光学高精度微加速度计的位移测量系统研究

摘要

高精度(10-6g(μg))的微光机电加速度计，是惯导系统中的重要组部分。目前国内在MEMS微加速度计方面，精度总体上低于10-4g。本课题所作的研究，主要是填补国内在这方面的空白，提高整体的惯导技术水平。 本文主要论述了微加速度计的原理、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以及测试方法；并且在此基础上提出了微加速度计设计关键部分——微位移测量系统的设计和结构实现。 在本课题的目前研究阶段，我们提出了一种创新的光杠杆式原理，并根据原理设计了整个测量系统方案。经过多次、反复实验，其实验数据说明了系统的稳定性、可重复性、以及高精度(分辨率达到4nm)。通过理论分析，该分辨率完全满足微加速度计对精度的要求(10-6g(μg))。

目录

第一章绪论

§1.1课题背景

§1.2加速度计原理

§1.3微加速度计简介

§1.3.1微加速度计的应用

§1.3.2微加速度计的制造技术

§1.3.3微加速度计在近几十年的发展

§1.3.4几种典型的微加速度计

§1.4本课题主要研究内容

第二章加速度计相关理论分析

§2.1加速度计的基本力学模型

§2.2微加速度计的设计理论

§2.3加速度计输出信号的信息组成

§2.3.1简化的无阻尼力学模型和动力学方程

§2.3.2加速度计激励信号af(t)分析

§2.3.3加速度计输出信号的解析表达式

§2.3.4加速度计输出信号所包含的加速度信息

§2.4微加速度计的误差分析

§2.4.1机械结构噪声(布朗(Brownain)噪声)

§2.4.2集成运算放大器噪声

§2.4.3温度误差

§2.5微加速度计的主要性能指标以及测试方法

第三章光学式高精度加速度计的位移测量系统

§3.1光杠杆微位移放大系统

§3.2压电陶瓷标准位移输出装置

§3.2.1压电陶瓷基本原理

§3.2.2压电陶瓷位移特性

§3.2.2压电陶瓷的一些其它特性

§3.3 PSD信号检测装置

§3.3.1 PSD器件原理

§3.3.2 PSD电路图

§3.3.3 PSD检测系统的电路误差

§3.4光杠杆系统Ⅲ型原理

第四章光学式高精度加速度计实验测试系统

§4.1测量系统总体结构(系统Ⅰ型)

§4.2整体结构的微型化(系统Ⅱ型)

第五章测量系统的实验结果和数据处理

§5.1使用电容测微仪对压电陶瓷形变量进行标定

§5.2光杠杆微位移测量系统对PZT形变量的测量数据

§5.3系统的理论分辨率

§5.4系统的实际分辨率

§5.5根据位移分辨率分析加速度计的分辨率

§5.6误差分析

第六章总结与展望

§6.1课题工作总结

§6.2展望

参考文献

致谢

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