一种基于光学拍频检测的闪耀光栅MEMS陀螺

技术领域

本发明属于MEMS陀螺技术领域，具体涉及一种基于光学拍频检测的闪耀光栅MEMS陀螺。

背景技术

MEMS陀螺作为一种测量角速度的传感器，是惯性导航系统的重要组成部分之一。由于其集成度高、成本低、功耗低、可靠性高、可以大规模量产等优点，MEMS陀螺已经被广泛用于许多领域当中，包括航空航天技术、航海领域、汽车导航等前沿交叉科学领域。

然而随着人们对更高性能和功能的需求不断增加，目前主流的电容检测技术由于受到工艺加工和接口电路分辨率接近极限等因素的限制，精度已经很难得到提升。因此为了进一步提升陀螺的精度，基于光学检测式MEMS陀螺受到广泛应用，相比于传统的MEMS陀螺，光学式MEMS陀螺拥有更高精度、反应快、抗电磁干扰、可以在恶劣环境下工作等优点。因此光学式MEMS陀螺在惯性导航、建筑物监测、地球物理等灵敏度要求较高的领域当中有着广阔的应用前景。

根据测量原理，光学MEMS陀螺主要分为基于几何光学和基于波动光学两大类。基于几何光学的MEMS陀螺原理是直接通过调制光的强度来感知角速率变化大小，其具有结构简单、成本低的优点，但是由于其对入射光源波动和外部环境的敏性较高，通常难以保证其精度；基于波动光学的光栅陀螺原理是当外界施加转动时，陀螺产生的哥氏力导致物体发生位移，从而导致波长(或频率/相位)的变化，通过检测相应变化从而实现对角速率检测，这种类型的光学MEMS陀螺具有紧凑的光路和更高的精度，在小型化和集成化方面更具有优势，因此成为基于波动光学MEMS陀螺发展的主要方向。目前波动光学的主要研究有法布里布拉格光栅，这种光纤传感器具有抗干扰能力强、良好的复现性、使用寿命长、便于集成、高热稳定性和易于远距离传输信号的优点，但是光纤传感器存在不易加工、谐振频率低、激光器和解调系统成本高等问题，限制了光纤光栅传感器的应用领域。

发明内容

针对上述现有MEMS陀螺加工难度大、集成度低、灵敏度受交叉串扰影响等技术问题，本发明提供了一种基于光学拍频检测的闪耀光栅MEMS陀螺，闪耀光栅MEMS陀螺在哥氏力的作用下，结构中的闪耀光栅发生转动，通过检测闪耀角度的变化引起的光频变化来实现对陀螺的角速率的测量，同时利用环形器提高系统的集成度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于光学拍频检测的闪耀光栅MEMS陀螺，包括激光器、第一分束镜、第一反射镜、环形器、准直透镜、闪耀光栅陀螺、第二反射镜、第二分束镜和光电探测器，所述激光器的光路方向上设置有第一分束镜，所述第一分束镜的一个光路方向上设置有第一反射镜，所述第一分束镜的另一个光路方向上设置有环形器，所述环形器的一个光路方向上设置有准直透镜，所述准直透镜的光路方向上设置有闪耀光栅陀螺，所述第一反射镜的反射光路上设置有第二分束镜，所述环形器的另一个光路方向上设置有第二反射镜，所述第二反射镜的反射光路上设置有第二分束镜，所述第二分束镜的一个光路方向上设置有光电探测器。

所述第一反射镜和第二反射镜均采用45°反射镜。

所述激光器与第一分束镜之间设置有光开关。

所述闪耀光栅陀螺包括驱动梁、闪耀光栅、检测梁、基底和质量块，所述基底通过驱动梁与检测梁连接，所述检测梁与质量块连接，所述质量块上设置有闪耀光栅。

一种基于光学拍频检测的闪耀光栅MEMS陀螺的测量方法，包括下列步骤：

S1、激光器发出光通过第一分束镜形成反射和透射两路光，反射光通过第一反射镜到达第二分束镜形成拍频光路中的一束光；

S2、透射光线经过第一分束镜到达环形器，从环形器下端输出的光经过准直透镜后作用于闪耀光栅陀螺上；

S3、闪耀光栅陀螺由于角速率产生的哥氏力作用下，入射到闪耀光栅的角度发生变化，导致返回环形器激光的频率发生偏移，该束激光形成光学拍频的第二束光，并从环形器右端输出；

