光学惯性测量与导航系统第二章关键惯性器件

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1、光学惯性测量与导航系统,杨功流 教授,主 讲：,Optic Inertial Measurement 在大幅度降低成本的同时使陀螺体积减小到 0.2 立方英寸（是光纤陀螺的1/50），功耗降至 0.25W（是光纤陀螺的1/10）; 精度可以和实用化的激光陀螺、干涉式光纤陀螺相比拟，达到0.011 /h（远期目标达到导航级精度0.010.001 /h）。,2.3 新型光学陀螺,MOEMS陀螺国内,“十一五”期间国内多家单位开展此方面研究： 北航、浙大在硅基波导上实现了谐振式光学陀螺原理样机，最好测试精度为0.20.3 /s ； 东南大学在有机材料上实现了光学谐振腔； 北航提出基于光学微镜和光子晶

2、体微镜的空间微型谐振腔； 航天时代电子公司、8358所、长春理工等均投入较大精力开展该工作。,国内集成光学陀螺关键器件技术与原理样机研制研究处于国际前列，但集成化程度远远落后。,2.3 新型光学陀螺,MOEMS陀螺北航,研制出具有我国自主知识产权的低损耗、高清晰度波导谐振腔 在国内首次研制出单端调制的集成光学移频器，并应用集成光学陀螺系统 在国内率先研制出集成光学陀螺原理样机（0.3 /s ）,集成光学调制器 光路系统,样机实验结果,2.3 新型光学陀螺,光纤环与波导谐振腔芯片,MOEMS陀螺原理样机,近三年来，在实验室研制高精度光纤陀螺仪的基础上，研究采用集成光学等技术，将光纤陀螺仪向小型化

3、、低成本方向发展。国内在硅基上率先实现集成光学陀螺样机(0.3o/s)，使我国MOEMS陀螺技术处于国际前列水平，拟在“十二五”实现中精度样机(0.11o/h)。,MOEMS陀螺仪研究环境,2.3 新型光学陀螺,MOEMS陀螺北航,完成了窄线宽半导体激光器性能测试，验证了其应用特性 在高功率窄线宽光纤光源和陀螺噪声机理研究等技术方面取得较大进展,小型化光源应用结果,2.3 新型光学陀螺,以Sagnac效应为基础，利用微纳米技术加工微镜式空间谐振腔，并将其它光学器件及控制电路集成在硅基片上，形成一个微型惯性器件。 关键技术：微镜式空间谐振腔加工技术、微小型光纤准直技术、光源小型化技术。,MOEM

4、S陀螺方案示意图,2.3 新型光学陀螺,微组装的MOEMS陀螺谐振腔,微镜镀膜表面粗糙度的AFM测量,MOEMS陀螺,2.3 新型光学陀螺,用光波导取代光纤环，将光学器件、光电器件及检测电路集成在单一基片上，实现中高精度光学陀螺的轻小型化，满足高可靠性及恶劣环境等应用要求。 关键技术：低损耗波导谐振腔设计与加工技术；光路噪声抑制技术；光源小型化技术。,集成光学陀螺,集成光学陀螺方案示意图,2.3 新型光学陀螺,为了提高光纤陀螺的精度和环境适应性，将光子晶体光纤应用于光纤陀螺中。 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，这类光纤的纤芯周围含有沿着轴向规则排列微小空气孔，微小空气孔的尺度与光波波长

5、大致在同一量级且贯穿光纤的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。与普通光纤相比，光子晶体光纤因为具备以下的特点因而更适合于光纤陀螺（光源）。,光子晶体光纤陀螺,2.3 新型光学陀螺,光子晶体光纤比普通光纤具有更低的温度敏感性、压力敏感性，同时具有更高的抗辐射能力。 普通光纤利用在石英玻璃中掺杂不同材料形成折射率差，因此容易产生材料缺陷；而光子晶体光纤的折射率差是由空气孔引入，所以可用单一材料制作，避免了掺杂所形成的材料缺陷，因而在空间应用时将辐射对光子晶体光纤的损伤降低；空气孔的引入使光子晶体光纤得到更大的折射率差，光波可被有效束缚在纤芯内部而与外界隔离，从而大大地减小了外界因素如温度、压力

