專(zhuān)利名稱(chēng)：基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性檢測(cè)儀表領(lǐng)域，尤其是基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)。
背景技術(shù)：
石英撓性加速度計(jì)是一種機(jī)械擺式加速度計(jì)，它具有精度和靈敏度高、溫度系數(shù)小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是精密慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)系統(tǒng)中最為理想的慣性?xún)x表之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海及陸地導(dǎo)航控制領(lǐng)域。
作為慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測(cè)量元件，石英撓性加速度計(jì)精度直接影響慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)系統(tǒng)的性能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)系統(tǒng)的精度不斷提高，對(duì)于石英撓性加速度計(jì)的分辨率和精度的要求也越來(lái)越高。尤其是對(duì)于當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的需要長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間飛行的大飛機(jī)、高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、水下AUV及深空探測(cè)器等而言， 高精度加速度計(jì)更是必不可少。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的石英撓性加速度計(jì)中，精度一般在幾十個(gè)μ而/ppm水平，分辨率僅5-10μ g。，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，與高精度慣性導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)的要求之間還存在著一定的差距，需進(jìn)一步提高現(xiàn)有石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量精度。
加速度計(jì)精度的提高有兩種途徑一是降低加速度計(jì)諧振子的本征頻率，但其代價(jià)是頻帶寬度降低，另一種方法是提高加速度計(jì)信號(hào)傳感器的檢測(cè)水平。石英撓性加速度計(jì)中電容式信號(hào)傳感器的輸出電容變化量正比于位移的平方，分辨率受限，要獲得高分辨率，系統(tǒng)的尺寸則需要適當(dāng)展寬；同時(shí)受電子噪聲、機(jī)械熱噪聲及環(huán)境寄生電容等因素的影響電容式信號(hào)傳感器輸出信噪比低，達(dá)到了微小電容檢測(cè)電路的檢測(cè)極限，電容式石英撓性加速度計(jì)精度很難突破μ go/ppmo
激光自混合干涉技術(shù)是近年來(lái)新興的一種精密光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)，具有分辨率高、精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，且其測(cè)量系統(tǒng)僅有一個(gè)干涉通道、易準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。當(dāng)前，激光自混合干涉技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于探傷研究、三維形貌測(cè)量、血液流速測(cè)量、耳蝸薄膜振動(dòng)測(cè)量等，尤其是激光自混合微位移測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高于納米的位移測(cè)量精度，在傳統(tǒng)石英撓性加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)下，對(duì)應(yīng)的加速度測(cè)量精度理論上可以高于ι μ g0o迄今為止，尚未見(jiàn)到將該技術(shù)用于石英撓性加速度計(jì)設(shè)計(jì)的相關(guān)報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決石英撓性加速度計(jì)受尺寸限制及電子噪聲、機(jī)械熱噪聲、環(huán)境寄生電容等因素的影響分辨率低、精度不易提高的問(wèn)題，提供一種具有測(cè)量精度高、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)，包括有表頭和數(shù)字再平衡回路；表頭由外殼、擺組件、力矩器、激光自混合干涉信號(hào)傳感器組成；數(shù)字再平衡回路包括激光器驅(qū)動(dòng)電源、光電檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字信號(hào)處理電路及力矩電流發(fā)生器；當(dāng)有加速度輸入時(shí)，激光自混合干涉信號(hào)傳感器檢測(cè)到擺組件的位移并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字再平衡回路轉(zhuǎn)化為與加速度成比例的電流信號(hào)，并反饋至力矩器使其產(chǎn)生再平衡力矩，通過(guò)檢測(cè)力矩器電流即可得到加速度。
