一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺，包括依次按激光光路顺序设置的激光光源、光调制单元、捕获悬浮单元、检测单元。光调制单元将激光光源发射的激光偏振态调整为圆偏振光状态后，在捕获悬浮单元中用于捕获悬浮微球，再利用检测单元对微球姿态角进行检测，本发明专利技术还公开了前述光悬浮微球转子陀螺的使用方法，本发明专利技术保留了光悬浮技术的低噪声优势下，极大地简化了光路的复杂程度，利用单光束激光同时实现了双折射材料微球转子的悬浮与姿态角检测，极具发展潜力。极具发展潜力。极具发展潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺


[0001]本专利技术涉及陀螺
，具体地涉及一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺。

技术介绍

[0002]陀螺仪在惯性导航领域有着十分重要的作用，其结合加速度计即可实现全自主的惯性导航，无需与外界通信。因此，陀螺仪的性能参数直接决定了惯性导航的精度，在工程实际中十分重要。目前主流的陀螺仪包括机械转子陀螺、振动陀螺、光学陀螺和原子陀螺，其中机械转子陀螺的发展历史最长，但其陀螺精度却一直保持在领先水平。最早的转子陀螺利用普通机械轴承支撑转子，使其高速旋转具有定轴性。依据具体的工作原理，可直接利用高速转子的定轴性，测量载体与转子自转轴的运动夹角，实现角运动的直接测量，也就是角度陀螺。也可在陀螺自转轴的正交方向布置力矩器形成闭环回路，依据输入的角速度大小控制力矩器使得自转轴跟随载体运动实现加速度的测量，也就是角速度陀螺。转子与轴承之间的摩擦力是机械转子陀螺的主要误差来源，所以为提高转子陀螺的精度，液浮轴承、气浮轴承、磁浮轴承以及静电轴承被相继提出，利用不同的悬浮技术将转子与轴承分开，从而降低摩擦力，达到提升陀螺性能精度的目的。
[0003]近年来，光悬浮技术逐渐走入了惯性导航领域。由于光悬浮技术将微粒子悬浮在空中，较好的隔绝了环境噪声，其优越性在诸多精密测量领域都得到了验证。同时，基于圆偏振光的自旋角动量传递驱动微球的旋转技术也迅速发展，在真空环境下可以驱动粒子至GHz转速。因此，基于光悬浮转子的陀螺技术随之出现。目前，现有光悬浮旋转微粒子陀螺是基于多光束实现陀螺效应，如中国专利公开号CN104034322A公开了一种光学悬浮转子微陀螺测量角速度的装置，其本质上是基于三维涡旋光阱系统的光悬浮转子陀螺，利用光悬浮技术稳定捕获粒子后，依据在微球上制备的检测图案实现姿态角测量，然后利用涡旋光调整微球的姿态使其工作在闭环状态实现角速度的测量。该方案共需六束激光以实现陀螺效应，且姿态角的检测需要在微米尺寸的球上制备对称图案，这对光路系统和微球的制备要求都特别高，陀螺的性能精度极易受到这些参数的影响。如中国专利公开号CN110514191A公开了一种微机电光悬浮旋转微粒子陀螺，其利用微机电技术的光悬浮陀螺方案也需三束激光来实现粒子姿态角的测量，且测量信号依赖于微球表面形貌，限制了其检测精度。如中国专利公告号CN 109059892 B公开了一种基于双光束光阱系统的光子悬浮陀螺，利用线偏光和双折射微球来测量光子悬浮陀螺偏转角度，但需要三束入射激光、两个光电探测器。这些已有的专利中一方面是多光束导致整体结构复杂，光路调整难度增加，不稳定因素增多，且不利于实现结构的稳定性。另一方面是陀螺工作原理上，未考虑到光学定向力矩对姿态角稳定性的影响，当外界有角度输入时，粒子的最大惯性主轴与线偏振方向的夹角会不稳定，这对陀螺的精度会产生很大的影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺，基于微球光轴对激光偏振态的影响规律，利用一束激光同时实现微球转子的悬浮、驱动以及信号检测，降低了光路的复杂程度。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺，包括依次按激光光路顺序设置的激光光源、光调制单元、捕获悬浮单元、检测单元，所述激光光源发射的激光由光调制单元调整后至捕获悬浮单元中用于捕获微球，所述检测单元用于检测微球的姿态角，所述光调制单元包括按激光光路顺序设置的扩束镜系统、二向色镜和1/4波片，所述光调制系统用于将激光偏振态调整为圆偏振光状态；所述捕获悬浮单元包括真空腔以及位于真空腔内的且按激光光路顺序设置的聚焦物镜、振动件和成像物镜，所述微球放置在能震动的振动件上且当振动件震动时所述微球能被抛送并悬浮在振动件上方，所述微球采用双折射晶体材料制备而成；所述检测单元包括按激光光路顺序设置的偏振分束棱镜、光电探测器以及与光电探测器电连接的数据采集装置。
[0006]作为上述技术方案的进一步改进：所述光悬浮微球转子陀螺还包括观测单元，所述观测单元包括可见光光源和图像捕捉装置，所述可见光光源和图像捕捉装置分别位于真空腔的激光入口前端和激光出口后端。
