微光栅加速度计温度控制研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:周陆强()男硕士研究生:.通信作者:杨波()男教授博士生导师:.:./.微光栅加速度计温度控制研究周陆强杨 波(.东南大学 仪器科学与工程学院 南京.东南大学 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室 南京)摘要:微光栅加速度计凭借着极高灵敏度和分辨率等优势成为近几年的研究热点但外界环境温度的变化会影响其输出精度 为优化其温度特性提出了一种两级内外温控系统 通过介绍微光栅加速度计的基本原理分析了由于半导体激光器和 敏感芯片的温度特性对其造成的影响 针对加速度计设计了温控电路对其
2、搭载两级内外温控系统使其工作温度保持恒定最后对该系统进行了实验测试 实验结果表明:在该温控系统下加速度计的工作温度控制精度可达.对于加速度计的噪声性能而言在.频段相较于未加温控系统的加速度计整体信噪比提高了 关键词:微光栅加速度计两级温度控制温控电路半导体激光器本文引用格式:周陆强杨波.微光栅加速度计温度控制研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言 加速度计的诞生促成了惯性制导系统的精密化发展 随着国防军事惯导系统对 加速度计的精度要求日益提高传统 加速度计已无法满足其需求 近年来基于光学检测和 工艺的微光栅加速度计逐渐成为研究热点 微光
3、栅加速度计由于其优越的灵敏度、分辨率和抗电磁干扰能力有望成为传统 加速度计的替代品然而微光栅加速度计的性能同样会受到温漂的影响 因此提高它们的温度稳定性对于促进其在各个领域的发展至关重要对于传统 加速度计而言研究人员一直在探索各种策略来减轻温度漂移对它们的影响 这些方法主要包括设计温度控制电路、软件补偿 和结构优化 然而这些方法的有效性可能因加速度计具体的设计和应用而异 等提出了一种基于传统 控制拓扑结构的纯模拟温度控制器来控制谐振式 惯性传感器的工作温度 该温控方案实现了 的短期温度稳定性和 的长期稳定性(超过 )周煜等采用 神经网络构建系统的温度补偿模型利用粒子群算法优化网络参数 该软件补
4、偿方法将隧道磁阻加速度计标度因子温度系数从 /减小为 /等提出了一种金膜电阻式温度传感器将其与 敏感芯片集成在一起用于检测电容式 加速度计的温度 经测试后通过减去温度效应加速度计在 内的偏置稳定性可从.提高至 软件补偿针对不同的样本加速度计所得的温漂补偿模型也不同故该方法通用性较差工艺优化由于加速度计成型后不可调节故其灵活性较差适用于设计初期而通过搭建硬件电路直接控制 加速度计的工作温度则避免了这些问题 所以基于以上分析并结合实际本文中针对课题组自研的微光栅加速度计的温度特性开展详细研究并设计控温电路使微光栅加速度计的工作温度保持恒定以提高其温度稳定性 微光栅加速度计原理.总体结构图 展示了微
5、光栅加速度计的内部整体结构图主要由 敏感芯片、光栅、(半导体激光器)和(光电探测器)个关键部件和 的驱动电路板及 的 转换电路板构成整体尺寸为 .芯片的结构如图 所示 它通过微组装 个单层 芯片而得来如图()所示每层 芯片由质量块、锚点、内梁、外梁和活动框架构成如图()所示 个质量块的大小分别为 .和 .四周梁的厚度为 图 加速度计内部结构图.图 敏感芯片结构.检测原理图 展示了微光栅加速度计的检测原理示意图发出一束激光通过占空比为.的光栅当激光束到达光栅时一部分光被反射回来而另一部分光则透过光栅到达 敏感芯片底部后再反射回来 敏感芯片和微光栅之间形成反射腔两束相干光在干涉区发生干涉形成不同级
6、次的光斑随后经 检测将光信号转换为电信号图 光学 加速度计原理图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./零级和一级光斑的强度由式()和式()表示()()()()()()式()式()中:为 的转换系数 为激光器入射激光的光强 为反射腔的距离 为入射激光的波长在微光栅加速度计中外部加速度使敏感芯片的质量块受到惯性力从而引起周围悬臂梁的变形 质量块沿敏感轴的位移导致了反射腔距的变化从而改变了 束相干光的光程差影响了光斑的强度 通过检测 的输出信号从而间接测量出外界加速度的大小 当质量块处于稳态时其位移可表示为()式()中:为质量块的质量 为弹性刚度 为外界输入的加速度联立式()式()可得()()()
