[发明专利]校准装置、方法和应用

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请涉及2011年5月5提交的、标题为“Atomic Stabilized Optical Apparatus,Methods and Applications（原子稳定的光学装置、方法和应用）”、序列号为61/482,852的美国临时专利申请，并要求对该专利申请的优先权，该专利申请文件的内容通过引用而整体结合在本文中。

关于政府利益的声明

本发明得到了DARPA基金#N66001-08-1-2074和美国军队-DOD（ARMY）基金#W31P4Q-12-1-0003的资助。美国政府在本发明中享有一定的权利。

背景技术

技术领域

本发明的实施例主要涉及校准和计量装置、方法和应用。更具体地，这些实施例涉及在所采用的纳米和亚纳米尺度水平进行校准的装置和方法，用于根据各自的设计参数和计量学原理校准加速度计、光栅加速度计、罗盘测量仪和陀螺仪之类的惯性传感器上的诸如运动和距离之类的实际参数，但惯性传感器不限于上面列举的种类。更具体地，所述实施例涉及将修正的纳米光学尺成像系统（NORIS）结合和利用于所述校准和计量装置和方法。

相关技术说明

微型机械加速度计和陀螺仪彻底变革了商业世界中的运动感测。它们也已经极大地渗透到提供用于武器导航和士兵/汽车导航的军事需要中。然而，对于大多数应用而言，传感器必须用GPS数据补足，以便使完全基于惯性传感器的导航能力成为可能。这是因为传感器遭受器件与器件之间随时间变化的偏差以及比例因子变化之苦。而且，即使人们可以在封装后校准器件，但仍旧存在使初始校准无效的大比例因子和偏差漂移。这些漂移的发生是由于在封装和器件存放（anchor）期间的热蠕变、环境振动、热膨胀梯度、电噪声、冲击和许多其它变量。具体地，当传感器被置于以>15,000g的大加速度射出的武器中时，大多数惯性传感器出现很大的偏差漂移。由于大的冲击或温度周期变化，以及封装层的不同的热膨胀系数，小惯性传感器上的应力随时间推移而改变，改变了传感器的灵敏度和偏差。解决传感器漂移问题的一个方法是直接在传感器芯片上实现自校准技术。如果人们可以为每个传感器封装一个比率表，那么传感器可以按要求进行校准。例如，在传感器以很快的速度发射或者受到重复的温度周期变化影响之后，传感器可以在它们达到恒定速度或正常运行区域时进行校准。在步行导航的情况下，可以使用ZUPT（零速度更新）来减小偏差漂移的影响的短暂时间也可以被用来重新校准陀螺仪偏差，以实现长时间的、不用GPS的导航能力。配备有这样的能力，MEMS惯性传感器可以真正地彻底变革用于士兵和武器的、不用GPS的导航，减小由于武器未瞄准而造成的生命损失，并且在战争中提供一定程度的自信，该自信是通过了解一个人在任何时间所处的位置而获得的。不用GPS的导航对于诸如在GPS信号不能到达的地方（例如在建筑物内和在城市环境中的高大建筑物之间）进行导航这类的商业应用也是很重要的。

在惯性传感器领域中，被称为幻灯片插片转盘的技术在历史上被使用来为陀螺仪-罗盘找寻北方并且同时校准传感器。幻灯片插片转盘需要惯性传感器围绕轴旋转180度。通过切换陀螺仪敏感轴的方向，陀螺仪的灵敏度在180度改变到沿反方向的负值。典型地，偏压不随取向角度而改变，但它可以从两个角度读数中提取。偏差可被去除的程度取决于旋转角度可被控制的程度。如果角度误差是Δθ，则来自陀螺仪旋转速率测量的误差可能不小于偏差信号。

实践中使用的现有幻灯片插片转盘太大、太重，无法被考虑用于诸如个人导航和补充汽车中的GPS之类的应用。一种见解是，幻灯片插片转盘本身可以通过使用诸如MEMS驱动器本身的小型化运动技术来制作。

本发明人认识到能够提供对上述问题的解决方案的好处和优点，具体地，通过提供能够以十亿分之几（约50-1000ppb）的精度（例如，对于100mm的尺度而言，≤5nm的位置精度；对于360度旋转，<1弧秒精度的角位置知识）进行距离测量，导致原子稳定和校准的惯性传感器。使用本发明，预期能达到小于0.01mg（校准后）的加速度计偏差和小于0.005deg/hr（校准后）的陀螺仪偏差。如果在小体积（例如，几立方厘米或更小）并且消耗很少功率的封装中执行所有这些测量，将是非常有利的。

MEMS幻灯片插片转盘可以许多方式实施，因为MEMS制造技术可以使旋转平台或在芯片表面上以直线运动方式移动的平台小型化。例如热、静电或压电驱动器可用来移动平台。