[发明专利]一种光机电振动角速率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及角速率传感器，尤其是利用光学驱动和传感机械振动的角速率传感器。

技术背景

光学角速率传感器，基于SAGNAC效应，该类型陀螺没有活动部件，具有很强的抗干扰能力，但是该类型陀螺体积较大，成本较高，基于目前的技术水平，很难进行小体积和集成化；传统基于哥氏效应的振动陀螺受电子灵敏度和电磁灵敏度的限制使得其灵敏度不高，但是能够进行小体积和集成化研究。

本申请提出一种机械学与光学技术相结合的交叉技术领域的全光纤驱动与检测的角速率测量方法。这种角速率传感器基于哥氏效应振动原理的、全光驱动和全光检测微位移技术三者相结合的新型传感器设计技术。它没有传统光学角速率传感器所遇到的原理性限制和缺点；与传统MEMS角速率传感器相比：采用光学方式测量振动，能够极大减少结构中的热噪声，具有无机械谐振频率点要求的特点，更加适合于快速启动的角速率测量。全光驱动与检测光机电振动角速率传感器可以广泛应用于军事，工业，等各个方面，具有重要的使用价值和军事战略高度，同时具有很广阔的商业应用前景。但是，目前国内还未见制备全光驱动与检测光机电振动角速率传感器方法的相关报道。

发明内容

本发明针对传统MEMS陀螺受电子灵敏度和电磁灵敏度的限制使得其灵敏度不高，不能进行小体积集成化易受温度影响等缺点，提出了一种新的敏感角速率传感器。

为了达到上述目的，本发明敏感角速率传感器包含：振动系统、光驱动系统、全光检测系统、外部衔接系统。振动系统包含：质量块，驱动臂，敏感臂；振动系统通过驱动臂和敏感臂与外部支持结构体衔接，驱动臂在全光脉冲驱动的作用下产生振动，随之带动质量块摆动，进而在驱动臂方向上产生线动量，当角速率传感器在输入轴向方向上有输入角速度时，振动质量块将在同时垂直线动量与输入角速度切三者满足右手定则的方向即敏感臂方向上产生一个振幅同输入角速度呈正比的振动，该振动在全光检测系统的作用下即可转化为光，电信号。

振动系统中质量块的质量中心位于驱动臂与敏感臂中心轴线的交叉点处。驱动臂的长度由质量块和驱动臂在振动时的波长决定，敏感臂的长度由质量块和敏感臂在受迫振动时的波长决定。驱动臂、敏感臂同支持体衔接点到质量块质量中心的距离等于振动时的半个波长或波长的倍数，使得质量块，外部支撑结构体同时位于驱动臂和敏感臂的振动波节处，进而达到最好的力学隔离。

光驱动系统包含：受控高频高能量激光器，光隔离器，光纤组及其光纤端同驱动臂间形成的F-P干涉仪。受控高频高能量激光器在上位机的控制下发送频率为驱动臂固有频率的光脉冲，该脉冲信号通过光纤传输至光电隔离器，再由光纤输出，进而在光纤端与驱动臂表面间形成F-P干涉。由于光脉冲的频率等同于驱动臂的固有频率，此时，驱动臂将产生共振，并带动振动块在平衡位置做摆动。

光检测系统包含：激光光源，光耦合器，光隔离器，光纤组及其光纤端同敏感臂间形成的F-P干涉仪。激光光源发出的光经Y型光耦合器后分为两路，两路光分别进入一个Y型光耦合器，在两个耦合器尾纤端面镀膜,则光在尾纤端面发生部分反射和透射，尾纤将固定悬浮在敏感臂上方，同时在敏感臂上镀膜形成反射面。两路光分别产生干涉，形成两路干涉条纹（双光干涉）。

本发明采用光学方式测量振动，该传感器兼顾了MEMS陀螺仪，小体积易集成和光学陀螺仪高精度，同时还具有零位稳定性高，无轴间干扰等优点，能够极大减少结构中的热噪声，具有无机械谐振频率点要求的特点，更加适合于快速启动的角速率测量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1光机电角速率传感器俯视图；

图2振动系统示意图；

图3光驱动系统接示意图；

图4光检测系统示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的工作进行详细的描述。

如图1所示为本发明光机电振动角速率传感器俯视图。光机电振动角速率传感器包括：由振动质量块（11）通过一组驱动臂（12）和敏感臂（13）组成的振动系统（10），振动系统通过驱动臂和敏感臂与外部支持结构体（20）衔接，驱动臂在全光驱动系统（31）的作用下产生振动，带动振动质量块在平衡位置附近进行摆动，进而产生线动量；在角速率传感器的输入轴向（002）方向上输入角速度，当角速率传感器在沿图2中输入轴向（002）方向上有输入角速度时，振动质量块将在敏感臂产生振动，进而带动敏感臂产生振动；检测系统（32）对敏感臂振动的振幅进行检测。