基于双光束光阱的开环光力加速度传感理论与实验初步研究
发布时间：2021-08-27 04:27
惯性导航是一种自主导航方式,可以不依赖于任何外部信息支持而独立的完成导航任务,在军用与民用领域都有着广泛应用。加速度计与陀螺仪是惯性导航的核心器件。本文在对比分析了传统加速度计的优缺点基础上,针对基于双光纤光阱的光力加速度传感系统展开了初步的理论与实验研究。简单回顾了惯性导航技术的发展历程,比较了不同种类加速度计的原理和优缺点,重点分析了光力加速度传感技术的原理优势与前沿进展,指出了其高精度、小型化的发展潜力。简要介绍了光阱的基本概念,梳理总结了光阱力的常用计算方法,总结分析了光阱刚度的标定方法。详细介绍了光力加速度传感系统的基本结构,理论分析了测量带宽与分辨率,研究了加速度传感系统几种主要的噪声来源,在此基础上,分析了微球半径、密度、光阱刚度等参数对分辨率的影响,并对各参数进行了优化设计。针对液态光阱环境下微球快速装载的问题,设计并测试了具备自装载功能的双光纤光阱芯片。针对气态光阱环境下微球快速装载问题,提出了基于压电陶瓷的振动起支技术,分析了微球与起支板之间的粘附力构成和影响规律,研究了微球速度、加速度对起支捕获的影响,最终将振动起支技术与自装载双光纤光阱芯片结合,实现了空气中微球...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
平台式惯导系统
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页技术逐渐在商业领域也发挥出了巨大的作用。当今社会，科技的日新月异对惯导技术提出了越来越高的要求，惯导系统更加趋向于向更高精度、小型化、低成本与低功耗发展。因此，新型陀螺仪与加速度计的研发一直都是各国的研究热点。1.1.2加速度计概述1.1.2.1加速度计的基本原理与分类一个物体的运动轨迹可以通过测量位置、速度与加速度得到，但是在物体内部能够测量的只有加速度。加速度计的基本原理是牛顿第二定律，即质点动量的变化率与外力成正比。当质点受到外力作用而发生运动状态的变化时，其作用于施力物体上的反作用力就称为惯性力。引入惯性力的概念后，可以得出一个结论：在质点运动的任一时刻，主动力、约束力与惯性力构成平衡力系，这就是达伦贝尔原理。达伦贝尔原理虽然本质上是对牛顿第二定律进行推演的结果，但是它的意义在于将动力学的问题转化为静力学问题，这使人们可以通过力平衡方程分析加速度计在运动状况下的受力问题。以开环线式加速度计为例，其基本原理图如图1.2所示。图1.2开环线加速度计原理图如图1.2所示的加速度计包括壳体、弹簧、阻尼液和检测质量几个部分。当壳体进行变速运动时，检测质量在惯性力作用下相对于壳体产生位置偏移X。加速度计的运动方程可以表示为22dddddsXXmamCKXtt（1.4）其中，a为壳体相对惯性空间的加速度，通常以重力加速度g为单位。m为检测质量的质量，Cd为阻尼液的阻尼系数，Ks为弹簧弹性系数。求解（1.4）就可以得到与加速度a对应的位移X的值。以上讨论的是线加速度计的工作原理，这种加速度计的检测质量沿敏感轴方
ü?錾涔獾亩?亢徒嵌?康?变化来监测振子的运动状态，进而实现对其受力（矩），以及（角）速度、（角）加速度的测量。光力惯性传感器件具有极高的品质因子，且振子有望制备到量子态，进一步提高测量极限分辨率。目前光力惯性传感技术的物理系统主要包括光阱系统和微腔系统。本节将全面介绍光力惯性技术的基本特点和发展现状。1.2.1基于光阱系统的光力惯性传感技术对称的梯度光场与微粒相互作用时，会形成一种能束缚微粒的势阱，称为光阱[19]。2005年麻省理工学院提出了采用光阱系统实现加速度测量的方案，其基本结构如图1.3所示。两束相向传播的高斯光束形成三维光阱，在沿光轴方向上一定的范围内被激光束缚的微米级检测质量受到光力正比于其偏离平衡位置的位移。