CN100449317C - 高分辨率亚纳量级光学三维加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率亚纳量级光学三维加速度计。光源经光分束器分别与三个光纤耦合器相连，三个光纤耦合器分别经三个光信号放大器与带通滤波器输入端相连，带通滤波器的三个输出端经AD转换器分别与数字信号处理电路板的输入端相连，数字信号处理电路板的输出端经DA转换器与三维压电陶瓷柱的三个调制信号输入端相连，三个加速度计质量块分别与弹簧机械连接；三个单模光纤探头设置在三维压电陶瓷柱上，分别与设置在加速度计质量块上的反射镜的反射面垂直靠近。本发明可将加速度计分辨率的数量级提高到10⁹以上，且结构简单，三个互相垂直方向上的加速度计完全集成于一体内，测量速度快，实时监控，兼容性好。适用于要求高精度，高分辨率的场合。

Description

高分辨率亚纳量级光学三维加速度计

技术领域

本发明涉及加速度测量装置，尤其是涉及一种基于光纤干涉的高分辨率三维加速度计。

背景技术

从一般的角度来说，本发明涉及感知施加在物体上的加速度的技术。更具体地，是涉及到感知该加速度的加速度计的构成。通常基于牛顿第二定律的加速度计包括质量块、质量块位移回复结构如悬臂梁、和用于信号处理的相关电路等；通过测量质量块在加速度场中的惯性力作用下的位移间接地测量加速度。加速度计已经拥有了成熟的市场，低精度产品已广泛用于如汽车安全气囊等，其模块使用的主要是±50g的加速度计；同时加速度计市场已经从基础的汽车制造业市场，扩展到工业和消费品的应用方面。大多数智能设备的应用需要的是高灵敏度，高分辨率和大动态范围加速度计。因此需求上的改变推进了新型加速度测量技术的发展，高精度加速度计广泛地用于飞行器，车辆的惯性制导，在军事方面和未来智能车辆方面也有极其重要的应用。

在利用MEMS技术设计加速度计方面，大多数加速度计都是通过电容的变化来感知质量块的位移，但是电容的变化量正比于位移的平方，分辨率有限，要获得高分辨率，例如10^4-5，系统的尺寸就需适当展宽了；而利用隧道效应设计的加速度计，是与位移成指数关系的。隧道效应型加速度计的这种指数型关系可以允许在较小的结构上实现较高的分辨率，可以达到10⁵。但由于现在制备隧尖的方法基本采用化学腐蚀的方法，制作过程复杂且难控制，要获得更高分辨率比较困难。

发明内容

为了克服现有的加速度计的分辨率不能满足制导等方面的发展需要，本发明的目的在于提供一种高分辨率亚纳量级光学三维加速度计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体如下：

包括单模光纤探头、三维压电陶瓷柱、光纤耦合器、光源、光信号放大器、AD转换器、数字信号处理电路板、带通滤波器、反射镜、加速度计质量块、光分束器、弹簧和DA转换器；光源与光分束器的输入端相连，光分束器的三个输出端分别与第一、第二和第三光纤耦合器的输入端相连，第一、第二和第三光纤耦合器的输出端分别经第一、第二和第三光信号放大器分别与带通滤波器输入端相连，带通滤波器的三个输出端分别与AD转换器的输入端相连，三块反射镜分别设置在各自的加速度计质量块一个侧面上，三个加速度计质量块分别与软弹簧机械连接；三个单模光纤探头分别设置在三维压电陶瓷柱上，在X、Y、Z三个方向上分别与各自的反射镜的反射面垂直靠近，三维压电陶瓷柱的三个面分别与第一、第二和第三光纤耦合器的输入/输出端连接，三维压电陶瓷柱的三个调制信号输入端分别与DA转换器的输出端相连，数字信号处理电路板的输入端与AD转换器的输出端相连，数字信号处理电路板的输出端与DA转换器的输入端相连。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：本发明的加速度计通过数字化处理具有附加相位调制的干涉条纹信号，可将加速度计分辨率大幅度提高到10⁹以上，且动态范围大，三个互相垂直方向上的加速度计完全集成于一体内，使用方便，测量速度快，实时监控，支持数字和模拟输出，兼容性好。适用于要求高分辨率的场合如飞行器，车辆或船只的惯性制导，重力加速度的精密测量等。

