壳的四角固定有四根支撑梁，所述支撑梁上固定有八根回折型驱动粱，所述质量块固定在回折型驱动粱上。
一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构的控制方法，包括下列步骤：
S1、定义光栅的法向方向为Z方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；
S2、通过电磁驱动导线通入交流电，在磁铁的作用下产生安培力驱动质量块在X轴上作稳幅谐振运动；
S3、引入一个绕Y轴的角速度，在竖直方向Z上会产生科里奥利加速度，科里奥利力作用在质量块上，使质量块在Z轴上发生位移；
S4、由光栅的干涉原理实现对该位移的测量，进而通过该位移与角速度的关系计算出角速度。
所述S4中测量位移的方法为：激光器发出的光通过光纤环形器和光纤准直器经光栅发生衍射，经反射镜反射后在光栅处又发生衍射，两次反射所得的0级光发生干涉，由两束光的光程差即两倍的光栅与反射镜的距离决定干涉后光的相位变化，干涉后生成的明暗相间的条纹由光纤收集器接收后再由光纤环形器改变光路使其由探测器接收，通过探测器上干涉条纹的变化实现对光相位的测量，进而可测得反射镜的位移。
所述S4中计算出角速度的方法为：科里奥利力作用质量块带动反射镜做离面运动，所以由位移量x与时间t的关系可算得加速度a，
Figure BDA0002314916720000031
由此可算出科里奥利力F大小，
F＝ma
其中，m为质量块质量，
科里奥利力又与角速度ω相关，
F＝2mrω2
其中，r为角速度半径，
所以可得位移与角速度关系为
Figure BDA0002314916720000032
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明通过光栅反射光与经反射镜反射后又经光栅的透射光相干涉产生的信号来进行对质量块的位移测量，而后经微陀螺的动力学分析计算出质量块位移与陀螺整体角速度的关系，最后实现光栅测量陀螺角速度。并且使用光栅测量原理中的零级衍射光作为检测光，用以提高光栅检测的灵敏度，进而提升光栅式陀螺的检测灵敏度，同时零级衍射系统结构简单，有利于微陀螺的微型化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明另一结构示意图；
图3为本发明光栅干涉原理结构图；
图4为本发明零级光强与微位移变化关系图；
其中：1为方形外壳，2为磁铁，3为质量块，4为电磁驱动导线，5为驱动反馈导线，6为反光镜，7为光栅，8为光纤准直器，9为光纤环形器，10为激光器，11为探测器，12为支撑梁，13为回折型驱动粱，14为驱动粱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构，如图1图2所示，包括方形外壳1，方形外壳1的底部设置有磁铁2，方形外壳1的内部设置有质量块3，质量块3设置在磁铁2的正上方，质量块3的一侧布置有电磁驱动导线4，质量块3的另一侧布置有驱动反馈导线5，质量块3的顶部固定有反光镜6，方形外壳1的顶部设置有光栅7，光栅7的正上方设置有光纤准直器8，光纤准直器8的正上方设置有光纤环形器9，光纤环形器9的一侧设置有激光器10，光纤环形器9的另一侧设置有探测器11。
进一步，方形外壳1的四角固定有四根支撑梁12，支撑梁12上固定有回折型驱动粱13，质量块3固定在回折型驱动粱13上，质量块3的四周固定有驱动粱14，用以支撑质量3块作Z方向上的离面运动。
进一步，优选的，激光器10发出光的波长为0.635μm，激光器10的输出功率为1mW。
进一步，优选的，光栅7的光栅常数为0.8μm，光栅7的占空比为0.5。
一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构的控制方法，包括下列步骤：
S1、定义光栅的法向方向为Z方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；
S2、通过电磁驱动导线通入交流电，在磁铁的作用下产生安培力驱动质量块在X轴上作稳幅谐振运动；
S3、引入一个绕Y轴的角速度，在竖直方向Z上会产生科里奥利加速度，科里奥利力作用在质量块上，使质量块在Z轴上发生位移；
S4、由光栅的干涉原理实现对该位移的测量，进而通过该位移与角速度的关系计算出角速度。
进一步，S4中测量位移的方法为：激光器发出的光通过光纤环形器和光纤准直器经光栅发生衍射，经反射镜反射后在光栅处又发生衍射，如图3所示，两次反射所得的0级光发生干涉，由两束光的光程差即两倍的光栅与反射镜的距离决定干涉后光的相位变化，干涉后生成的明暗相间的条纹由光纤收集器接收后再由光纤环形器改变光路使其由探测器接收，通过探测器上干涉条纹的变化实现对光相位的测量，进而可测得反射镜的位移。
进一步，S4中计算出角速度的方法为：科里奥利力作用质量块带动反射镜做离面运动，所以由位移量x与时间t的关系可算得加速度a，
