慣性導(dǎo)航是一種自主導(dǎo)航方式,可以不依賴于任何外部信息支持而獨(dú)立的完成導(dǎo)航任務(wù),在軍用與民用領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。加速度計(jì)與陀螺儀是慣性導(dǎo)航的核心器件。本文在對(duì)比分析了傳統(tǒng)加速度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上,針對(duì)基于雙光纖光阱的光力加速度傳感系統(tǒng)展開了初步的理論與實(shí)驗(yàn)研究。簡(jiǎn)單回顧了慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程,比較了不同種類加速度計(jì)的原理和優(yōu)缺點(diǎn),重點(diǎn)分析了光力加速度傳感技術(shù)的原理優(yōu)勢(shì)與前沿進(jìn)展,指出了其高精度、小型化的發(fā)展?jié)摿Α：?jiǎn)要介紹了光阱的基本概念,梳理總結(jié)了光阱力的常用計(jì)算方法,總結(jié)分析了光阱剛度的標(biāo)定方法。詳細(xì)介紹了光力加速度傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),理論分析了測(cè)量帶寬與分辨率,研究了加速度傳感系統(tǒng)幾種主要的噪聲來源,在此基礎(chǔ)上,分析了微球半徑、密度、光阱剛度等參數(shù)對(duì)分辨率的影響,并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)液態(tài)光阱環(huán)境下微球快速裝載的問題,設(shè)計(jì)并測(cè)試了具備自裝載功能的雙光纖光阱芯片。針對(duì)氣態(tài)光阱環(huán)境下微球快速裝載問題,提出了基于壓電陶瓷的振動(dòng)起支技術(shù),分析了微球與起支板之間的粘附力構(gòu)成和影響規(guī)律,研究了微球速度、加速度對(duì)起支捕獲的影響,最終將振動(dòng)起支技術(shù)與自裝載雙光纖光阱芯片結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了空氣中微球... 

【文章來源】：國(guó)防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：124 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)

國(guó)防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第3頁技術(shù)逐漸在商業(yè)領(lǐng)域也發(fā)揮出了巨大的作用。當(dāng)今社會(huì)，科技的日新月異對(duì)慣導(dǎo)技術(shù)提出了越來越高的要求，慣導(dǎo)系統(tǒng)更加趨向于向更高精度、小型化、低成本與低功耗發(fā)展。因此，新型陀螺儀與加速度計(jì)的研發(fā)一直都是各國(guó)的研究熱點(diǎn)。1.1.2加速度計(jì)概述1.1.2.1加速度計(jì)的基本原理與分類一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過測(cè)量位置、速度與加速度得到，但是在物體內(nèi)部能夠測(cè)量的只有加速度。加速度計(jì)的基本原理是牛頓第二定律，即質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的變化率與外力成正比。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到外力作用而發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化時(shí)，其作用于施力物體上的反作用力就稱為慣性力。引入慣性力的概念后，可以得出一個(gè)結(jié)論：在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的任一時(shí)刻，主動(dòng)力、約束力與慣性力構(gòu)成平衡力系，這就是達(dá)倫貝爾原理。達(dá)倫貝爾原理雖然本質(zhì)上是對(duì)牛頓第二定律進(jìn)行推演的結(jié)果，但是它的意義在于將動(dòng)力學(xué)的問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題，這使人們可以通過力平衡方程分析加速度計(jì)在運(yùn)動(dòng)狀況下的受力問題。以開環(huán)線式加速度計(jì)為例，其基本原理圖如圖1.2所示。圖1.2開環(huán)線加速度計(jì)原理圖如圖1.2所示的加速度計(jì)包括殼體、彈簧、阻尼液和檢測(cè)質(zhì)量幾個(gè)部分。當(dāng)殼體進(jìn)行變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量在慣性力作用下相對(duì)于殼體產(chǎn)生位置偏移X。加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為22dddddsXXmamCKXtt（1.4）其中，a為殼體相對(duì)慣性空間的加速度，通常以重力加速度g為單位。m為檢測(cè)質(zhì)量的質(zhì)量，Cd為阻尼液的阻尼系數(shù)，Ks為彈簧彈性系數(shù)。求解（1.4）就可以得到與加速度a對(duì)應(yīng)的位移X的值。以上討論的是線加速度計(jì)的工作原理，這種加速度計(jì)的檢測(cè)質(zhì)量沿敏感軸方

ü?鏨涔獾畝?亢徒嵌?康?變化來監(jiān)測(cè)振子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其受力（矩），以及（角）速度、（角）加速度的測(cè)量。光力慣性傳感器件具有極高的品質(zhì)因子，且振子有望制備到量子態(tài)，進(jìn)一步提高測(cè)量極限分辨率。目前光力慣性傳感技術(shù)的物理系統(tǒng)主要包括光阱系統(tǒng)和微腔系統(tǒng)。本節(jié)將全面介紹光力慣性技術(shù)的基本特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀。1.2.1基于光阱系統(tǒng)的光力慣性傳感技術(shù)對(duì)稱的梯度光場(chǎng)與微粒相互作用時(shí)，會(huì)形成一種能束縛微粒的勢(shì)阱，稱為光阱[19]。2005年麻省理工學(xué)院提出了采用光阱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量的方案，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。兩束相向傳播的高斯光束形成三維光阱，在沿光軸方向上一定的范圍內(nèi)被激光束縛的微米級(jí)檢測(cè)質(zhì)量受到光力正比于其偏離平衡位置的位移。以光軸方向（簡(jiǎn)稱軸向）作為敏感軸方向，則當(dāng)有軸向加速度輸入時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量受力滿足F=ma=kx。其中，m為質(zhì)量，a為載體加速度，k為光阱剛度，x為傳感質(zhì)量相對(duì)于光阱中心的位移�？梢�，位移x與載體的慣性加速度a成正比，可實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性加速度的測(cè)量。圖1.3雙光束光阱加速度傳感原理光阱系統(tǒng)中利用光子的動(dòng)量或角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)微納尺度轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，在高轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)子具有定軸性，其角速度矢量的方向在慣性空間中保持不變，見圖1.4。當(dāng)載體相對(duì)于慣性空間有轉(zhuǎn)角時(shí)，可以通過讀取相對(duì)于載體的轉(zhuǎn)角信號(hào)來實(shí)現(xiàn)載體角速度的測(cè)量。

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