CN103439530A - 光学加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型多轴光学加速度计，包括支撑结构、弹性梁、测试质量块、可动光子晶体梁、固定光子晶体梁、连接光纤、可变光衰减器、光纤偏振控制器、平衡光探测器、电子频谱分析仪；测试质量块分别可以在X、Y轴实现加速度信号的探测。其中X、Y轴方向的加速度探测由相应的支撑结构承接的测试质量块仅针对该平面进行加速度的双向探测。测试质量块的相应探测边缘由微加工工艺制作的氮化硅光子晶体梁构成腔形结构，将加速度产生的晶体梁相对位移变化转化为探测光信号的改变。不同方向的光子晶体腔对该方向的加速度信号探测没有影响。本发明通过检测模块将探测光信号的变化转化为测量载体的加速度，具有测量精度高、抗电磁干扰等特点。

Description

光学加速度计

技术领域

本发明属于惯性传感技术、精密测量技术领域，涉及一种新型多轴光学加速度计，特别涉及一种可片上集成的多轴光子晶体腔加速度传感器。

背景技术

加速度计是测量载体线性加速度的元件，在惯性导航、惯性制导和控制检测设备领域有重要作用，目前广泛应用于航空、航海、车辆、消费电子、医疗、武器制导等领域。加速度计领域经历数十年发展已形成诸多种类。其中光学加速度计以其抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等特点成为近年来国内外加速度计的研究热点。而现代光纤传感技术、微机械制造技术的发展为光学加速度计的研究提供了有利条件。

光学加速计依据其工作原理主要分为：光强调制型、相位调制型和波长调制型。对于灵敏度要求较低且便于工程实现的加速度计一般采用光强调制型。

许多实际应用需要同时检测多轴方向的加速度信号。传统的加速度计多为单维线性测量的单轴传感器，需要将多个单轴加速度计组装起来构成多轴加速度计。为此必然导致多轴正交误差较大、体积较大、成本较高。为了实现单芯片的多轴加速度传感器设计，现有的技术方案多利用同一个惯性敏感质量块实现多轴加速度信号的测量，此种方案将对测量结果带来较大的片轴误差，同时不同轴向的测量灵敏度差异较大。实现多轴方向的多轴正交性好、灵敏度基本相同、偏轴灵敏度小的多轴加速度计是未来多轴加速度计的发展方向。

现有的光强调制型光学加速度计一般原理为：入射光由于受到被测加速度的调制，经光学变化后输出光强受到变化，以此检测出加速度值。此类加速度计具有结构简单、易于实现等特点。加速度测量精度依靠已被调制的输入光在光学变化过程中经透射、反射或偏振等光学效应后输出光的信号提取。国内外光学加速度计的文献资料较多，提出了诸多提高光强调制型光学加速度计测量精度的方法，虽各具特色，但由于原理和技术上均存在各自的固有缺陷，目前该领域仍有继续深入研究的必要。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种分辨率高的光学加速度计，同时还提供了一种多轴光学加速度计，该加速度计是一种可片上集成的多轴光子晶体腔加速度传感器，分辨率高、全芯片集成、可同时测量多轴方向的新型多轴光学加速度计系统方案。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的光学加速度计，包括探测模块和检测模块；所述探测模块用于将由测量载体的加速度产生的位移变化转化为探测光信号的改变；所述检测模块将探测光信号的变化转化为测量载体的加速度。

进一步，所述探测模块包括X轴方向加速度平面探测模块和支撑模块；

所述支撑模块包括支撑框、支撑质量块、弹性梁、支撑梁刚性梁；

所述X轴方向加速度平面探测模块包括弹性梁、测试质量块、X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁、X轴第一固定光子晶体梁和X轴第二固定光子晶体梁；

所述X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁分别固定于测试质量块YOZ平面表面中心位置并平行于Y轴，用于进行X轴方向加速度探测；

所述X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁分别固定于支撑框YOZ平面内表面中心并平行于Y轴；