Figure BDA0002314916720000051
由此可算出科里奥利力F大小，
F＝ma
其中，m为质量块质量，
科里奥利力又与角速度ω相关，
F＝2mrω2
其中，r为角速度半径，
所以可得位移与角速度关系为
Figure BDA0002314916720000061
实施例
由本发明的控制方法可以看出，对陀螺仪角速度的测量实质就是对质量块微位移的测量，微位移的精度直接影响到微陀螺的精度。因此，位移检测效应即质量块位移与光强变化的灵敏度是核心检测参数，以下对位移检测效应灵敏度计算进行论述。
光学检测需要对衍射效率进行计算，基于标量衍射的夫琅禾费衍射公式，如图3所示，波长为λ的平面波入射至金属光栅表面，光栅与反射镜之间距离为d，光栅常数为a。
由夫琅禾费衍射理论可知，有
E(p)＝C∫F'e-jkpxdx (1)
其中，E(p)是衍射复振幅，F’是光栅的传递函数，C是归一化常数，p＝sinθi-sinθo，其中θo和θi分别为入射角和衍射角，
Figure BDA0002314916720000062
是波矢量。
由于光栅具有周期性，上式可表示为
Figure BDA0002314916720000063
式中F是一个光栅周期内的传递函数，N表示光栅的周期数，传递函数为
Figure BDA0002314916720000064
其中，角度值θ可由以下公式求得
Figure BDA0002314916720000065
本次设计中光源垂直于光栅入射，其入射角设为90°，故上式进一步简化为
Figure BDA0002314916720000071
由此，可以得出一个光栅周期内的衍射复振幅为：
Figure BDA0002314916720000072
上式中E0＝CNa是上表面平面波的复振幅，干涉光强可以写为
Figure BDA0002314916720000073
将式(6)带入式(7)得：
Figure BDA0002314916720000074
其中，Iin是入射光强幅值，
Figure BDA0002314916720000075
当kp＝0时，零级光强可由式(8)得到：
Figure BDA0002314916720000076
对于第n级(n>0)，即kpa＝2π时，其光强为
Figure BDA0002314916720000077
由此，可得
当n＝1，即kpa＝2π时，一级光光强为
Figure BDA0002314916720000078
当n＝3，即kpa＝6π时，三级光光强为
Figure BDA0002314916720000081
当n＝2，即kpa＝4π时，有
Figure BDA0002314916720000082
即I±2(kpa＝4π)＝0。所以，当n为偶数时，I±n＝0，即本发明衍射中偶数项干涉光强为零。
由式(9)(11)(12)可以看出，在前三项奇数级衍射光束中，零级光具有最大的光强幅值，且光强随位移变化呈正余弦变化。
本发明所得零级光光强与位移之间的关系如图4所示，取线性度较好的一段图形，所求得的斜率即为光强与位移变化的灵敏度，也为位移检测效应的灵敏度。经计算，采用零级光作为检测光束的位移检测方法的灵敏度S为6.1*10-3mW/nm，高于美国sandia实验室双层纳米光栅检测(0.21％/nm)，具有很好的研究前景。另外，光栅检测结构只由光源、光纤环形器、光栅、反光镜、探测器组成，生产成本低，也能保证陀螺整体结构较好的对称性。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构，其特征在于：包括方形外壳(1)，所述方形外壳(1)的底部设置有磁铁(2)，所述方形外壳(1)的内0部设置有质量块(3)，所述质量块(3)设置在磁铁(2)的正上方，所述质量块(3)的一侧布置有电磁驱动导线(4)，所述质量块(3)的另一侧布置有驱动反馈导线(5)，所述质量块(3)的顶部固定有反光镜(6)，所述方形外壳(1)的顶部设置有光栅(7)，所述光栅(7)的正上方设置有光纤准直器(8)，所述光纤准直器(8)的正上方设置有光纤环形器(9)，所述光纤环形器(9)的一侧设置有激光器(10)，所述光纤环形器(9)的另一侧设置有探测器(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构，其特征在于：所述方形外壳(1)的四角固定有四根支撑梁(12)，所述支撑梁(12)上固定有回折型驱动粱(13)，所述质量块(3)固定在回折型驱动粱(13)上，所述质量块(3)的四周固定有驱动粱(14)。
3.一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、定义光栅的法向方向为Z方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；
S2、通过电磁驱动导线通入交流电，在磁铁的作用下产生安培力驱动质量块在X轴上作稳幅谐振运动；
