光脉冲驱动与全光纤检测的哥氏振动微陀螺关键技术研究

微陀螺是MEMS技术和陀螺技术相结合的产物，是当今核心惯性器件研发的重点和热点。传统哥氏振动微陀螺与传统光学陀螺各有其难以克服的原理性缺陷，无法在低成本、低功耗、小体积和高精度与高动态性能之间达成统一，严重阻碍了陀螺技术的进步。本项目研究基于高频高能量光脉冲激发驱动臂振动和全光纤检测传感臂微位移的哥氏振动微陀螺（OCVG）关键技术。研究内容：1）OCVG结构与惯性传感原理研究，通过新颖的微振动结构与光学结构一体化设计，突破无驱动与检测交叉干扰、无正交误差引入机制、无频率谐振点要求和高灵敏度与高动态性能等关键技术；2）高频高能量光脉冲激发驱动臂振动原理与实现技术研究；3）全光纤检测传感臂微位移振动理论和闭环主动控制传感机理研究；4）基于光-机一体化的陀螺惯性特性参数计算、优化和原理验证研究。最终形成完善的OCVG结构、原理和功能设计与参数评测理论，为机械学与光学交叉的新型陀螺设计提供思路。

微陀螺是MEMS技术和陀螺技术相结合的产物，是当今核心惯性器件研发的重点和热点。本项目为国家自然科学基金委资助的面上项目，主要针对新型微陀螺原理所涉及的各关键技术展开研究，包括1）哥氏振动微陀螺结构与惯性传感原理研究；2）高频高能量光脉冲激发驱动臂振动原理与实现技术研究；3）全光纤检测传感臂微位移振动理论和闭环主动控制传感机理研究；4）基于光-机一体化的陀螺惯性特性参数计算、优化和原理验证研究。通过这四大方面的研究，力图为克服传统哥氏振动微陀螺与传统光学陀螺各自的原理性缺陷何低成本、低功耗、小体积和高精度陀螺研制，提供一套介于机械学与光学交叉领域的创新理论和方法。.项目组严格按照研究计划，把上述四大研究内容整合到驱动与检测两大方面，分别在微陀螺的光致机械驱动技术及无接触光纤检测技术上进行了系统研究并取得实成果：1）项目组首次独立推导出了光致机械振动的理论模型，并根据哥氏振动陀螺驱动原理，结合微悬臂梁集总参数模型与激光冲击波理论，形成激光冲击微悬臂梁的峰值压强模型并完成了微悬臂梁模态分析。在此基础上，设计出激光冲击机械模型，并科学发现了激光冲击微悬臂梁的作用规律。该部分的工作完成了项目申报书中第一和第二部分研究计划内容。2）项目组在陀螺驱动环节引入光学驱动技术基础上，设计了一种“十字梁”光机振动微陀螺的总体结构，分析了其在工作模态下的力学特性，建立了微陀螺固有频率的解析模型，为陀螺的结构设计提供理论依据。同时，在驱动环节对陀螺进行了光驱动力特性分析。仿真得出光冲击波压力可以达到驱动机械振动的效果，验证了光机振动陀螺的可行性。同时分析了光机振动陀螺的机械热噪声、光热噪声以及结构正交误差的机理与抑制方法，分别推导了各项噪声损耗的理论模型，并系统研究了光机振动陀螺的机械灵敏度。该部分的工作完成了项目申报书中第三和第四部分研究计划内容。.经过项目组成员的团结协作和艰苦努力，已于2015年底按计划完成了研究工作，超额完成了项目计划书所设定的任务，包括：1）在SCI期刊和EI期刊上发表论文16篇，国际会议论文8篇，撰写并出版中国科学出版社专著一部，合作出版专著一部；2）项目研究成果获得国家发明专利授权7件，申请并获受理国家发明专利5件；3）已毕业研究生12人，在读研究生16人。所获得的成果对微振动陀螺技术的研究具有理论指导意义。