6、等对光纤陀螺的影响。,光子晶体光纤陀螺,2.3 新型光学陀螺,光子晶体光纤,2.3 新型光学陀螺,1997年诺贝尔奖 激光冷却原子,前沿科学：原子光子领域的重大科学发现 前沿技术：原子操控技术的重大突破 交叉学科：量子物理学、光学、 材料学、微电子学、 真空学等,2001年诺贝尔奖 波色-爱因斯坦凝聚,2005年诺贝尔奖 量子光学与光频梳,冷原子干涉仪 原子干涉陀螺仪 磁光作用下原子自旋机理 原子自旋陀螺仪,原子陀螺仪的提出科学推动,类似光学陀螺的Sagnac效应敏感角速度 原子波动，形成闭环回路具有相位差：,光学陀螺的相位差： 与光学陀螺的Sagnac效应对比：,1010,超高精度战略级陀螺

7、仪的发展方向，理论精度10-12 /h，将应用于核潜艇等载体（水下航行1年，定位误差1m）,原子干涉陀螺仪超高精度,高精度、小体积 高精度、小体积陀螺仪的发展方向，将应用于弹道导弹、高空长航时飞行器等载体,与转子陀螺仪类似，电子自旋磁矩在惯性空间中具有定轴性 核自旋自补偿外磁场扰动，隔离磁场对电子自旋影响,原子自旋陀螺仪高精度、小体积,当运载体以加速度相对惯性空间运动时，仪表壳体也随之做相对运动，质量块保持惯性，朝着与加速度方向相反的方向产生位移（拉伸或压缩弹簧），当位移量达到一定值时，弹簧给出的力使质量块以同一加速度相对惯性空间做加速运动，加速度的大小与方向影响质量块相对位移的方向及拉伸量。

8、,2.4 加速度计概述,加速度计原理,线加速度计的力学模型,质量,阻尼系数,弹性刚度,2.4 加速度计概述,线加速度计的力学模型,其中： 无阻尼自振角频率为 阻尼比为,2.4 加速度计概述,当处于常加速度输入下的稳态时，其敏感质量相对壳体位移趋于如下稳态值：,由此可见：敏感质量越大，弹性刚度越小，即系统无阻尼自振角频率越低，则加速度计灵敏度越高,线加速度计的力学模型,2.4 加速度计概述,摆式加速度计的力学模型,转动惯量,阻尼系数,扭转弹性刚度,由于摆性作用，敏感质量通过输入加速度形成 惯性力矩作用于系统，按照合力矩使转动对象 产生角加速度的转动体牛顿第二定律，有如下 关系式,输入加速度的扭转

9、系数，与摆性有关,2.4 加速度计概述,摆式加速度计的力学模型,只要能把敏感质量在敏感轴方向相对壳体大的角位移测出来，就可以得到加速度a.,2.4 加速度计概述,力矩系数(即摆性)越大，弹性刚度越小，系统无阻尼自振角频率越低，则加速度计灵敏度越高,当常加速度输入时，稳态摆角为:,2.4 加速度计概述,加速度计是惯性导航、惯性制导和控制检测设备的重要测量元件。无论是惯性导航还是惯性制导都是利用加速度计敏感这一特性来测量载体的运动加速度的。目前，加速度计已广泛应用于航空、航海、宇航及武器的制导和控制。,2.4 加速度计概述,2.4 加速度计概述,加速度计是利用检测质量（或称敏感质量）的惯性力来测量

10、线加速度或线速度的装置。 加速度计是惯性导航系统的关键部件，它的重要性已经越来越为人们所理解。 在运载体上安装加速度计用于导航制导时，当运载体运动变化时加速度计则敏感测量出载体相对惯性空间的加速度，经过一次积分运算即可得到运载体相对惯性空间的速度，经过二次积分运算可得到运载体相对惯性空间的运行距离，从而进行自主式导航和制导。,加速度计概念,在各种运载体的导航定位中，通过测量位置、速度或加速度都可以得到运动物体的轨迹。 在运动物体内部能够测量的只有加速度，加速度计是重要的惯性器件！,2.4 加速度计概述,加速度计测量原理基于牛顿第二定律：作用于物体上的力等于该物体的质量乘以加速度 加速度作用在敏

