[發(fā)明專利]一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機(jī)械陀螺及其實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010221858.2
• 申請日: 2010-07-08
• 公開（公告）號: CN101900555A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苑偉政;謝中建;常洪龍;付乾炎;呂湘連
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 夏維力

所屬領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機(jī)械陀螺及其實(shí)現(xiàn)方法，屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)

陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。目前使用MEMS技術(shù)的微機(jī)械陀螺的基本工作原理都是基于科氏(Coriolis)力效應(yīng)，即轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系中的運(yùn)動物體會受到與速度方向垂直的慣性力的作用。科氏力與轉(zhuǎn)動角速度成正比，通過檢測科氏力得到轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的角速度。而微機(jī)械陀螺敏感方式包括電容檢測、壓阻檢測和壓電檢測等。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電容檢測方法不受濕度等因素的影響，并具有較高的檢測靈敏度，因此，電容檢測的方案在微機(jī)械陀螺中采用最多，如專利申請?zhí)枮?00610114485，發(fā)明名稱為“一種電容式全解耦水平軸微機(jī)械陀螺”的專利公開了一種電容式檢測的微機(jī)械陀螺。

但是基于電容檢測方式有如下不足：

1)微機(jī)械電容式陀螺的電容量小(幾pF左右)，變化量更小，提取如此小的電容變化信號，對配套電路要求非常高；2)檢測電路會引入電路噪聲，而噪聲的引入會制約陀螺精度的進(jìn)一步提升；3)采用電容檢測方法時(shí)，由于提取的是微弱信號，電路周圍寄生雜散電容很容易淹沒有用信號，對電路檢測影響較大；4)電容受外界環(huán)境比如濕度或接地情況等的影響較大，使得微機(jī)械陀螺的零偏漂移輸出較大，從而影響系統(tǒng)的精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于公開一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機(jī)械陀螺及其實(shí)現(xiàn)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的如下問題：1)提取微弱電容變化信號對配套電路要求非常高的問題；2)檢測電路的電路噪聲問題；3)檢測電路的寄生雜散電容問題；4)微機(jī)械陀螺的零偏漂移問題。

本發(fā)明提出了一種基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機(jī)械陀螺，包括結(jié)構(gòu)層1和基底2，結(jié)構(gòu)層1和基底2材料均為半導(dǎo)體材料。

為了表述清楚，定義x方向?yàn)橥勇莸拿舾蟹较颍瑈方向?yàn)橥勇莸尿?qū)動方向，根據(jù)右手定則定義z方向；結(jié)構(gòu)層1包括質(zhì)量塊9、撓性梁7、驅(qū)動裝置和敏感移動梳齒5；質(zhì)量塊9通過撓性梁7懸置于基底2的錨點(diǎn)8之上，質(zhì)量塊9上連接有驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置在y方向，即陀螺的驅(qū)動方向上產(chǎn)生驅(qū)動力，從而帶動質(zhì)量塊9沿y方向運(yùn)動；敏感移動梳齒5也連接在質(zhì)量塊9上，它與置于基底2上的敏感固定梳齒4相應(yīng)，兩者在xoy平面上的投影成一定的角度θ重疊，0＜θ≤1°；同時(shí)敏感移動梳齒5在z方向的最低點(diǎn)高于敏感固定梳齒4的最高點(diǎn)，以形成兩者之間的相對運(yùn)動空間；敏感固定梳齒4的寬度為w₁，兩個(gè)敏感固定梳齒4之間的間隙為g₁；敏感移動梳齒5的寬度為w₂，兩個(gè)敏感移動梳齒5之間的垂直距離為g₂；他們之間滿足關(guān)系式：w₁+g₁≠w₂+g₂；同時(shí)激光光源3的波長λ與梳齒之間的間隙以及梳齒的寬度之間的關(guān)系滿足：0＜w₁+g₁≤10λ，0＜w₂+g₂≤10λ。

上述基于反射式斜向莫爾條紋位移檢測的微機(jī)械陀螺的實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：

步驟一：參閱圖1，由激光光源3發(fā)出的單色光經(jīng)聚光透鏡6后變成平行光，照明微機(jī)械陀螺上的敏感固定梳齒4和敏感移動梳齒5，敏感固定梳齒4和敏感移動梳齒5構(gòu)成一組測量光柵對，敏感固定梳齒4相當(dāng)于指示光柵，敏感移動梳齒5相當(dāng)于標(biāo)尺光柵，因?yàn)槊舾泄潭ㄊ猃X4和敏感移動梳齒5在xoy平面上的投影成一個(gè)角度θ重疊，當(dāng)有光照射時(shí)，會產(chǎn)生一種幾何干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生莫爾條紋；對于微機(jī)械陀螺而言，敏感移動梳齒5在科氏力作用下在敏感方向移動時(shí)，莫爾條紋也會發(fā)生相應(yīng)的移動；敏感移動梳齒5移動一個(gè)柵距，莫爾條紋移動一個(gè)條紋節(jié)距；當(dāng)敏感移動梳齒5沿反方向移動時(shí)，莫爾條紋也隨之改變運(yùn)動方向，通過測量移動的莫爾條紋的位移就可以檢測敏感移動梳齒5的位移；

步驟二：步驟一中產(chǎn)生的莫爾條紋被光電探測器11所接收，獲得相應(yīng)的電信號，將這個(gè)正弦波信號，經(jīng)差動放大器放大后，由斯密特整形電路形成方波，再經(jīng)微分電路變成前沿陡直的尖脈沖；

步驟三：步驟二中產(chǎn)生的尖脈沖經(jīng)過整流電路讓正方向或負(fù)方向的脈沖通過，然后進(jìn)入電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；

步驟四：這樣敏感移動梳齒5移動一個(gè)柵距d，其中d＝w₂+g₂，電子計(jì)數(shù)器就計(jì)一個(gè)數(shù)，最后輸出移動的莫爾條紋數(shù)n；