專利名稱：一種光機電振動角速率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及角速率傳感器，尤其是利用光學驅(qū)動和傳感機械振動的角速率傳感器。
背景技術(shù)：
光學角速率傳感器，基于SAGNAC效應，該類型陀螺沒有活動部件，具有很強的抗干擾能力，但是該類型陀螺體積較大，成本較高，基于目前的技術(shù)水平，很難進行小體積和集成化；傳統(tǒng)基于哥氏效應的振動陀螺受電子靈敏度和電磁靈敏度的限制使得其靈敏度不高，但是能夠進行小體積和集成化研究。本申請?zhí)岢鲆环N機械學與光學技術(shù)相結(jié)合的交叉技術(shù)領(lǐng)域的全光纖驅(qū)動與檢測的角速率測量方法。這種角速率傳感器基于哥氏效應振動原理的、全光驅(qū)動和全光檢測微位移技術(shù)三者相結(jié)合的新型傳感器設計技術(shù)。它沒有傳統(tǒng)光學角速率傳感器所遇到的原理性限制和缺點；與傳統(tǒng)MEMS角速率傳感器相比采用光學方式測量振動，能夠極大減少結(jié)構(gòu)中的熱噪聲，具有無機械諧振頻率點要求的特點，更加適合于快速啟動的角速率測量。全光驅(qū)動與檢測光機電振動角速率傳感器可以廣泛應用于軍事，工業(yè)，等各個方面，具有重要的使用價值和軍事戰(zhàn)略高度，同時具有很廣闊的商業(yè)應用前景。但是，目前國內(nèi)還未見制備全光驅(qū)動與檢測光機電振動角速率傳感器方法的相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)MEMS陀螺受電子靈敏度和電磁靈敏度的限制使得其靈敏度不高，不能進行小體積集成化易受溫度影響等缺點，提出了一種新的敏感角速率傳感器。為了達到上述目的，本發(fā)明敏感角速率傳感器包含振動系統(tǒng)、光驅(qū)動系統(tǒng)、全光檢測系統(tǒng)、外部銜接系統(tǒng)。振動系統(tǒng)包含質(zhì)量塊，驅(qū)動臂，敏感臂；振動系統(tǒng)通過驅(qū)動臂和敏感臂與外部支持結(jié)構(gòu)體銜接，驅(qū)動臂在全光脈沖驅(qū)動的作用下產(chǎn)生振動，隨之帶動質(zhì)量塊擺動，進而在驅(qū)動臂方向上產(chǎn)生線動量，當角速率傳感器在輸入軸向方向上有輸入角速度時，振動質(zhì)量塊將在同時垂直線動量與輸入角速度切三者滿足右手定則的方向即敏感臂方向上產(chǎn)生一個振幅同輸入角速度呈正比的振動，該振動在全光檢測系統(tǒng)的作用下即可轉(zhuǎn)化為光，電信號。振動系統(tǒng)中質(zhì)量塊的質(zhì)量中心位于驅(qū)動臂與敏感臂中心軸線的交叉點處。驅(qū)動臂的長度由質(zhì)量塊和驅(qū)動臂在振動時的波長決定，敏感臂的長度由質(zhì)量塊和敏感臂在受迫振動時的波長決定。驅(qū)動臂、敏感臂同支持體銜接點到質(zhì)量塊質(zhì)量中心的距離等于振動時的半個波長或波長的倍數(shù)，使得質(zhì)量塊，外部支撐結(jié)構(gòu)體同時位于驅(qū)動臂和敏感臂的振動波節(jié)處，進而達到最好的力學隔離。光驅(qū)動系統(tǒng)包含受控高頻高能量激光器，光隔離器，光纖組及其光纖端同驅(qū)動臂間形成的F-P干涉儀。受控高頻高能量激光器在上位機的控制下發(fā)送頻率為驅(qū)動臂固有頻 率的光脈沖，該脈沖信號通過光纖傳輸至光電隔離器，再由光纖輸出，進而在光纖端與驅(qū)動臂表面間形成F-P干涉。由于光脈沖的頻率等同于驅(qū)動臂的固有頻率，此時，驅(qū)動臂將產(chǎn)生共振，并帶動振動塊在平衡位置做擺動。光檢測系統(tǒng)包含激光光源，光耦合器，光隔離器，光纖組及其光纖端同敏感臂間形成的F-P干涉儀。激光光源發(fā)出的光經(jīng)Y型光耦合器后分為兩路，兩路光分別進入一個Y型光耦合器，在兩個耦合器尾纖端面鍍膜，則光在尾纖端面發(fā)生部分反射和透射，尾纖將固定懸浮在敏感臂上方，同時在敏感臂上鍍膜形成反射面。兩路光分別產(chǎn)生干涉，形成兩路干涉條紋(雙光干涉)。本發(fā)明采用光學方式測量振動，該傳感器兼顧了 MEMS陀螺儀，小體積易集成和光學陀螺儀高精度，同時還具有零位穩(wěn)定性高，無軸間干擾等優(yōu)點，能夠極大減少結(jié)構(gòu)中的熱噪聲，具有無機械諧振頻率點要求的特點，更加適合于快速啟動的角速率測量。