以光轴方向（简称轴向）作为敏感轴方向，则当有轴向加速度输入时，检测质量受力满足F=ma=kx。其中，m为质量，a为载体加速度，k为光阱刚度，x为传感质量相对于光阱中心的位移。可见，位移x与载体的惯性加速度a成正比，可实现对惯性加速度的测量。图1.3双光束光阱加速度传感原理光阱系统中利用光子的动量或角动量实现微纳尺度转子的高速旋转，在高转速条件下，转子具有定轴性，其角速度矢量的方向在惯性空间中保持不变，见图1.4。当载体相对于惯性空间有转角时，可以通过读取相对于载体的转角信号来实现载体角速度的测量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2016年国外惯性技术发展与回顾[J]. 薛连莉,陈少春,陈效真. 导航与控制. 2017(03)
[2]压电陶瓷电特性测试与分析[J]. 黄家荣,叶晓靖. 电子技术应用. 2016(08)
[3]国外战略导弹制导系统惯性器件发展趋势分析[J]. 王立旭,常晓华,杨云翔. 航天控制. 2016(02)
[4]纳米磁微粒的激光散斑位移测量系统[J]. 王希军. 电子测量与仪器学报. 2013(11)
[5]惯性技术研究现状及发展趋势[J]. 王巍. 自动化学报. 2013(06)
[6]基于经验模分解的陀螺信号消噪[J]. 甘雨,隋立芬. 测绘学报. 2011(06)
[7]线加速度计的现状与发展趋势综述[J]. 赵君辙,邢馨婷,杨中柳. 计测技术. 2007(05)
[8]半导体激光器与变芯径光纤实用化耦合技术研究[J]. 牛金星,毛海涛,李方正,张锦龙,王庆国,柴秀丽,林咏海,冯伟. 激光与红外. 2005(06)
[9]生命科学研究中的光镊技术[J]. 李银妹,楼立人. 生命科学仪器. 2004(04)
[10]惯导加速度计技术综述[J]. 顾英. 飞航导弹. 2001(06)
博士论文
[1]基于腔量子电动力学系统及腔光力系统的光子操控[D]. 张旸.大连理工大学 2017
[2]基于Y型腔正交偏振双频激光器的激光加速度计初步研究[D]. 肖光宗.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]新型转子式微陀螺球碟转子结构设计[D]. 祁子泷.哈尔滨工业大学 2014
[2]光纤光镊的捕获特性与振动传感特性研究[D]. 王镭.哈尔滨工程大学 2011
[3]石英振梁加速度计技术研究[D]. 林日乐.电子科技大学 2006
本文编号：3365645
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
平台式惯导系统
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页技术逐渐在商业领域也发挥出了巨大的作用。当今社会，科技的日新月异对惯导技术提出了越来越高的要求，惯导系统更加趋向于向更高精度、小型化、低成本与低功耗发展。因此，新型陀螺仪与加速度计的研发一直都是各国的研究热点。1.1.2加速度计概述1.1.2.1加速度计的基本原理与分类一个物体的运动轨迹可以通过测量位置、速度与加速度得到，但是在物体内部能够测量的只有加速度。加速度计的基本原理是牛顿第二定律，即质点动量的变化率与外力成正比。当质点受到外力作用而发生运动状态的变化时，其作用于施力物体上的反作用力就称为惯性力。引入惯性力的概念后，可以得出一个结论：在质点运动的任一时刻，主动力、约束力与惯性力构成平衡力系，这就是达伦贝尔原理。达伦贝尔原理虽然本质上是对牛顿第二定律进行推演的结果，但是它的意义在于将动力学的问题转化为静力学问题，这使人们可以通过力平衡方程分析加速度计在运动状况下的受力问题。以开环线式加速度计为例，其基本原理图如图1.2所示。图1.2开环线加速度计原理图如图1.2所示的加速度计包括壳体、弹簧、阻尼液和检测质量几个部分。当壳体进行变速运动时，检测质量在惯性力作用下相对于壳体产生位置偏移X。加速度计的运动方程可以表示为22dddddsXXmamCKXtt（1.4）其中，a为壳体相对惯性空间的加速度，通常以重力加速度g为单位。m为检测质量的质量，Cd为阻尼液的阻尼系数，Ks为弹簧弹性系数。求解（1.4）就可以得到与加速度a对应的位移X的值。以上讨论的是线加速度计的工作原理，这种加速度计的检测质量沿敏感轴方