附图说明

图1是光纤探头与质量块之间光能量反射率示意图；

图2是基于光纤干涉的亚纳量级三维加速度计系统结构示意图；

图3是计数器算法流程图；

图中：1、单模光纤探头，2、三维压电陶瓷柱，3、光纤耦合器，4、光源，5、光信号放大器，6、AD转换器，7、数字信号处理电路板，8、加速度力方向，9、带通滤波器，10、反射镜，11、加速度计质量块，12、光分束器，13、弹簧，14、DA转换器。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括单模光纤探头1、三维压电陶瓷柱2、光纤耦合器3、光源4、光信号放大器5、AD转换器6、数字信号处理电路板7、带通滤波器9、反射镜10、加速度计质量块11、光分束器12、弹簧13和DA转换器14；光源4与光分束器12的输入端相连，光分束器12的三个输出端分别与第一、第二和第三光纤耦合器3的输入端相连，第一、第二和第三光纤耦合器3的输出端分别经第一、第二和第三光信号放大器5分别与带通滤波器9输入端相连，带通滤波器9的三个输出端分别与AD转换器6的输入端相连，三块反射镜10分别设置在各自的加速度计质量块11一个侧面上，三个加速度计质量块11分别与软弹簧13机械连接；三个单模光纤探头1分别设置在三维压电陶瓷柱2上，在X、Y、Z三个方向上分别与各自的反射镜10的反射面垂直靠近，三维压电陶瓷柱2的三个面分别与第一、第二和第三光纤耦合器3的输入/输出端连接，三维压电陶瓷柱2的三个调制信号输入端分别与DA转换器14的输出端相连，数字信号处理电路板7的输入端与AD转换器6的输出端相连，数字信号处理电路板7的输出端与DA转换器14的输入端相连。

所述的单模光纤探头1的出光面与反射镜的反射面形成F-P干涉腔。出光表面光反射率为3-5％，并直接接收从反射镜10反射回来的光，在光纤光纤耦合器3中形成双光束叠加形成干涉。

图1是光纤探头与质量块之间光能量反射率示意图。光纤探头与反射镜反射面垂直靠近，两者之间的距离为d。光在探头出射面的发射率约为4％，而出射光经反射镜反射后，约有1％以上的反射光进入光纤探头，当2d小于相干长度时，这两束光满足相干条件，产生干涉。给压电陶瓷柱加上正弦调制信号βsin(t+ω)(为简化后期处理，取β＝π，ω＝0)后，两束光的相位差为：

θ(t)＝βsin(t+ω)+4π·d/λ    (1)

其中β为调制深度，ω为调制信号初始相位，λ为光波长。在加速度场中，加速度计质量块由于惯性产生一微小位移量，即d有微小改变，从而导致θ(t)的改变。图1中8代表加速度力的方向，也就是加速度计质量块在加速度场中的位移方向。

图2中的光源4使用单模光源，通常为DFB单模半导体激光器，输出波长为1550nm。单模光纤探头1既是系统的光输出部分，又是光接收部分，使用普通单模光纤经端面处理而成，加速度计质量块11可沿加速度力方向8往复移动。反射镜10设置在加速度计质量块11上，并随着加速度计质量块11的移动而移动。三维压电陶瓷柱2由三个相互垂直的桶状压电陶瓷构成，受数字信号处理电路板7的信号输出端所输出的信号控制，为系统提供稳定的调制信号。光纤耦合器3使用普通3dB光纤耦合器，将光源4的光耦合入单模光纤探头1，并将来自反射镜10反射表面和单模光纤探头1端面的发射光在该光纤耦合器中叠加后形成双光束干涉。光信号放大器5为高精度低噪声放大器，如MAX4478，意在将干涉光信号进行放大，光信号放大后输入带通滤波器9滤除其他波长，再经AD转换后进行数字处理。数字信号处理电路板7通过DA转换器6为系统提供调制信号，并对受调制的干涉信号进行解调和处理，并输出结果。质量块11和弹簧13是将加速度转换为位移的装置。