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述圖I光機電角速率傳感器俯視圖；圖2振動系統(tǒng)示意圖；圖3光驅(qū)動系統(tǒng)接不意圖；圖4光檢測系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的工作進行詳細的描述。如圖I所示為本發(fā)明光機電振動角速率傳感器俯視圖。光機電振動角速率傳感器包括由振動質(zhì)量塊(11)通過一組驅(qū)動臂(12)和敏感臂(13)組成的振動系統(tǒng)(10)，振動系統(tǒng)通過驅(qū)動臂和敏感臂與外部支持結(jié)構(gòu)體(20)銜接，驅(qū)動臂在全光驅(qū)動系統(tǒng)(31)的作用下產(chǎn)生振動，帶動振動質(zhì)量塊在平衡位置附近進行擺動，進而產(chǎn)生線動量；在角速率傳感器的輸入軸向(002)方向上輸入角速度，當角速率傳感器在沿圖2中輸入軸向(002)方向上有輸入角速度時，振動質(zhì)量塊將在敏感臂產(chǎn)生振動，進而帶動敏感臂產(chǎn)生振動；檢測系統(tǒng)(32 )對敏感臂振動的振幅進行檢測。如圖2振動系統(tǒng)不意圖。圖中所述振動質(zhì)量塊的大小取決于系統(tǒng)的靈敏度，品質(zhì)因數(shù)，振動質(zhì)量塊的質(zhì)量中心(110)必須在驅(qū)動臂與敏感臂中心軸線的交叉點處。驅(qū)動臂的長度由質(zhì)量塊和振動臂構(gòu)成的系統(tǒng)在振動時的波長決定，敏感臂的長度由質(zhì)量塊和敏感臂構(gòu)成的系統(tǒng)在受迫振動時的波長決定。驅(qū)動臂和敏感臂在交叉點處被分成兩部分，包括驅(qū)動臂(121 )、驅(qū)動臂(122)和敏感臂(131)、(132)，一般情況下，驅(qū)動臂、敏感臂的長度為由質(zhì)量塊和振動臂構(gòu)成的系統(tǒng)在振動時的半個波長，也可以為半個波長的倍數(shù)。驅(qū)動臂和敏感臂寬度相同，厚度可根據(jù)實際應用環(huán)境決定，例如為了提高抗沖擊性能就需要增加厚度。為了提高系統(tǒng)靈敏度，驅(qū)動臂同敏感臂的夾角(140)為90度最佳，否則將導致靈敏度降低等問題。光機電振動角速率傳感器中振動系統(tǒng)(10)、外部支持結(jié)構(gòu)體(20)為同種線脹系數(shù)小的材料制作，通常情況下為合金、石英、多晶硅、二氧化硅等。這樣將最大限度地減小外界溫度對該系統(tǒng)的影響。同時，外部支持結(jié)構(gòu)體俯視圖通常為矩形，也可以為圓形，橢圓形，只需滿足驅(qū)動臂、敏感臂同支持體銜接點到質(zhì)量塊質(zhì)量中心的距離等于振動時的半個波長或半個波長的倍數(shù)即可。如圖3為光驅(qū)動系統(tǒng)連接示意圖。該系統(tǒng)采用光學驅(qū)動方式，致使敏感體振動，光驅(qū)動系統(tǒng)由位于驅(qū)動臂(12)上方的光纖組(31)，光電隔離器(40)，高頻高能量激光器(60)組成。高頻高能量激光器在上位機的控制下發(fā)送頻率為驅(qū)動臂固有頻率的光脈沖信號，該脈沖信號通過光纖(50)傳輸至光電隔離器,再由光纖輸出，進而在光纖端與光機電振動角速率傳感器的驅(qū)動臂(12)表面間形成F-P干涉。由于光脈沖的頻率等于驅(qū)動臂的固有頻率，此時，驅(qū)動臂將產(chǎn)生共振，并帶動振動塊在平衡位置沿(003)方向做擺動。為了增強驅(qū)動臂(12)和敏感臂(13)的光反射，通?？刹捎帽韺訏伖?，表面沉積等工藝。光纖組通過光耦合方式與驅(qū)動臂相連接，并形成F-B干涉儀組。光纖組也可采用單根光纖或激光替代。光纖組通過光纖向驅(qū)動臂輻射具有足夠輻射壓力的電磁波以驅(qū)動驅(qū)動臂帶動質(zhì)量塊獲得理想擺動幅度。激光器(60)為可變激光器(如低噪聲激光源)。通常，激光器(60)選擇窄帶激光器，在實際使用過程中，光纖耦合激光器優(yōu)于自由空間激光器。同時光驅(qū)動系統(tǒng)采用一段常規(guī)單模光纖，或者是極化光纖。這樣可以有效消除由FP干涉儀內(nèi)的雙折射引起的傳感器輸出波動。如圖4為全光檢測系統(tǒng)示意圖。光檢測系統(tǒng)中激光光源發(fā)出的光分為兩路，兩路光通過隔離器分別進入一個Y型光耦合器(70)的兩輸入端，在兩個耦合器尾纖端面鍍膜，則光在尾纖端面發(fā)生部分反射和透射，尾纖將固定懸浮在敏感臂上方，同時在敏感臂上鍍膜形成反射面，兩路光分別產(chǎn)生干涉，形成兩路干涉條紋(雙光干涉)，光纖組及其光纖端同敏感臂間形成的F-P干涉儀。光隔離器(80，90)是可變的，可以用銦嘉砷PIN光電二極管實現(xiàn)，隔離器通過光纖連接到光耦合器。振動質(zhì)量塊運動滿足如下公式驅(qū)動臂和振動質(zhì)量塊構(gòu)成的傳感器驅(qū)動軸滿足如下動力學方程