ü?錾涔獾亩?亢徒嵌?康?变化来监测振子的运动状态，进而实现对其受力（矩），以及（角）速度、（角）加速度的测量。光力惯性传感器件具有极高的品质因子，且振子有望制备到量子态，进一步提高测量极限分辨率。目前光力惯性传感技术的物理系统主要包括光阱系统和微腔系统。本节将全面介绍光力惯性技术的基本特点和发展现状。1.2.1基于光阱系统的光力惯性传感技术对称的梯度光场与微粒相互作用时，会形成一种能束缚微粒的势阱，称为光阱[19]。2005年麻省理工学院提出了采用光阱系统实现加速度测量的方案，其基本结构如图1.3所示。两束相向传播的高斯光束形成三维光阱，在沿光轴方向上一定的范围内被激光束缚的微米级检测质量受到光力正比于其偏离平衡位置的位移。以光轴方向（简称轴向）作为敏感轴方向，则当有轴向加速度输入时，检测质量受力满足F=ma=kx。其中，m为质量，a为载体加速度，k为光阱刚度，x为传感质量相对于光阱中心的位移。可见，位移x与载体的惯性加速度a成正比，可实现对惯性加速度的测量。图1.3双光束光阱加速度传感原理光阱系统中利用光子的动量或角动量实现微纳尺度转子的高速旋转，在高转速条件下，转子具有定轴性，其角速度矢量的方向在惯性空间中保持不变，见图1.4。当载体相对于惯性空间有转角时，可以通过读取相对于载体的转角信号来实现载体角速度的测量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2016年国外惯性技术发展与回顾[J]. 薛连莉,陈少春,陈效真. 导航与控制. 2017(03)
[2]压电陶瓷电特性测试与分析[J]. 黄家荣,叶晓靖. 电子技术应用. 2016(08)
[3]国外战略导弹制导系统惯性器件发展趋势分析[J]. 王立旭,常晓华,杨云翔. 航天控制. 2016(02)
[4]纳米磁微粒的激光散斑位移测量系统[J]. 王希军. 电子测量与仪器学报. 2013(11)
[5]惯性技术研究现状及发展趋势[J]. 王巍. 自动化学报. 2013(06)
[6]基于经验模分解的陀螺信号消噪[J]. 甘雨,隋立芬. 测绘学报. 2011(06)
[7]线加速度计的现状与发展趋势综述[J]. 赵君辙,邢馨婷,杨中柳. 计测技术. 2007(05)
[8]半导体激光器与变芯径光纤实用化耦合技术研究[J]. 牛金星,毛海涛,李方正,张锦龙,王庆国,柴秀丽,林咏海,冯伟. 激光与红外. 2005(06)
[9]生命科学研究中的光镊技术[J]. 李银妹,楼立人. 生命科学仪器. 2004(04)
[10]惯导加速度计技术综述[J]. 顾英. 飞航导弹. 2001(06)
博士论文
[1]基于腔量子电动力学系统及腔光力系统的光子操控[D]. 张旸.大连理工大学 2017
[2]基于Y型腔正交偏振双频激光器的激光加速度计初步研究[D]. 肖光宗.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]新型转子式微陀螺球碟转子结构设计[D]. 祁子泷.哈尔滨工业大学 2014
[2]光纤光镊的捕获特性与振动传感特性研究[D]. 王镭.哈尔滨工程大学 2011
[3]石英振梁加速度计技术研究[D]. 林日乐.电子科技大学 2006
本文编号：3365645
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