激光自混合干涉信號(hào)傳感器由垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL、光電二極管、光纖組成；擺組件為石英擺片，垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL采用鋸齒波電流驅(qū)動(dòng)，出射激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡聚焦到石英擺片上產(chǎn)生反射或散射，部分?jǐn)y帶位移信息的反射或散射光反饋回垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL激光器腔內(nèi)同腔內(nèi)光發(fā)生自混合干涉，引起激光腔出射光功率變化，激光腔內(nèi)設(shè)置的光電探測(cè)器探測(cè)到自混合干涉信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)數(shù)字再平衡回路的I/V轉(zhuǎn)換、放大、濾波及ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后采用全相位FFT 頻譜分析法提取自混合干涉信號(hào)的相位，求出擺組件位移，通過(guò)數(shù)字再平衡回路加矩，進(jìn)而通過(guò)加矩電流得到高精度的加速度測(cè)量數(shù)據(jù)。
光電檢測(cè)電路將表頭輸出光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，光電檢測(cè)電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路，I/V轉(zhuǎn)換電路采用精密電阻完成微弱光電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換；前置放大電路采用具有高共模抑制比的儀用運(yùn)算放大器；數(shù)據(jù)采集電路采用M位ADC 完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，包括抗混疊濾波503和A/D轉(zhuǎn)換電路；數(shù)字信號(hào)處理電路主要完成自混合干涉信號(hào)相位提取、加速度解調(diào)，包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、LCD 顯示；力矩電流發(fā)生器用于產(chǎn)生力矩器電流，包括D/A轉(zhuǎn)換電路、平滑濾波電路及跨導(dǎo)放大ο
本發(fā)明采用激光自混合干涉測(cè)量方法檢測(cè)加速度計(jì)敏感質(zhì)量的位移，有如下優(yōu)占.^ \\\ ·
1、基于激光自混合干涉效應(yīng)的加速度檢測(cè)方法避免了電容式加速度檢測(cè)方法存在的受噪聲及寄生電容影響加速度計(jì)精度受限的問(wèn)題，具有分辨率高、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。
2、激光自混合干涉信號(hào)傳感器僅有一個(gè)干涉通道，易準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可使加速度計(jì)尺寸進(jìn)一步減小。
3、激光自混合干涉信號(hào)傳感器采用垂直腔面發(fā)射激光器HVS6003-001作為光源， 其前端帶有自準(zhǔn)直校準(zhǔn)透鏡，且該激光器內(nèi)部封裝有光電二極管，可作為光電探測(cè)器，進(jìn)一步減小了信號(hào)傳感器體積。
4、激光自混合干涉測(cè)量是基于點(diǎn)的微小位移測(cè)量，采用三路激光測(cè)量擺片上的三個(gè)點(diǎn)的精確位置就可調(diào)整擺片的實(shí)際位置，克服擺片扭擺以及加速度敏感軸和載體運(yùn)動(dòng)輸入軸不重合給測(cè)量帶來(lái)的誤差影響。
5、利用全相位FFT譜分析法進(jìn)行自混合干涉信號(hào)的相位解調(diào)，該方法可在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，提高自混合干涉信號(hào)相位提取精度，且頻譜泄露小、算法簡(jiǎn)單。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明的激光器驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
圖4是本發(fā)明的數(shù)字再平衡回路框圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明專(zhuān)利采用如下技術(shù)方案一種基于激光自混合干涉的新型石英撓性加速度計(jì)，包括表頭和數(shù)字再平衡回路。表頭由外殼、擺組件、力矩器、激光器組成。數(shù)字再平衡回路包括激光器驅(qū)動(dòng)電源、光電檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字信號(hào)處理電路及力矩電流發(fā)生器。當(dāng)有加速度輸入時(shí)，激光自混合干涉信號(hào)傳感器檢測(cè)到擺組件的位移并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 該電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字再平衡回路轉(zhuǎn)化為與加速度成比例的電流信號(hào)，并反饋至力矩器使其產(chǎn)生再平衡力矩，通過(guò)檢測(cè)力矩器電流即可得到加速度。
