陀螺儀作為一種檢測外部旋轉(zhuǎn)角速度的器件，可以結(jié)合加速度計構建慣性導航系統(tǒng)，在軍事、工業(yè)和消費電子領域的許多應用中發(fā)揮著不可替代的作用，例如：慣性導航、航姿參考、角度檢測等。然而，在無人駕駛航天器、火箭發(fā)射和石油鉆探等涉及極端環(huán)境的應用中，陀螺儀芯片會受到很大的沖擊過載。

例如，導彈在發(fā)射期間過載超過20,000?g，這會導致陀螺儀中的可動懸置元件在大負載下發(fā)生故障，梳齒等檢測結(jié)構可能斷裂、粘附或被微粒污染。從而使陀螺儀很難恢復到過載前的狀態(tài)，使其性能嚴重下降，甚至可能使結(jié)構全面損壞，導致陀螺儀失去工作能力。

經(jīng)過多年的發(fā)展，科學家們提出了利用聲表面波（SAW）陀螺儀來解決過載問題。與MEMS陀螺儀完全不同的是，SAW陀螺儀通常采用全固態(tài)結(jié)構，沒有任何可動懸置元件，這使得它們能夠在極端環(huán)境中承受過載。

然而，盡管SAW陀螺儀作為一種傳感機制具有巨大的潛力，但它仍然面臨許多挑戰(zhàn)，例如測量限制、靈敏度下降以及溫度補償?shù)?。幸運的是，光學探測方法為其提供了一種改進性能的新方法，其高靈敏度、高穩(wěn)定性和低噪聲特性有助于精確測量。根據(jù)聲光效應，光學探測方法和SAW技術可以結(jié)合起來測量固體介質(zhì)中機械應變引起的折射率變化，實現(xiàn)陀螺面外角速度檢測。

西北工業(yè)大學機電學院教授、博士生導師常洪龍及其團隊提出并數(shù)值研究了一種全新的基于聲光效應的高靈敏度行波陀螺儀，用于測量旋轉(zhuǎn)角速度。與傳統(tǒng)SAW陀螺儀利用SAW頻率變化來表征旋轉(zhuǎn)角速度不同，本研究利用聲光效應檢測由機械應變引起的折射率變化，通過光波導的輸出光功率強度測量角速度。這項研究成果已發(fā)表于近期發(fā)行的Microsystems & Nanoengineering。

新型行波陀螺儀的工作原理

研究人員利用三維有限元分析方法建立了SAW激勵模型和光學檢測模型。研究表明，SAW陀螺儀的靈敏度高度依賴結(jié)構的幾何參數(shù)，在外部角速度的作用下，通過光功率強度可以有效地測量SAW行波引起的機械應變。所提出結(jié)構的優(yōu)越性通過所實現(xiàn)的1.8647 (mW/m2)/(rad/s)理論靈敏度和220,000?g高抗沖擊性得到了證實。

通過歸一化，與傳統(tǒng)SAW陀螺儀相比，本研究所提出的結(jié)構的靈敏度可以提高四個數(shù)量級。該新型結(jié)構結(jié)合了傳統(tǒng)微型振動陀螺儀和光學陀螺儀的優(yōu)點，為提高SAW陀螺儀性能提供了一種強大的解決方案，從而使其能夠應用于慣性器件領域。

根據(jù)理論和有限元仿真結(jié)果，本研究所提出的聲光陀螺儀結(jié)構的機械靈敏度對其幾何參數(shù)有一定的依賴性，因此可以通過優(yōu)化結(jié)構的幾何參數(shù)進一步提高陀螺儀的靈敏度。這種聲光陀螺儀適用于航空航天、軍事和地質(zhì)勘探等極端環(huán)境中的角速度信號檢測，并有望在火箭發(fā)射和石油鉆探領域發(fā)揮重要作用。

聲光相互作用的模擬仿真

論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41378-022-00429-4

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