權(quán)利要求
1.光機電振動角速率傳感器，其特征在于該傳感器包括振動系統(tǒng)、光驅(qū)動系統(tǒng)、光檢測系統(tǒng)，由驅(qū)動臂和敏感臂以及位于其交叉點處的質(zhì)量塊組成振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)通過驅(qū)動臂和敏感臂與外部支持結(jié)構(gòu)體銜接，驅(qū)動臂在全光驅(qū)動系統(tǒng)的作用下產(chǎn)生振動，進而帶動質(zhì)量塊進行擺動，進而產(chǎn)生線動量，當角速率傳感器在輸入軸向方向上有輸入角速度時，質(zhì)量塊將在敏感臂產(chǎn)生振動，光學檢測系統(tǒng)檢測該振動。
2.如權(quán)利要求I所述的角速率傳感器，其特征在于振動質(zhì)量塊的質(zhì)量中心必須在驅(qū)動臂與敏感臂中心軸線的交叉點處，驅(qū)動臂的長度由質(zhì)量塊和振動臂在振動時的波長決定，敏感臂的長度由質(zhì)量塊和敏感臂在受迫振動時的波長決定。
3.如權(quán)利要求I所述的角速率傳感器，其特征在于光驅(qū)動系統(tǒng)由位于驅(qū)動臂上方的光纖組、光電隔離器、高頻高能量激光器組成，高頻高能量激光器在上位機的控制下發(fā)送頻率為驅(qū)動臂固有頻率的光脈沖信號，該脈沖信號通過光纖傳輸至光電隔離器，再由光纖輸出，進而在光纖端與光機電振動角速率傳感器的驅(qū)動臂表面間形成F-P干渉，驅(qū)動臂將產(chǎn)生共振，并帶動振動塊在平衡位置做擺動。
4.如權(quán)利要求I所述的角速率傳感器，其特征在于光檢測系統(tǒng)中激光光源發(fā)出的光分為兩路光分別進入ー個Y型光耦合器，兩路光分別產(chǎn)生干渉，形成兩路干渉條紋。
5.如權(quán)利要求I或2所述的角速率傳感器，其特征在于驅(qū)動臂、敏感臂同支持體銜接點到質(zhì)量塊質(zhì)量中心的距離等于振動時的半個波長或波長的倍數(shù)。
6.如權(quán)利要求I或2所述的角速率傳感器，其特征在于驅(qū)動臂和敏感臂寬度相同，驅(qū)動臂同敏感臂之間的夾角為90度。
7.如權(quán)利要求I或2所述的角速率傳感器，其特征在于驅(qū)動臂和振動質(zhì)量塊構(gòu)成的傳感器驅(qū)動軸滿足如下動力學方程
全文摘要
本發(fā)明公開一種光機電振動角速率傳感器，涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域。該傳感器振動系統(tǒng)由驅(qū)動臂，敏感臂以及位于交叉點處的質(zhì)量塊構(gòu)成，光驅(qū)動系統(tǒng)通過懸浮于驅(qū)動臂上方的光纖組輻射光脈沖驅(qū)動振動臂振動，進而帶動質(zhì)量塊擺動，最終產(chǎn)生沿驅(qū)動方向的線動量，光學檢測系統(tǒng)采用相干檢測技術(shù)，該傳感器在輸入軸方向有輸入角速度時，由于哥氏力的作用將在敏感臂上產(chǎn)生相應的振動。該振動通過光學檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，進而轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎虢撬俣?。該傳感器兼顧了MEMS陀螺儀小體積易集成和光學陀螺儀高精度的特點，同時還具有零位穩(wěn)定性高，無軸間干擾，抗電磁干擾等優(yōu)點。
文檔編號G01P3/36GK102854331SQ20121033663
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者劉宇, 路永樂, 肖力敏, 歐毅, 黎蕾蕾, 吳英, 劉申, 潘英俊 申請人:重慶郵電大學