基于静电刚度的微米光栅加速度计灵敏度特性分析

静电驱动是实现微米光栅加速度计小型化和闭环力反馈控制的关键, 其引 入的静电刚度对加速度计灵敏度有着重要影响。对基于静电刚度的微米光栅加速度计灵 敏度特性进行分析。首先, 建立了基于静电刚度的微米光栅加速度计灵敏度模型。其 次,通过MATLBA 仿真,得到静电驱动电压与传感器灵敏度的理论关系。最后,对理论 分析结果进行了实验验证,结果表明静电刚度可以改善系统刚度,静电电压从1.25V 到 2.05V 等间隔变化时, 加速度计的灵敏度由871mV/g 变化为1148mV/g, 分别相对于未加 电时的灵敏度783mV/g 提高了0.46dB 到1.66dB,提高了微米光栅加速度计的灵敏度。本 文研究内容对集成式闭环微米光栅加速度计的研究提供参考。     

硅谐振式加速度计(SOA)的技术及发展

硅谐振式加速度计（SOA）精度高,稳定性好,数字输出,且体积小,成本低,易于集成,是新一代的微小型加速度计,具有极佳的应用前景。介绍了SOA的结构原理和发展概况,从谐振器,微杠杆,加工工艺,改变刚度方式,激励和检测方式等几方面对SOA的关键技术进行了综述。分析了SOA的机械耦合,加工工艺误差,梁弯曲刚度非线性等三大技术难点,并提出解决方案。最后对SOA的发展趋势进行了展望。     

光纤陀螺用光收发组件的SLD准直系统设计

在光纤陀螺向高精度和小型化的方向发展的背景下,针对光纤陀螺用光收发组件对器件小型化、易集成的特殊要求和超辐射发光二极管SLD(Super-Luminescent Diode)出射光束的特点,提出利用双焦距双柱透镜准直整形系统对SLD光束进行准直、整形.根据椭圆高斯光束的特性,利用几何光学法和矩阵光学法,分别对该双柱透镜的重要结构参数(曲率、柱透镜厚度)进行了详细的计算及分析,并且利用矩阵光学法得出系统的光线传输矩阵,对该双柱透镜的结构参数进行优化设计.利用CODEⅤ光学仿真软件对优化后的系统进行仿真,得出准直整形后光束在xOz平面和yOz平面内的发散角仿真值均低于0.05 mrad,且光斑为圆形.     

基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

设计了一种闭环反馈差动式双FP腔的微光机电(MOEMS)加速度计,介绍了其工作原理及系统构成.利用惯性敏感单元将对载体加速度的测量转变为对载体位移的测量,利用光纤自聚焦透镜的端面与质量块组成的FP腔测量载体位移.为了提高系统的测量灵敏度和抑制温度等环境因素的影响,设计了一种差动式双FP腔测量机构.为提高微加速度计的输出线性度和动态测量范围,提出了采用静电力平衡技术构成闭环加速度计.建立了其数学模型,对所设计的加速度计重要参数指标——灵敏度、敏感头受载、固有频率等一一进行了详细计算和分析.在此基础上完成了设计背景要求下加速度计参数的优化设计,结果表明:该系统精度可以达到5×10-6g以上.      

微米光栅加速度计力反馈系统设计

针对高分辨率微米光栅加速度计中存在的输出非线性和动态范围小的问题,提出了一种基于静电驱动的静电力反馈方法.该方法一方面将质量块位移锁定在最佳工作点,提高加速度计的线性度;同时利用静电力反馈实现微米光栅加速度计的力反馈控制,提高它的动态范围.给出了微米光栅加速度计的力反馈检测原理,建立了静电力反馈控制模型和基于力反馈的微米光栅加速度计系统的数学模型,在此基础上优化了PI控制单元,搭建了微米光栅加速度计力反馈系统,实现了力反馈控制.实验结果显示:当质量块位移锁定在最佳工作点处时,微米光栅加速度计的量程比未加力反馈时增大了33.4倍,非线性度抑制了6.4倍.     

RFOG中LD光源驱动电路设计

谐振式光纤陀螺具有良好的发展前景,光源在系统中有着很重要的作用.由于惯导系统工作在多变的外界环境下,环境因素引起的LD输出光功率不稳定会对陀螺的精度产生极大影响.为减小这种不稳定造成的检测误差,给出了一种恒流+温控的驱动电路来稳定光源输出功率,实验测定恒流电路的电流稳定性优于0.12％.激光器组件内包含的热敏电阻阻值随温度变化而改变,通过测量温控条件下热敏电阻两端电压,计算得到温度波动为±0.05℃.同时,实验还测量了在30C时,LD光源的输出功率标准差为0.0165mW.     

光纤陀螺温度建模及补偿技术研究

研究了干涉式光纤陀螺的温度补偿问题。首先分析了光纤陀螺仪温度漂移的主要影响因素，并应用人工神经网络与数理统计方法建立了陀螺仪的温度补偿模型。最后对某型号陀螺进行了0～50℃环境温度下的大量恒温及变温实验，通过实验数据完善所建模型并完成了对该陀螺的温度补偿。实验结果表明：在特定温度环境下，该方法能够有效地改善光纤陀螺仪零偏稳定性。     

谐振式光子带隙光纤陀螺谐振腔方案设计

为提高陀螺系统的精度,设计并实现了基于光子带隙光纤的谐振式光学陀螺方案。对用于该陀螺的核心器件谐振腔进行了研究,仿真比较了反射式和透射式两种谐振腔的清晰度和信噪比,发现反射式的清晰度高、输出信号强度大,由此确定谐振腔采用反射式结构方案。以谐振腔极限灵敏度为优化参考值,根据谐振腔频率响应特性和陀螺数据输出特性,仿真优化了谐振腔腔长、耦合器分光比等结构参数。在极限灵敏度极值对应的最佳分光比为约0.5时,谐振腔长取30m,陀螺极限灵敏度达0.03(°)/h,完成光子带隙光纤谐振腔的理论设计。     

空间谐振式MOEMS陀螺致动器研究

研究并设计了一种新型的可应用于微光机电(MOEMS)陀螺的微位移及角度控制致动器。它包括高灵敏度压电陶瓷组件和控制电路,具有对微镜进行微米级位移和角秒级角度精确定位的功能。建立并完成了该致动器的结构模型和有限元仿真,提出了基于MOEMS技术的加工方法。     

谐振式集成光学陀螺中电流调谐致强度噪声研究

采用半导体激光器(LD)是谐振式集成光学陀螺(RIOG)小型化发展的重要趋势,但是LD的电流调谐特性会引入强度噪声.理论分析了电流调谐致强度噪声对开环RIOG性能的影响,得到频率锁定位置与LD输出光强之间为线性关系.随后,提出了基于频率锁定位置的强度噪声抑制方案,通过频率锁定位置实时监测LD输出光强的变化,根据监测值得到补偿系数,并补偿陀螺输出.建立了抑制电流调谐致强度噪声的理论模型,并进行了实验验证,RIOG的零偏稳定性由0.768(°)/s提高到0.103(°)/s.