所述X轴第一可动光子晶体梁与X轴第一固定光子晶体梁形成X轴第一光子晶体腔；

所述X轴第二可动光子晶体梁与X轴第二固定光子晶体梁形成X轴第二光子晶体腔；

当垂直向所述X轴第一光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被X轴第一光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述X轴第一光子晶体腔的间距变化成正比关系；

当垂直向所述X轴第二光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被X轴第二光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述X轴第二光子晶体腔的间距变化成正比关系；

所述测试质量块由其正下方的弹性梁支撑并同支撑质量块保持在同一水平面且无接触；

所述支撑梁刚性梁设置于支撑质量块和支撑框之间用于固定支撑质量块和支撑框的相对位置；

所述弹性梁一端固定于测试质量块XOY平面下表面几何中心，另一端固定于支撑质量块XOY平面上表面几何中心；

所述支撑模块作为一个整体位于X轴方向加速度平面探测模块的垂直正下方。

进一步，所述探测模块还包括Y轴方向加速度平面探测模块；所述Y轴方向加速度平面探测模块包括Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁、Y轴第一固定光子晶体梁和Y轴第二固定光子晶体梁；

所述Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁分别固定于测试质量块XOZ平面表面中心位置并平行于X轴，用于进行Y轴方向加速度探测；

所述Y轴第一固定光子晶体梁、Y轴第二固定光子晶体梁分别固定于支撑框XOZ平面内表面中心并平行于X轴；

所述Y轴第一可动光子晶体梁与Y轴第一固定光子晶体梁形成Y轴第一光子晶体腔；

所述Y轴第二可动光子晶体梁与Y轴第二固定光子晶体梁形成Y轴第二光子晶体腔；

当垂直向所述Y轴第一光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被Y轴第一光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述Y轴第一光子晶体腔的间距变化成正比关系；

当垂直向所述Y轴第二光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被Y轴第二光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述Y轴第二光子晶体腔的间距变化成正比关系。

进一步，所述检测模块包括激光器、分光镜、可变光衰减器、光纤偏振控制器、光纤锥、平衡光探测器、电子频谱分析仪；

所述激光器发射的光束通过光纤射入分光镜，所述分光镜将光束分成信号光和参考光；所述信号光传输至第一可变光衰减器后再传入光纤偏振控制器，然后通过光纤锥对探测模块进行测量；测量后通过光纤输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号；

所述参考光经光纤传输至第二可变光衰减器后再传输至平衡光探测器将光信号转化为电信号；

所述平衡光探测器将电信号传输至电子频谱分析仪。

进一步，所述光纤锥包括X轴第一光纤锥、X轴第二光纤锥、Y轴第一光纤锥和Y轴第二光纤锥；

所述X轴第一光纤锥垂直放置于X轴第一光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述X轴第二光纤锥垂直放置于X轴第二光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述Y轴第一光纤锥垂直放置于Y轴第一光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述Y轴第二光纤锥垂直放置于Y轴第二光子晶体腔正上方进行光学频率耦合。

进一步，所述信号光通过光纤传输至接口端，所述接口端将信光号通过光纤连接至电源表。

进一步，所述支撑框、测试质量块、支撑质量块三者XOY平面截面均为正方形；且测试质量块中心位置与支撑框中心位置相重合；支撑质量块的中心位置与支撑框中心位置相重合；支撑框、支撑质量块的中心位置处于同一垂直线且支撑框、支撑质量块保持水平且相互平行。

进一步，所述测试质量块的弹性梁为奇数根梁。

进一步，所述支撑框、弹性梁、支撑梁刚性梁、测试质量块、支撑质量块、X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁、X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁、Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁、Y轴第一固定光子晶体梁和Y轴第二固定光子晶体梁的材料为硅材料。