本发明的高分辨率加速度计的分辨率由光学调制干涉方法获得，具体原理如下：

将单模光纤探头设置在三维压电陶瓷柱上，并设置单模光纤探头出光面与反射镜反射面之间距离为d，在加速度场中，质量块受惯性力的作用，沿加速度场相反的方向运动，其位移量由单模光纤探头出光面与反射镜反射面的间距所引起的相位差感知：单模光纤探头出光面与反射镜的反射面形成F-P干涉腔，使得在单模光纤探头出光面反射的光与在反射镜的反射面反射的光产生相位差，并发生干涉，形成干涉条纹。干涉条纹光强满足方程：

$I\left(t\right)=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，I(t)为干涉条纹振幅，I₁、I₂分别为两束干涉光未发生干涉时的振幅。对此信号进行采样，采样频率为12υ₀(υ₀为干涉条纹的频率)，取从相位为0弧度开始的12个采样信号，得数据点S₀…S₁₁。令P_dc＝I₁+I₂， $P_{\mathrm{ac}}=2\sqrt{I_1{I}_2},$ R＝4π·d/λ，

则：I(t)＝P_dc+P_ac cos[R+βsin(t+ω)]    (3)

取SR＝(S₇-S₁)+(S₁₁-S₅)＝4P_acsinR，CR＝(S₀+S₆)-(S₃+S₉)＝4P_accosR，因这8个采样点均在信号平坦处，所以对小的漂移不敏感，可以减小因漂移的影响。由CR、SR计算得出相位R＝arc tan(SR/CR)。此处运用八分圆法计算arc tan的值，即通过判断CR、SR及两者的绝对值之差的符号来确定arc tan的值处于八分区中的哪个卦限内，见表1。由表1可知，只需计算arc tan(Y/X)或者arc tan(X/Y)的值即能得到在不同卦限内的R值。因各表达式中的X/Y或Y/X的值均不大于1，故只需计算[0，π/4]内的arc tan值。并且由于当π/8≤arc tan(b/a)≤π/4时，arc tan(b/a)＝π/4-arctan[(a-b)/(a+b)]，所以只需计算[0，

]内的反正切值。对于此范围内的角度，运用泰勒展开或者查表的方法得到反正切的值。

表1八分圆法计算反正切值的算法参照表

卦限	CR的符号	SR的符号	D的符号	R∈[0，2π)
					0	+	+	+	arc tan(Y/X)
1	+	+	-	π/2-arc tan(X/Y)
					2	-	+	-	π/2+arc tan(X/Y)
3	-	+	+	π-arc tan(Y/X)
					4	-	-	+	π+arc tan(Y/X)
5	-	-	-	3π/2-arc tan(X/Y)
					6	+	-	-	3π/2+arc tan(X/Y)
7	+	-	+	2π-arc tan(Y/X)

注：X＝abs(CR)  Y＝abs(SR)  D＝X-Y

为了可以计算相位差大于2π的情况，需增加一个计数器C，R值逆时针每增加2π，C值增加1；相反，R值顺时针减少2π，C值减去1。为了能有效判断R值的增减，扫描间隔需小于π。在开机自检过程中，系统将R和C值初始化为0，并记录此时的d值为d₀。系统处于加速度场后，按设定扫描间隔进行扫描，设一次扫描前计算得相位差为R₀(0＜R₀＜2π)，此次扫描后的计算得相位差为R₁(0＜R₁＜2π)，然后做如图3所示的判断，最终的R值为R＝R₁+2πC。