激光自混合干涉信號(hào)傳感器由垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、光電二極管、光纖、 石英擺片組成。其檢測(cè)原理如下VCSEL采用鋸齒波電流驅(qū)動(dòng)，出射激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡聚焦到石英擺片上產(chǎn)生反射或散射，部分?jǐn)y帶位移信息的外部光反饋回激光器腔內(nèi)同腔內(nèi)光發(fā)生自混合干涉，引起激光腔出射光功率變化，光電探測(cè)器探測(cè)到自混合干涉信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換、放大、濾波及ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后采用全相位 FFT頻譜分析法提取自混合干涉信號(hào)的相位，求出擺組件位移，通過(guò)數(shù)字再平衡回路加矩， 進(jìn)而通過(guò)加矩電流得到高精度的加速度測(cè)量數(shù)據(jù)。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。該新型石英撓性加速度計(jì)由外殼100、擺組件、推挽式力矩器、激光自混合干涉信號(hào)傳感器及數(shù)字再平衡回路500組成。外殼100為一封閉的金屬構(gòu)件，擺組件、力矩器、激光自混合干涉信號(hào)傳感器封裝于外殼100內(nèi)。擺組件包括力矩器動(dòng)圈302和擺片202，力矩器動(dòng)圈302通過(guò)膠接的方式安裝于擺片202的中心，擺片202 底端連接撓性梁201使擺組件與加速度計(jì)殼體100彈性相連。推挽式力矩器包括永磁體 303、軛鐵301、力矩器動(dòng)線圈302，軛鐵301固定在殼體100的中部，永磁體303通過(guò)膠結(jié)方式安裝于軛鐵301的中心，并穿過(guò)力矩器動(dòng)圈302。激光自混合干涉信號(hào)傳感器包括靶標(biāo) 401、光纖402、準(zhǔn)直透鏡403、激光器404、光電二極管406，靶標(biāo)401安裝在擺片202的頂端， 激光器404、光電二極管406封裝于用于散射的金屬套筒405內(nèi)，準(zhǔn)直透鏡403固定于套筒 405 一端，套筒405安裝在加速度計(jì)殼體100上。光電二極管406的輸出端連接數(shù)字再平衡電路500的輸入，數(shù)字再平衡電路500的輸出電流I反饋給力矩器動(dòng)圈302，使力矩器產(chǎn)生再平衡力矩。
圖2表示本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。光學(xué)系統(tǒng)由光電二極管406、激光器404、準(zhǔn)直透鏡403、光纖402、石英擺片401、驅(qū)動(dòng)電源600組成。激光器404由驅(qū)動(dòng)電源600驅(qū)動(dòng)發(fā)光，輸出激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡403準(zhǔn)直后，通過(guò)光纖402傳輸照射在石英擺片401上發(fā)生反射和散射，部分光反饋回激光器404諧振腔內(nèi)與腔內(nèi)光混合形成自混合干涉，調(diào)制激光器輸出功率。激光器404為垂直腔面發(fā)射激光器HVS6003-001，該激光器內(nèi)部封裝有光電二極管，可作為光電探測(cè)器，且其前端帶有自準(zhǔn)直校準(zhǔn)透鏡，進(jìn)一步減小了信號(hào)傳感器體積。
圖3表示本發(fā)明的激光器驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖。激光器驅(qū)動(dòng)電路600由調(diào)制電流源和鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路組成。鋸齒波信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生調(diào)制激光器輸出信號(hào)的鋸齒波波動(dòng)電流，采用直接數(shù)字頻率合成法(DDQ生成鋸齒波驅(qū)動(dòng)電流，包括DDS芯片604、頻率調(diào)整601、幅度調(diào)整602及電源603。調(diào)制電流源605用于產(chǎn)生恒定的直流分量使激光器工作在線性區(qū)域內(nèi)。鋸齒波信號(hào)發(fā)生器同調(diào)制電流源經(jīng)加法電路605疊加后送入V/I轉(zhuǎn)換608可產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)激光器的調(diào)制電流。保護(hù)電路包括軟啟動(dòng)607，限流保護(hù) 609，軟啟動(dòng)607保護(hù)激光器不受電源開(kāi)啟時(shí)而產(chǎn)生的電沖擊影響，限流保護(hù)609保護(hù)激光器工作電流低于VCSEL的最大允許電流。
圖4表示本發(fā)明的數(shù)字再平衡回路。該新型石英撓性加速度計(jì)數(shù)字再平衡回路 500由光電檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字信號(hào)處理電路、力矩電流發(fā)生器組成。光電檢測(cè)電路將表頭輸出光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，包括ΙΛ轉(zhuǎn)換電路501、前置放大電路502，I/V 轉(zhuǎn)換電路501采用精密電阻完成微弱光電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換；前置放大電路502采用具有高共模抑制比的儀用運(yùn)算放大器。數(shù)據(jù)采集電路采用M位ADC完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，包括抗混疊濾波503和A/D轉(zhuǎn)換電路504。數(shù)字信號(hào)處理電路主要完成自混合干涉信號(hào)相位提取、加速度解調(diào)，包括電源電路510、時(shí)鐘電路511、復(fù)位電路512、LCD顯示509。力矩電流發(fā)生器用于產(chǎn)生力矩器電流，包括D/A轉(zhuǎn)換電路506、平滑濾波電路507 及跨導(dǎo)放大器508。