11、感质量上形成惯性力，测量该惯性力，间接测量载体受到的加速度 惯性技术领域将单位敏感质量所受的力称为比力，加速度计的输出直接反映比力，因此加速度计也称作比力传感器,2.4 加速度计概述,早期在惯性导航和惯性制导系统中曾采用滚珠轴承摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承摆式加速度计。 60年代初，出现液浮、气浮摆式加速度计，其分辨率较高(10-5g10-7g)，浮液还具有一定的阻尼作用，能减小动态误差，提高抗振动和抗冲击能力，广泛应用于导弹、飞机和舰艇等惯性制导和惯性导航系统中。 从60年代中期以来，开始应用结构简单，成本低，分辨率可达10-5g的挠性加速度计。,加速度计发展简史,2.4 加速度计概述,7

12、0年代末期以后，主要是对已出现的各类型加速度计进行改进和提高，如改进型的脉冲摆式积分陀螺加速度计，就用在美国“和平卫士”洲际弹道导弹的高级惯性参考球平台中。 应用范围的不断扩大和精度要求的不断提高，促使新的加速度计技术的研究和产品的开发必须不断地向前发展，其研究趋势包括研制新型的光学加速度计、振梁式加速度计、基于MEMS技术的小型加速度计等，并发展新材料和改进支承技术等措施，使加速度计向着高精度、高可靠性、小型化、多功能、低成本方向发展。,加速度计发展简史,2.4 加速度计概述,按检测质量的运动方式 按测量系统的形式分类 按信号传感器的种类分类 按活动系统的支撑方式分类 按输出是否带有积分装置

13、来分类 按加力矩方式来分类 按其它方式分类,加速度计分类,2.4 加速度计概述,按检测质量的运动方式 1.线加速度计 在这类加速度计中，检测质量置于导轨中，在加速度的作用下，检测质量沿导轨方向的位移作为输出量。 2.摆式加速度计 在这类加速度计中，检测质量做成单摆形式，在加速度作用下，检测质量绕支撑点产生角位移做输出量,加速度计分类,2.4 加速度计概述,按照测量系统的形式分类 1. 开环加速度计,结构简单，容易维护，容易小型化，成本较低,惯性导航系统中使用的大部分都是闭环加速度计,2. 闭环环加速度计,2.4 加速度计概述,按照信号传感器的种类分类,变阻式(也称电位计式)加速度计 电容式加速

14、度计 电解液式加速度计 压电式加速度计 半导体式加速度计 电感或差动变压器式加速度计 电阻应变丝式加速度计 振梁加速度计 光学加速度计 隧道加速度计 气体加速度计,2.4 加速度计概述,按活动系统的支撑方式分类 轴承摆式加速度计 挠性支撑加速度计 质块弹簧加速度计 悬浮加速度计,2.4 加速度计概述,按其它方式分类 精度：高精度（优于10E-4）、中精度（10E-310E-4）、低精度（劣于10E-2） 量限：高过载（大于10000g）、大过载（100g10000g）、中过载（1g100g）、小过载（小于1g） 频率范围：高频（10千赫以上）、中频（100赫10千赫）、低频（直流100赫）,2

15、.4 加速度计概述,2.4 加速度计概述,主要性能指标 零偏重复性（年、月、日） 标度因数（年、月、日） 零偏温度敏感系数 标度温度敏感系数 分辨率、阈值 量程,液浮摆式加速度计是比较成熟、应用较广的一种加速度计。液浮摆式加速度计是一种闭环的、摆组件被液体悬浮的宝石支承摆式加速度计。检测质量被液浮悬浮在壳体里，并用宝石轴承支承定位。根据摆组件被悬浮的程度可分为全浮式和半浮式。,液浮摆式加速度计,2.5 几种机械式加速度计,由于浮子处于悬浮状态，减少了支承的正压力，支承轴可以做得很细，减小了库仑摩擦力，改善了阈值。,液浮摆式加速度计,2.5 几种机械式加速度计,液浮摆式加速度计原理图,液浮摆式加

