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声表面波惯性器件传感检测技术研究

刘骏跃  
【摘要】: 惯性传感器的品性是保证自主性惯性导航系统性能的重要因素。作为一种灵敏度极高的传感器,深入研究声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)惯性器件的传感机理及其检测技术,不仅具有理论意义,而且具有工程实用价值。该论文开展并取得的研究成果有两个方面。一个在悬臂梁式SAW加速度传感器方面;另一个在SAW陀螺效应的探测理论和检测技术研究方面。 SAW加速度传感器方面 扼要地介绍了声表面波理论、声表面波叉指换能器(IDT)、声表面波谐振器(SAWR)、声表面波振荡器(SAWO)、声表面波滤波器(SAWF)工作原理以及SAW加速度传感器原理之后,分析了现有悬臂梁式SAW加速度传感器存在的一些主要问题,并研究了针对它们的实际解决方案和工程设计原则。 论文在悬臂梁式SAW加速度传感器研究方面取得的具体成果有: 1.完成石英悬臂梁SAW加速度计的系统设计,提高了SAW加速度传感器测量过程的敏感性、准确性及其工作性能; 2.利用浮动零点思想,不仅进一步抑制了温度等干扰因素对加速度计的影响,而且降低了其加工制作的难度; 3.研究了阶跃加速度惯性力激励下,悬臂梁式SAW加速度计差频输出的动态响应特征。改变了目前SAW加速度传感器理论研究中缺乏动荷载激励研究的现状,丰富了悬臂梁式SAW加速度传感器的研究理论; 4.用SAW滤波器为SAW加速度计增添了加速度方向判断功能,为其利用电容器静电力保护悬臂梁和实时调整量程奠定了基础; 5.研究了阶跃加速度的测量技术和测量方案,改进了现有悬臂梁式SAW加速度计的工作性能,设计出了可根据被测加速度大小实时调整量程的SAW加速度计。 SAW陀螺效应检测技术研究方面 根据固体波动理论,论证了SAW陀螺效应的存在性。鉴于国外SAW陀螺仪的研究现状、光学测量高精度的特点和近代声光物理学的成就,提出了利用声光互作用布拉格衍射现象,探测和检测SAW陀螺效应的技术思想。SAW声光陀螺的基本思想是通过声光相互作用,让光把寄载着陀螺效应的SAW信息从SAW介质(同时也是声光介质)中携带出来,通过布拉格声光测量技术达到推测声光介质旋转角速度大小的目的。 论文扼要介绍了声光布拉格衍射物理效应。基于超声波能够调制衍射光出射角度的声光物理理论,从检测工程角度研究了SAW陀螺效应的声光探测和检测方案。在SAW陀螺效应声光检测技术方面所做的具体工作及取得的研究成果有: 1.论证了SAW陀螺效应声光检测方案的可行性;分析了SAW陀螺效应的探测原理及基本测量公式,讨论了SAW陀螺效应声光检测系统的设计准则; 2.研究了铌酸锂(LiNbO_3)晶体的声光性质,分析了在LiNbO_3上实现SAW陀螺效应声光检测的可行性; 3.提出了检测SAW陀螺效应布拉格衍射光微小角度及其变化的CCD检测方案。讨论了CCD分辨率对整个测量系统微小角度分辨能力的影响,简要分析了CCD测量系统的敏感度、灵敏度和微小角度的光学显微放大技术。 4.指出了SAW陀螺效应声光检测技术今后的主要研究方向。 总之,SAW介质旋转角速度对SAW波速的调制作用(即SAW陀螺效应)表现为其对布拉格衍射角的调制作用。然而,理论计算表明声光布拉格衍射光的偏转角度及其变化量很小(弧秒级),所以能否实现对该微小角度及其变化量的准确测量关系到SAW陀螺效应声光探测和检测方案的成败。


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