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高精度光杠杆式微加速度计的研究

刘晓旻  
【摘要】: 现代海陆空天运载体的自动驾驶技术与高技术武器精确导航技术的迅猛发展,促进了导航与制导技术的飞速发展。惯性导航与制导技术是唯一具有自主性的导航技术,具有抗干扰、隐蔽性好的特点,倍受重视。惯性技术又是现代立体化战争中实现精确打击与防卫的关键技术,在国防领域有相当重要的地位。高精度、小型化、高可靠性的惯性器件更是新一代精确制导武器的急需。加速度计与陀螺是惯性系统的核心部件。我国的陀螺已经向小型化迈出了一大步。研制成功与陀螺配套的小型化、集成化、高性能、低成本的加速度计,凸显为我国国防建设的当务之急。目前我国的MEMS微加速度计,精度低于10~(-4)g,动态范围为±30g。本课题的目标是研制一种新型光学测量原理的微光学加速度计,测量精度达到10~(-5)g以上,动态范围接近±50g,达到国内领先,国际先进,填补国内空白。课题将片上集成光学系统技术与惯性技术相结合,为传统的惯性器件研究领域提供一种新的技术解决方案,具有创新性。 本文阐述了加速度计、微加速度计的测量原理、设计理论和微加速度计的误差分析;讨论了微加速度计的主要性能指标参数、测试方法;介绍了创新的光杠杆加速度测量方法、基于此方法构建的小型化微加速度计模型系统以及对该模型系统进行的静态翻转和转台实验;分析了小型化微加速度计模型系统的性能指标。最后对该设计方案的优缺点进行了总结,提出改进建议,对其发展做出了展望。数据显示:微加速度计模型系统工型理论分辨率能够达到8.8×10~(-7)g,实际加速度分辨率为3.1×10~(-5)g,平均灵敏度为19mV/10~(-5)g,动态范围在开环状态下是±2.037mg以上。模型系统Ⅱ型理论分辨率能够达到7.08×10~(-7)g,实际加速度分辨率为3.1×10~(-5)g,平均灵敏度为1.2mV/10~(-5)g,动态范围在开环状态下是±1.48mg以上。采取闭环控制,可以增大集成化后的加速度计动态范围。 本文所做工作是课题的第一步,为新型的光学惯性技术、微光学惯性器件的进一步研制、工程化奠定了基础,主要创新点包括: 1.提出了改进的光杠杆微位移测量理论; 2.设计并实现小型化的微位移测量系统,分析了系统性能; 3.构建了基于光杠杆的小型化微加速度计测量模型,进行了初步测试实验与性能分析; 4.提出基于MEMS技术的平面集成自由空间光杠杆式微加速度计的设计方案,对检测光路部分进行了实验,验证了实现的可行性。 该新型光学微加速度计模型系统精度高,结构易实现,具有研制成MEMS加速度计的可能。基于此模型研发的新型微光学加速度计工程化产品,能够满足现代国防需求。


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