16、速度计,2.5 几种机械式加速度计,当敏感加速度时，在惯性力的作用下，浮子围绕支点转动，信号传感器线圈偏离其中心未知，产生与偏转角成比例的信号电压。经过伺服放大器放大并加到力矩器线圈上，产生相应的电磁力矩，使浮子再回到原来的平衡位置。力矩器电流的大小反映了所敏感加速度的大小，通过采样电阻转换成输出电压。,液浮摆式加速度计,2.5 几种机械式加速度计,石英挠性加速度计是具有国际先进水平的新型高级传感器。它精度高、长期稳定性好、体积小巧。是对加速度、速度、距离、摇摆、振动、倾斜等物理量敏感、测量、控制方面的换代产品。 石英挠性加速度计由传感表头组件和伺服电路组件两部分组成。 美国Honeywell

17、公司的Q-FLEX系列中的QA3000是目前级别最高的产品。具有质量稳定、可靠、长期性能好的特点。,石英挠性加速度计,2.5 几种机械式加速度计,石英挠性加速度计表头结构,表头组件的各组成部分如图所示，包括检测质量组件、上力矩器组件和下力矩器组件三部分。检测质量组件由镀膜石英挠性片和粘贴在它上面的两个力矩器线圈组成。力矩器线圈和石英挠性片中间的叶片部分构成摆质量。磁钢、导磁帽和上下力矩器线圈组成封闭的磁路。,石英挠性加速度计,2.5 几种机械式加速度计,石英挠性加速度计的伺服电路,石英挠性加速度计伺服电路组件包括差动电容检测器、积分器、跨导补偿放大器等部分组成.,石英挠性加速度计,2.5 几种

18、机械式加速度计,当输入加速度a时，摆质量因惯性而偏离平衡位置，差动电容传感器检测这一变化并产生差动电容变化 。伺服电路中的差动电容检测器检测出这一变化，其输出电流为 ，此电流经电流积分器变成输出电压 ，然后由跨导/补偿放大器把 变换成输出电流 。该电流的大小与输入加速度a成正比，极性取决于输入加速度的方向。输出电流 （即所谓再平衡电流）加在表头的力矩器上，使之产生反馈力矩 ，与惯性力矩 相平衡，直至再次恢复到平衡位置。,石英挠性加速度计,2.5 几种机械式加速度计,优点：,采用整体石英材料制成挠性支承，无迟滞、无摩擦、 无弹性后效、无老化变质、不受温度影响 采用差动电容式传感器，体积小，灵敏度

19、高 阈值小，分辨率高（1g） 量程大（15g-35g） 偏值和标度因数稳定性（小于5x10-6） 线性度高（20g/g） 迟滞小（小于0.001%） 重复性和长期稳定性好（小于0.003%）,石英挠性加速度计,2.5 几种机械式加速度计,测量加速度超过300 m/s时，其非线性误差明显增大 不能承受太大的冲击振动 制造的工艺性误差(局部变形和应力)会导致暂时性零位不稳定 敏感质量的小尺寸导致对控制电路的要求更高,缺点：,石英挠性加速度计,2.5 几种机械式加速度计,Honeywell公司的QA3000石英挠性加速度计,2.4 加速度计概述,Honeywell公司的QA3000石英挠性加速度计,