7、()()()根据式()和式()可知由于温度变化而对加速度计引入的误差主要包括 个方面:一方面在于激光器的性能参数受温度影响从而影响输出光强和输出激光的波长另一方面在于 敏感芯片因温度变化而发生形变从而影响反射腔的距离和结构的弹性刚度 温度特性.温度对半导体激光器的影响由半导体材料制成的器件对温度变化非常敏感激光器又是微光栅加速度计的重要组成部件之一温漂会对微光栅加速度计引起误差 因此分析半导体激光器的温度特性至关重要.输出功率半导体激光器的输出功率和其工作温度的关系可表示为()()()()式()中:为载流子数()为转换效率 为驱动电流()为阈值电流 由式()可知()和()均为与温度相关的特征参
8、数它们与器件本身的结构有关 一般情况下激光器内部损耗随温度升高而增加()因此而降低使得激光器的输出功率降低 载流子数量会随着温度的升高而增多使得激光器的输出功率降低.中心波长半导体激光器输出激光的中心波长和温度的关系可表示为()()()()式()中:()为参考温度 时的波长为波长的温度系数即衡量波长随温度变化的程度一般情况下为正由式()可知当温度升高时激光器输出激光的中心波长会变大即波长红移现象除了以上 个直接影响激光器性能参数的因素之外激光器的工作电流也会间接受到影响为了保持恒定的输出光强半导体激光器的工作电流必须随着温度的变化而调整总之温度会对激光器的输出造成很大的变化从而影响加速度计的输
9、出精度.温度对 敏感芯片的影响 敏感芯片是由普通硅片所制成由于硅的材料特性受温度影响很大比如杨氏模量、热膨胀系数和刚度等结构参数因此当温度发生变化时这些参数发生改变从而导致微机械结构发生形变进而对微光栅加速度计引入误差因此为了保证加速度计的高精度温度对 敏感芯片的影响不容忽视 温度主要通过 个方面来对敏感结构产生影响一方面是热膨胀系数的改变会引起悬臂梁长度的改变另一方面在于影响结构的材料特性即杨氏模量和刚度当热膨胀系数发生改变时悬臂梁的长度因此而产生的变化可表示为 ()式()中:为悬臂梁长度的变化量 为热膨胀系数 为悬臂梁的初始长度 为温度变化量杨氏模量与温度之间的关系可表示为 ()式()中:
10、为悬臂梁在温度 时的杨氏模量 为参考温度下悬臂梁的杨氏模量 为杨氏模量的温度系数 为温度变化量悬臂梁的结构刚度可表示为()式()中:为结构刚度 为结构材料的杨氏模量 为悬臂梁的宽度 为悬臂梁的厚度 为悬臂梁的长度 由式()可知当温度发生改变时结构会随之而膨胀或收缩导致悬臂梁的长度、宽度和厚度发生改变 此外杨氏模量也会随着温度的改变而发生变化 整体导致结构刚度随温度而产生变化由于 加速度计结构复杂简单的理论分析难以获得精确的结构温度特性故利用 热力仿真来分析 敏感芯片的温度特性建立了 加速度计结构的有限元仿真模型并进行模型网格划分如图()所示为了保证仿真的精度对梁的部分做了更精细化的网格划分处理
11、如图()所示周陆强等:微光栅加速度计温度控制研究图 敏感芯片网格划分图.由于 敏感芯片体积较小硅的热传导系数较高为简化仿真条件假定敏感芯片的温度等于环境温度 为获得 敏感芯片沿敏感轴(轴)的位移利用 软件对敏感芯片的锚点施加固定约束同时沿 轴施加 加速度环境温度设置为 图 给出了质量块沿 轴的位移 即 在 的 室 温 下 质 量 块 沿 轴 的 位 移为 .图 敏感芯片在 轴方向上的位移分布图.为了分析质量块位移和温度的关系利用 软件对敏感芯片施加不同温度载荷()其余仿真条件不变借助位移探针可得到质量块在不同温度条件下沿 轴产生的位移如图 所示 从图 可以看出当施加固定 加速度时质量块沿 轴的
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