S3、引入一个绕Y轴的角速度，在竖直方向Z上会产生科里奥利加速度，科里奥利力作用在质量块上，使质量块在Z轴上发生位移；
S4、由光栅的干涉原理实现对该位移的测量，进而通过该位移与角速度的关系计算出角速度。
4.根据权利要求3所述的一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构的控制方法，其特征在于：所述S4中测量位移的方法为：激光器发出的光通过光纤环形器和光纤准直器经光栅发生衍射，经反射镜反射后在光栅处又发生衍射，两次反射所得的0级光发生干涉，由两束光的光程差即两倍的光栅与反射镜的距离决定干涉后光的相位变化，干涉后生成的明暗相间的条纹由光纤收集器接收后再由光纤环形器改变光路使其由探测器接收，通过探测器上干涉条纹的变化实现对光相位的测量，进而可测得反射镜的位移。
5.根据权利要求3所述的一种基于离面运动的单光栅微陀螺结构的控制方法，其特征在于：所述S4中计算出角速度的方法为：科里奥利力作用质量块带动反射镜做离面运动，所以由位移量x与时间t的关系可算得加速度a，
Figure FDA0002314916710000021
由此可算出科里奥利力F大小，
F＝ma
其中，m为质量块质量，
科里奥利力又与角速度ω相关，
F＝2mrω2
其中，r为角速度半径，
所以可得位移与角速度关系为
Figure FDA0002314916710000022
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112710302A (zh) * 2020-12-11 2021-04-27 中北大学南通智能光机电研究院 一种非谐振式纳米光栅六轴mems惯组测量装置
CN114236176A (zh) * 2021-12-10 2022-03-25 武汉光迅科技股份有限公司 一种衍射式加速度计、陀螺仪及其制造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102759635A (zh) * 2012-07-17 2012-10-31 浙江大学 一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其检测方法
CN105066979A (zh) * 2015-07-31 2015-11-18 中北大学 一种基于纳米光栅检测的高q值微机械陀螺结构
CN106841680A (zh) * 2017-03-30 2017-06-13 吉林大学 一种带准直器的光纤干涉式检波器装置
CN109029273A (zh) * 2018-10-24 2018-12-18 中北大学 一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法
CN109870592A (zh) * 2019-03-20 2019-06-11 北京航空航天大学 一种基于电磁力驱动的光学加速度计

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102759635A (zh) * 2012-07-17 2012-10-31 浙江大学 一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其检测方法
CN105066979A (zh) * 2015-07-31 2015-11-18 中北大学 一种基于纳米光栅检测的高q值微机械陀螺结构
CN106841680A (zh) * 2017-03-30 2017-06-13 吉林大学 一种带准直器的光纤干涉式检波器装置
CN109029273A (zh) * 2018-10-24 2018-12-18 中北大学 一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法
CN109870592A (zh) * 2019-03-20 2019-06-11 北京航空航天大学 一种基于电磁力驱动的光学加速度计

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
耿浩: ""基于光栅检测的微陀螺设计研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技II辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112710302A (zh) * 2020-12-11 2021-04-27 中北大学南通智能光机电研究院 一种非谐振式纳米光栅六轴mems惯组测量装置
CN114236176A (zh) * 2021-12-10 2022-03-25 武汉光迅科技股份有限公司 一种衍射式加速度计、陀螺仪及其制造方法

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