20、石英挠性加速度计,2.5 几种机械式加速度计,现在性能最好的加速度计是摆式积分陀螺加速度计，用于战略导弹制导。摆式积分陀螺加速度计是一种非常稳定的线性器件，在宽的动态范围内有很高的分辨率，并且是迄今为止唯一能够满足战略导弹推进轴要求的加速度计。,摆式积分陀螺加速度计,2.5 几种机械式加速度计,摆式积分陀螺加速度计,2.5 几种机械式加速度计,摆式积分陀螺加速度计实质上是一个双自由度陀螺，内环轴处于水平位置，外环轴处于铅垂位置，在内环轴距离支承中心L处安装一个偏心质量块，基本工作原理就是应用由陀螺运动产生的力矩来平衡摆在加速度作用下产生的惯性力矩。,摆式积分陀螺加速度计,2.5 几种机械式加速

21、度计,设陀螺的角动量为H，沿铅垂方向有角速度,则沿x轴作用有摆性力矩,从而使陀螺绕y轴进动，进动角速度为：,在外环轴上的信号器可拾取,摆式积分陀螺加速度计,2.5 几种机械式加速度计,为避免陀螺特性的退化，丧失测量功能，由内环轴偏角信号器放大、反馈，组成力矩平衡系统.,摆式积分陀螺加速度计,2.5 几种机械式加速度计,优点： 标度因数的长期稳定性好 以很高的精度给出数字式测量结果 较高的抗辐射性能,缺点： 生产复杂、体积大 价格昂贵、准备时间长 只局限于控制大型对象,摆式积分陀螺加速度计,2.5 几种机械式加速度计,振梁加速度计,振弦加速度计原理图,原理： 检测质量由两根柔性弦固定。 加速度计

22、能敏感出沿弦轴方 向的加速度。当敏感加速度 时，柔性弦产生张力，使两 根支撑弦的故有频率发生变 化。两根柔性弦的频差与加 速度成比例。,2.6 几种固态加速度计,石英振梁加速度计是利用压电石英振梁的力-频特性进行加速度的测量，传感器可以直接输出频率信号，不需进行模拟放大和A/D变换,石英振梁加速度计结构简图,振梁加速度计,2.6 几种固态加速度计,石英振梁加速度计(Quartz Vibrating Beam Accelerometer, QVBA或简称VBA)，由敏感质量块m、压电石英振梁、晶控振荡器、支承座、频差整形电路和倍频电路组成，采用基频相等( )的两个压电石英振梁作为敏感元件，输出为

23、两个压电振梁的频率差。,振梁受到外力作用时，其谐振频率发生变化：,振梁的拉氏(Ratajski)系数,振梁的基准谐振频率,振梁谐振频率的变化量,振梁加速度计,2.6 几种固态加速度计,振梁加速度计的输出为,加速度计的输出频率 与加速度 成正比,通过检测石英振梁加速度计的输出频率即可测得输入加速度,振梁加速度计,2.6 几种固态加速度计,优点：,直接频率输出 机械组件及电子器件简单、功耗小且恒定、可靠性高、 温升小，易于加工和安装，线路易于小型化 推挽式配置具有非常大的共模抑制能力 由石英的机械和物理特性所确定的高稳定性、高线性度 属固态加速度计，具有瞬时反应能力，晶体启动时间小于0.5s 量程

24、大，可高达1200g 体积小、成本低，易于成批加工,振梁加速度计,2.6 几种固态加速度计,1977 斯坦福大学在首先采用微加工技术制造出了一种开环硅加速度计 1980 年代初形成了商品,静电力平衡式加速度计 LIGA加工高精度电容加速度计、 隧道电流型加速度计、 压阻式微机械加速度计、 微型三轴加速度计等等。,目前报道的硅微加速度计有：,微机械加速度计都有敏感质量，基本上都是挠性支承的,硅微加速度计,2.6 几种固态加速度计,硅微加速度计,2.6 几种固态加速度计,静电力平衡加速度计的工作原理： 当沿敏感轴有输入加速度作用时，其摆质量的位置发生变化，伺服电路中的差动电容检测器检测这一变化，输