權(quán)利要求
1.一種基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)，其特征是，包括有表頭和數(shù)字再平衡回路；表頭由外殼、擺組件、力矩器、激光自混合干涉信號(hào)傳感器組成；數(shù)字再平衡回路包括激光器驅(qū)動(dòng)電源、光電檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字信號(hào)處理電路及力矩電流發(fā)生器；當(dāng)有加速度輸入時(shí)，激光自混合干涉信號(hào)傳感器檢測(cè)到擺組件的位移并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 該電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字再平衡回路轉(zhuǎn)化為與加速度成比例的電流信號(hào)，并反饋至力矩器使其產(chǎn)生再平衡力矩，通過(guò)檢測(cè)力矩器電流即可得到加速度。
2.如權(quán)利要求1所述的基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)，其特征是，激光自混合干涉信號(hào)傳感器由垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL、光電二極管、光纖組成；擺組件為石英擺片，垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL采用鋸齒波電流驅(qū)動(dòng)，出射激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡聚焦到石英擺片上產(chǎn)生反射或散射，部分?jǐn)y帶位移信息的反射或散射光反饋回垂直腔面發(fā)射激光器 VCSEL激光器腔內(nèi)同腔內(nèi)光發(fā)生自混合干涉，引起激光腔出射光功率變化，激光腔內(nèi)設(shè)置的光電探測(cè)器探測(cè)到自混合干涉信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)數(shù)字再平衡回路的I/V轉(zhuǎn)換、放大、濾波及ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后采用全相位FFT頻譜分析法提取自混合干涉信號(hào)的相位，求出擺組件位移，通過(guò)數(shù)字再平衡回路加矩，進(jìn)而通過(guò)加矩電流得到高精度的加速度測(cè)量數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)，其特征是，光電檢測(cè)電路將表頭輸出光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，光電檢測(cè)電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路，I/V轉(zhuǎn)換電路采用精密電阻完成微弱光電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換；前置放大電路采用具有高共模抑制比的儀用運(yùn)算放大器；數(shù)據(jù)采集電路采用對(duì)位々0(完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，包括抗混疊濾波503和A/D轉(zhuǎn)換電路；數(shù)字信號(hào)處理電路主要完成自混合干涉信號(hào)相位提取、加速度解調(diào)，包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、LCD顯示；力矩電流發(fā)生器用于產(chǎn)生力矩器電流，包括D/A轉(zhuǎn)換電路、平滑濾波電路及跨導(dǎo)放大器。
全文摘要
本發(fā)明涉及慣性檢測(cè)儀表領(lǐng)域。為提供一種具有測(cè)量精度高、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的加速度計(jì)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于激光自混合干涉的石英撓性加速度計(jì)，包括表頭和數(shù)字再平衡回路；表頭由外殼、擺組件、力矩器、激光自混合干涉信號(hào)傳感器組成；數(shù)字再平衡回路包括激光器驅(qū)動(dòng)電源、光電檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字信號(hào)處理電路及力矩電流發(fā)生器；當(dāng)有加速度輸入時(shí)，激光自混合干涉信號(hào)傳感器檢測(cè)到擺組件的位移并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字再平衡回路轉(zhuǎn)化為與加速度成比例的電流信號(hào)，并反饋至力矩器使其產(chǎn)生再平衡力矩，通過(guò)檢測(cè)力矩器電流即可得到加速度。本發(fā)明主要應(yīng)用于加速度測(cè)量。
文檔編號(hào)G01P15/13GK102520209SQ201110448020
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者寇科, 李醒飛, 楊穎 , 王錯(cuò) 申請(qǐng)人:天津大學(xué)