[0007]所述二向色镜、1/4波片设置在可见光光源和真空腔的激光入口前端之间。
[0008]所述光悬浮微球转子陀螺还包括按激光光路顺序设置的滤光片和反射镜，所述滤光片位于图像捕捉装置和真空腔之间，所述反射镜位于偏振分束棱镜和滤光片之间。
[0009]所述扩束镜系统包括两扩束镜，扩束镜的凸面相向设置。
[0010]所述双折射晶体材料为球霰石、方解石、石英晶体材料中的一种；所述微球形状为椭球形。
[0011]所述图像捕捉装置设置于成像物镜的后焦距处。
[0012]所述振动件包括玻璃片和压电片，所述微球位于玻璃片上，所述压电片与玻璃片连接，所述玻璃片的厚度与聚焦物镜的焦距相匹配。
[0013]本专利技术还提供了一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺的使用方法，包括以下步骤：步骤S1，打开激光光源震动振动件使微球从振动件上分离，捕获微球；步骤S2，调整光调制单元的1/4波片直至激光偏振态调整至圆偏振光状态，驱动微球旋转；步骤S3，输入角速度，检测单元的光电探测器检测偏振分束棱镜后的激光功率变化，得到微球姿态角信息，实现微球旋转信号的检测。
[0014]作为上述技术方案的进一步改进：所述步骤S2和步骤S3之间还包括步骤A1，所述步骤A1为：打开真空泵，降低真空腔内的气压直至微球转速达到第一阈值，关闭真空泵，稳定微球的转速。
[0015]所述步骤S3中，所述姿态角信息的变化方向与被测量角速度Ω垂直，所述姿态角大小为ΩH/k，其中H为微球的角动量，k为光扭矩弹簧的刚度。
[0016]相对于现有技术，本专利技术的优点在于：本专利技术所述的一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺，包括依次按激光光路顺序设置的激光光源、光调制单元、捕获悬浮单元、检测单元，光调整单元将激光光源发射的将激光偏振态调整为圆偏振光状态后，在捕获悬浮单元中用于捕获悬浮微球，再利用检测单元对微球姿态角进行检测，主要基于微球的光悬浮技术、旋转驱动技术、姿态角检测技术，并综合考虑微球转子对输入角速度的动态响应和对激光偏振态的调制作用等因素进行设计。激光在经过扩束和聚焦后，通过在真空腔内实现微球的悬浮，透过该微球的散射光被导入光电探测器，从而利用单激光光束实现悬浮驱动，以及微球的检测。当微球被稳定悬浮并驱动至高速旋转时，在垂直自转轴的平面内输入角速度后，由于定向力矩的自稳定作用，其空间姿态会在角速度的正交方向产生偏角。基于双折射材料光轴姿态角对激光偏振态的调制作用测量出微球姿态变化，经过解算即可实现输入角速度的测量。
附图说明
[0017]附图是用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术实施例，但并不构成对本专利技术实施例的限制。在附图中：图1为本专利技术中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光轴姿态角检测的光悬浮微球转子陀螺，包括依次按激光光路顺序设置的激光光源（1）、光调制单元、捕获悬浮单元、检测单元，所述激光光源（1）发射的激光由光调制单元调整后至捕获悬浮单元中用于捕获微球（9），所述检测单元用于检测微球（9）的姿态角，其特征在于：所述光调制单元包括按激光光路顺序设置的扩束镜系统（2）、二向色镜（4）和1/4波片（5），所述光调制系统用于将激光偏振态调整为圆偏振光状态；所述捕获悬浮单元包括真空腔（6）以及位于真空腔（6）内的且按激光光路顺序设置的聚焦物镜（7）、振动件（10）和成像物镜（11），所述微球（9）放置在能震动的振动件（10）上且当振动件（10）震动时所述微球（9）能被抛送并悬浮在振动件（10）上方，所述微球（9）采用双折射晶体材料制备而成；所述检测单元包括按激光光路顺序设置的偏振分束棱镜（15）、光电探测器（16）以及与光电探测器（16）电连接的数据采集装置（17）。2.根据权利要求1所述的光悬浮微球转子陀螺，其特征在于：所述光悬浮微球转子陀螺还包括观测单元，所述观测单元包括可见光光源（3）和图像捕捉装置（13），所述可见光光源（3）和图像捕捉装置（13）分别位于真空腔（6）的激光入口前端和激光出口后端。3.根据权利要求2所述的光悬浮微球转子陀螺，其特征在于：所述二向色镜（4）、1/4波片（5）设置在可见光光源（3）和真空腔（6）的激光入口前端之间。4.根据权利要求2所述的光悬浮微球转子陀螺，其特征在于：所述光悬浮微球转子陀螺还包括按激光光路顺序设置的滤光片（12）和反射镜（14），所述滤光片（12）位于图像捕捉装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宇列，肖定邦，吴学忠，曾凯，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：