25、出一个电压信号，该电压信号与输入加速度成比例, 极性取决于输入加速度的方向。此电压信号经放大、补偿以满足整个系统的动静态指标要求。补偿后的电压信号加到电极电压发生器。 电极电压发生器把电压Vo+Vs 和Vo-Vs分别加在检测质量两面的两个电极板上, 使得一个电极对运动质量产生推力，另一个产生拉力。固定电位Vo给出一个合力，此合力是Vs的线性函数。静电力是电极两边电压平方的函数。该伺服控制系统用很小的刚度便能进行支撑, 保证惯性质量始终工作在零位附近。所以，响应是线性的，从而使加速度计的二次项、三次项也变得很小。,硅微加速度计,2.6 几种固态加速度计,单晶硅加速度计力平衡方框图,硅微加速度计,

26、2.6 几种固态加速度计,优点： 1、可批量生产，产量高、成本低； 2、尺寸小，有把电子线路集成在同一硅片上的潜力； 3、机械性能好，单晶硅材料内部没有颗粒层，断裂点高，弯曲强度为不锈钢的三倍，硅无磁性，如果用铜或铝质材料封装，可用于磁背景场； 4、硅没有可塑性变形，迟滞小； 5、响应速度快，工作频带宽； 6、功耗低，既可开环工作，又可闭环工作。,硅微加速度计,2.6 几种固态加速度计,电容式微加速度计的基本原理： 利用电容来检测加速度场中检测质量在惯性力作用下的微位移。由于微位移将引起检测电容的变化，检测电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。,硅微

27、加速度计,2.6 几种固态加速度计,根据平行板电容的计算公式： 通过改变极板叠合面积A、极板间隙d或极板间介质的相对介电常数等参数来调节电容值的大小。反过来，也可以根据检测电容的变化，确定引起电容变化原因，进而实现对某些物理量的检测。,硅微加速度计,2.6 几种固态加速度计,目前主要有三种结构形式的变间隙电容式微加速度计，分别是“三明治”式、“扭摆式”式和“梳齿式”结构,硅微加速度计,2.6 几种固态加速度计,硅微加速度计,a.三明治式电容加速度计,b.扭摆式加速度计,c.跷跷板扭摆式电容加速度计,d.梳齿式电容加速度计,三种不同结构的电容式微加速度计的比较,硅微加速度计,2.6 几种固态加速

28、度计,应用： 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。 另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析

29、；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。,硅微加速度计,2.6 几种固态加速度计,光纤加速度计采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移 光纤加速度计具有抗电磁干扰能力强、体积小、质量轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作 光纤加速度传感器在原理上主要有相位调制型与光强调制型两大类,光纤加速度计,2.6 几种固态加速度计,相位调制型光纤加速度计,开环光纤加速度计的原理简图,光纤加速度计,2.6 几种固态加速度计,相位调制型光纤加速度计,闭环光纤加速度计结构简图,光纤加速度计,2.6 几种固态加速度计,相位调制型光纤加速度计,闭环光纤加速度计系统框图,光纤加速度计,2.6 几种固态加

30、速度计,光强调制型光纤加速度计,光强调制型光纤加速度计,光纤加速度计,2.6 几种固态加速度计,激光加速度计的作用原理是在两束激光回路中安装两个中间夹着敏感质量的光弹性晶体，在加速度的作用下，敏感质量使两个晶体受不同方向的力，其中一个生长，另一个压缩，因而导致激光光束的频率发生变化。当光束通过极性过滤而重叠后，可以测出与加速度成正比的差频信号。 这种加速度计的输出信号是数字形式，无反馈回路，由于两束激光平行，易于消除一阶同相干扰如温度漂移、横向耦合等，可以承受较大范围的加速度。,激光加速度计,2.6 几种固态加速度计,超导加速度计 高温超导体的发展使得超导加速度计的研制具有可行性。现在的超导体还需要冷冻温度和相应的辅助仪器，这些限制了超导加速度计在轨道惯导中的应用。由于超导加速度计的理论灵敏度可达，预计在将来超导加速度计可以用于微重力测量（如重力仪、重力梯度仪）和惯性导航领域。,微重力测量,2.6 几种固态加速度计,光学陀螺： 光纤陀螺； 激光陀螺； 加速度计： 石英挠性加速度计； MEMS加速度计；,本章总结,如何应用于惯导系统： 硬件； 软件；,The End,