由于调制信号的调制深度β和初始相位ω与理想值(β＝π，ω＝0)有偏差，所以需要伺服系统对这两个参量进行校正，见表2。有关参数说明如下：

Sβ＝S₃-S₉≈-2P_ac(π-β)sin R            适用于R在π/2和3π/2附近

Cβ＝(S₇+S₁)-(S₆+S₀)+(S₁₁+S₅)-(S₉+S₃)    适用于R在0和π附近

   ≈2P_ac(π-β)cosR

Sω＝S₆-S₀≈2P_acβωsinR                 适用于R在π/2和3π/2附近

$\mathrm{C\ω}=(S_7+S_1)-(S_{11}+S_5)\≈{-4P}_{\mathrm{ac}}(\sqrt{3}/2)\mathrm{\β\ω}\cos R$ 适用于R在0和π附近

增益常数：

GSβ＝1/(2P_acT_GSβ sinR)    GCβ＝1/(2P_acT_GCβcosR)

GSω＝1/(2πP_acT_GSωsinR) $\mathrm{GC\ω}=1/\left(2\sqrt{3}\mathrm{\π}{P}_{\mathrm{ac}}{T}_{\mathrm{GC\ω}}\cos R\right)$

其中：T_GSβ、T_GSβ、T_GSω和T_GCω是伺服系统的时间常数。

表2伺服系统参量校正对照表

卦限	调制深度	调制信号初始相位
			0	β＝β+GCβ·Cβ	ω＝ω+GCω·Cω
1	β＝β-GSβ·Sβ	ω＝ω-GSω·Sω
			2	β＝β-GSβ·Sβ	ω＝ω-GSω·Sω
3	β＝β-GCβ·Cβ	ω＝ω-GCω·Cω
			4	β＝β-GCβ·Cβ	ω＝ω-GCω·Cω
5	β＝β+GSβ·Sβ	ω＝ω+GSω·Sω
			6	β＝β+GSβ·Sβ	ω＝ω+GSω·Sω
7	β＝β+GCβ·Cβ	ω＝ω+GCω·Cω

利用了上述先进的光学部分和实时闭环控制系统，本加速度计可以实现动态范围内10⁹间隔以上的分辨率，即可分辨步长＝动态范围/10⁹。

Claims (1)

1、一种高分辨率亚纳量级光学三维加速度计，其特征在于：包括单模光纤探头(1)、三维压电陶瓷柱(2)、光纤耦合器(3)、光源(4)、光信号放大器(5)、AD转换器(6)、数字信号处理电路板(7)、带通滤波器(9)、反射镜(10)、加速度计质量块(11)、光分束器(12)、弹簧(13)和DA转换器(14)；光源(4)与光分束器(12)的输入端相连，光分束器(12)的三个输出端分别与第一、第二和第三光纤耦合器(3)的输入端相连，第一、第二和第三光纤耦合器(3)的输出端分别经第一、第二和第三光信号放大器(5)分别与带通滤波器(9)输入端相连，带通滤波器(9)的三个输出端分别与AD转换器(6)的输入端相连，三块反射镜(10)分别设置在各自的加速度计质量块(11)一个侧面上，三个加速度计质量块(11)分别与弹簧(13)机械连接；三个单模光纤探头(1)分别设置在三维压电陶瓷柱(2)上，在X、Y、Z三个方向上分别与各自的反射镜(10)的反射面垂直靠近，三维压电陶瓷柱(2)的三个面分别与第一、第二和第三光纤耦合器(3)的输入/输出端连接，三维压电陶瓷柱(2)的三个调制信号输入端分别与DA转换器(14)的输出端相连，数字信号处理电路板(7)的输入端与AD转换器(6)的输出端相连，数字信号处理电路板(7)的输出端与DA转换器(14)的输入端相连；所述的三个单模光纤探头(1)的出光面与反射镜的反射面形成F-P干涉腔。

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