S4、该束激光再经过第二反射镜作用于第二分束镜上，和之前的第一束光相叠加，在光电探测器上观测光学拍频的信号，从而测出闪耀光栅MEMS陀螺角速率的大小。

所述S3中入射到闪耀光栅的角度发生变化的实现方法为：在闪耀光栅陀螺的驱动梁施加一个正弦驱动力的作用，所述正弦驱动力沿y轴方向，当闪耀光栅陀螺绕x轴旋转时，质量块在z轴方向上产生一个哥氏力，带动闪耀光栅做离面运动，使得闪耀光栅的闪耀角发生变化。

所述闪耀光栅的公式为：

2d sinβ

β

2dsinβ

所述d是光栅常数，所述β

所述S4中测出闪耀光栅MEMS陀螺角速率的大小的方法为：当发生旋转后闪耀波长也发生了变化，通过光路系统将发生变化后的光路传输到第二分束镜处与从第一反射镜反射过来的光形成光学拍频，其中两路不同的干涉光表示为：

所述ω

ω

通过光电探测器直接探测得到拍频的大小，求得闪耀光栅的偏转后的闪耀角，通过偏转后的闪耀角变化求出MEMS陀螺的角速率。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明在检测光路上使用光学环形器提高了光路系统的集成度。本发明是通过检测闪耀光栅的偏转角度来实现对MEMS陀螺角速率的测量，在加工上降低加工难度，并且在结构上减小了交叉串扰对陀螺灵敏度的影响。并且本发明检测原理使用了光学拍频方式检测，较衍射检测方法更加灵敏，可实现对陀螺的精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明闪耀光栅陀螺的结构示意图；

图3为本发明未施加角速率闪耀光栅的状态示意图；

图4为本发明施加角速率闪耀光栅的状态示意图；

图5为本发明闪耀光栅陀螺角速率与频率差关系图。

其中：1为激光器，2为第一分束镜，3为第一反射镜，4为环形器，5为准直透镜，6为闪耀光栅陀螺，601为驱动梁，602为闪耀光栅，603为检测梁，604为基底，605为质量块，7为第二反射镜，8为第二分束镜，9为光电探测器，10为光开关。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本实施例中，闪耀光栅光路检测原理如图1所示，由激光器1发出激光，经过第一分束镜2形成两束激光，第一路激光通过第一分束镜2和第一反射镜3反射到达第二分束镜8处，形成拍频的第一路激光；第二路激光通过第一分束镜2透射经由环形器4改变光路传播方向，通过准直透镜5后，直射到闪耀光栅陀螺6上，由于在外界角速率作用下，闪耀光栅602发生偏转，使得进入环形器4的入射光的频率发生了变化，激光原路返回经准直透镜5，从环形器4右端输出，经过第二反射镜7作用到达第二分束镜8处，形成第二路拍频信号，两路信号经过第二分束镜8的作用后形成光学拍频，由光电探测器9探测及频谱仪分析，计算得到陀螺的角速率大小。具体方案如下：

如图2所示，闪耀光栅陀螺6由驱动梁601、闪耀光栅602、检测梁603、基底604和质量块605组成，在闪耀光栅陀螺6的驱动梁1施加一个正弦驱动力的作用(沿y轴方向)，当闪耀光栅陀螺6绕x轴旋转时，质量块605在z轴方向上产生一个哥氏力，带动闪耀光栅602做离面运动，闪耀光栅602具体检测原理示意图如图3、图4所示，由于光经过准直透镜5垂直入射到闪耀光栅602上，根据闪耀光栅公式(1)和图3可知特定闪耀角对应着特定闪耀波长。

2d sinβ

β

2dsinβ

当闪耀光栅602发生偏转时，如图4可知当闪耀光栅602受到哥氏力发生偏转，闪耀光栅602的闪耀角就会发生变化，由公式(2)可知闪耀光栅转动后的闪耀角为光栅转动角度加上初始状态下的闪耀角，其中β

其中ω

ω

通过光电探测器9可以直接探测得到拍频的大小。再通过(3)、(6)式求得闪耀光栅的偏转角。通过使用Comsol软件仿真得到闪耀光栅MEMS闪耀光栅陀螺角速率与频率差关系如图5所示。

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。