CN101477137B - 一种利用光栅检测技术进行加速度测量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光栅检测技术进行加速度测量的新装置和新方法，属于传感检测领域。装置通过质量块1敏感加速度；质量块1的一端通过弹性梁7连接在锚点4上，另一端连接可动栅条2；可动栅条2与固定栅条5构成一个光栅副。工作时，入射光6照射到光栅副上，其出射光束3被分成不同的衍射级。在加速度作用下，质量块1带动可动栅条2产生一定位移x，从而改变可动栅条2与固定栅条5之间的相对位置，导致出射光束3中不同衍射级次上的光强发生相应改变。因此，针对特定的衍射级次，根据其光强反推出输入的加速度信号。本发明提出的加速度测量的装置和方法，具有温漂低、抗电磁干扰性能强、灵敏度高等优点，适合工作于较恶劣的环境。

Description

一种利用光栅检测技术进行加速度测量的装置和方法

技术领域

本发明属于传感检测领域，尤其涉及一种惯性测量技术和光栅检测技术。

背景技术

目前，市面上大量使用的基于微机电系统(MEMS)技术的微加速度计主要采用电容式或压阻式的检测机理。然而，压阻式受环境温度的影响较大，需要复杂的温度补偿电路来保证测试结果的准确性；而电容式对环境的电磁干扰比较敏感，并且需要高灵敏度的电容检测电路。

最近几年，光学检测方法开始在微加速度计领域得到应用，它具有低的温度漂移、优异的抗电磁干扰性能、潜在的高灵敏度等优点，能够适应较恶劣的工作环境。其中，光栅检测技术是一个重要的研究方向。2002年，Loh等人(J.Microelectromech.Sys.，2002，11(3)，pp.182-187)报导了一种利用光栅的相位调制技术进行加速度检测的新方法；2007年，Krishnamoorthy等人(Transducers’07，10-14 June 2007，Lyon，France，pp.1195-1198)报导了一种利用亚波长光栅的共振原理实现对加速度的检测。

发明内容

本发明提出一种利用光栅检测技术进行加速度测量的新装置和新方法。

参阅图1，本发明提出的利用光栅检测技术进行加速度测量的装置通过质量块1来敏感加速度；质量块1的一端通过弹性梁7连接在锚点4上，另一端连接着可动栅条2；可动栅条2与连接在锚点4上的固定栅条5构成一个光栅副。所述的可动栅条2和固定栅条5具有相同的宽度和周期。

该测量装置的基本工作原理为：工作时，入射光6照射到光栅副上，其出射光束3被分成不同的衍射级。在加速度作用下，质量块1带动可动栅条2在与可动栅条2垂直的方向上产生一定位移，从而改变可动栅条2与固定栅条5之间的相对位置，导致出射光束3中不同衍射级次上的光强发生相应改变。因此，针对特定的衍射级次，根据其光强就可以反推出输入的加速度信号。

利用本发明提出的装置进行加速度测量的新方法，包括如下步骤：

步骤一：将入射光6照射到光栅副上，得到相应的出射光束3；

步骤二：利用光电探测器探测出出射光束3的某一衍射级次上相对光强I；

步骤三：根据式{i}和{j}，由某一衍射级次上的相对光强求解得出加速度信号a。

I＝sinc²(wn/d){1+cos[2πn(d/2+x)/d]}               {i}

a＝kx/m                                            {j}

其中，式{i}为光栅衍射光强公式，式中x表示质量块1在加速度作用下的位移，w为固定栅条5和可动栅条2的宽度、d为固定栅条5和可动栅条2的周期，n为某一衍射级次。其中，衍射级次n的选择最好满足条件：该衍射级次上相对光强I对质量块1的位移x成线性关系，从而便于实际的计算。式{j}中，m为质量块1的质量，k为弹性梁7的刚度。

本发明提出的利用光栅检测技术进行加速度测量的装置和方法，具有温漂低、抗电磁干扰性能强、灵敏度高等优点，适合工作于较恶劣的环境。

附图说明

图1本发明利用光栅检测技术进行加速度测量的基本工作原理示意图

图2光栅副的结构参数图

图中：1-质量块；2-可动栅条；3-出射光束；4-锚点；

5-固定栅条；6-入射光；7-弹性梁

具体实施例：

参阅图1，本实施例的利用光栅检测技术进行加速度测量的装置通过质量块1来敏感加速度；质量块1的一端通过弹性梁7连接在锚点4上，另一端连接着可动栅条2；可动栅条2与连接在锚点4上的固定栅条5构成一个光栅副。所述的可动栅条2和固定栅条5具有相同的宽度w和周期d。

利用本实施例的装置进行加速度测量的方法包括如下步骤：

步骤一：将入射光6照射到光栅副上，得到相应的出射光束3；

步骤二：利用光电探测器探测出出射光束3的+1级衍射级次上相对光强I；

步骤三：根据下面两式，由+1级衍射级次上的相对光强I求解得出加速度信号a。

I＝sinc²(w/d){1+cos[2π(d/2+x)/d]}

a＝kx/m

式中x表示质量块1在加速度作用下的位移，w、d分别为固定栅条5以及可动栅条2的宽度和周期，m为质量块1的质量，k为弹性梁7的刚度。

Claims (1)

1.一种加速度测量的方法，该方法使用的测量装置为：通过质量块(1)敏感加速度，所述的质量块(1)的一端通过弹性梁(7)连接在锚点(4)上，另一端连接着可动栅条(2)；可动栅条(2)与连接在锚点(4)上的固定栅条(5)构成一个光栅副；该加速度测量的方法特征在于包括下述步骤：

步骤一：将入射光(6)照射到光栅副上，得到相应的出射光束(3)；

步骤二：利用光电探测器探测出出射光束(3)的某一衍射级次上相对光强I；

步骤三：根据式{i}和{j}，由某一衍射级次上的相对光强I求解得出加速度信号a：

I＝sinc²(wn/d){1+cos[2πn(d/2+x)/d]}               {i}

a＝kx/m                                           {j}

其中，式{i}为光栅衍射光强公式，式中x表示质量块(1)在加速度作用下的位移，w为固定栅条(5)和可动栅条(2)的宽度、d为固定栅条(5)和可动栅条(2)的周期，n为选取的某一衍射级次；式{j}中m为质量块(1)的质量，k为弹性梁(7)的刚度。 

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