本发明的优点在于：本发明采用两个独立的测试质量块对多轴加速度信号进行检测，避免不同轴向的运动机械耦合；且通过光子晶体腔分别检测到X、Y多轴的加速度信号，具有灵敏度高、多轴正交、无交叉干扰、抗电磁干扰等优点。采用大厚度的测试质量块及多组光子晶体腔可有效降低加速度计机械噪声、提高检测灵敏度。利用光子晶体腔的检测方法解决了光学加速度计成本高与单轴向测量的限制，提高了加速度计的综合性能。相对于现有光学加速度计，本发明提供加速度计分辨率高、全芯片集成、可同时测量多轴方向的新型多轴光学加速度计系统方案。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为XY轴方向加速度平面探测模块平面结构示意；

图2为支撑模块结构示意图；

图3为新型多轴光学加速度计立体结构示意图；

图4为XY轴方向加速度平面探测模块X轴方向光子晶体腔结构示意；

图5为XY轴方向加速度平面探测模块Y轴方向光子晶体腔结构示意；

图6为新型多轴光学加速度计检测模块示意图。

图中，第一X轴可动光子晶体梁1031、第二X轴可动光子晶体梁1033、测试质量块102、第一Y轴可动光子晶体梁1032、第二Y轴可动光子晶体梁1034、第一X轴固定光子晶体梁1041、第二X轴固定光子晶体梁1043、支撑框101、第一Y轴固定光子晶体梁1042、第二Y轴固定光子晶体梁1044、支撑质量块201、弹性梁202、第一支撑梁刚性梁2031、第二支撑梁刚性梁2032、第三支撑梁刚性梁2033、第四支撑梁刚性梁2034、第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053、第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054；

激光器1、分光镜2、第一可见光衰减器3、第二可见光衰减器4、电源表5、光纤偏振控制器6、光纤锥7、平衡光探测器8、电子频谱分析仪9、参考臂10、信号臂11、第一光纤锥组1001、第二光纤锥组1002、第三光纤锥组1003、第四光纤锥组1004。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为XY轴方向加速度平面探测模块平面结构示意，图2为支撑模块结构示意图，图3为新型多轴光学加速度计立体结构示意图，图4为XY轴方向加速度平面探测模块X轴方向光子晶体腔结构示意，图5为XY轴方向加速度平面探测模块Y轴方向光子晶体腔结构示意，图6为新型多轴光学加速度计检测模块示意图，如图所示：本发明提供的光学加速度计，包括探测模块和检测模块；所述探测模块用于将由测量载体的加速度产生的位移变化转化为探测光信号的改变；所述检测模块将探测光信号的变化转化为测量载体的加速度。

所述探测模块包括X轴方向加速度平面探测模块和支撑模块；

所述支撑模块包括支撑框、支撑质量块、弹性梁、支撑梁刚性梁；

所述X轴方向加速度平面探测模块包括弹性梁、测试质量块、X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁、X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁，本实施例提供的光学加速度计通过通光光纤来进行连接，

所述X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁分别固定于测试质量块YOZ平面表面中心位置并平行于Y轴，用于进行X轴方向加速度探测；

所述X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁分别固定于支撑框YOZ平面内表面中心并平行于Y轴；

所述X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁沿X轴方向分别固定于支撑框内壁；

所述X轴第一可动光子晶体梁与X轴第一固定光子晶体梁形成X轴第一光子晶体腔；

所述X轴第二可动光子晶体梁与X轴第二固定光子晶体梁形成X轴第二光子晶体腔；

当垂直向所述X轴第一光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被X轴第一光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述X轴第一光子晶体腔的间距变化成正比关系；

当垂直向所述X轴第二光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被X轴第二光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述X轴第二光子晶体腔的间距变化成正比关系；

所述测试质量块由其正下方的弹性梁支撑并同支撑质量块保持在同一水平面且无接触；

所述支撑梁刚性梁设置于支撑质量块和支撑框之间用于固定支撑质量块和支撑框的相对位置；

所述弹性梁一端固定于测试质量块XOY平面下表面几何中心，另一端固定于支撑质量块XOY平面上表面几何中心；

所述支撑模块作为一个整体位于X轴方向加速度平面探测模块的垂直正下方。

所述探测模块还包括Y轴方向加速度平面探测模块；所述Y轴方向加速度平面探测模块包括Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁、Y轴第一固定光子晶体梁和Y轴第二固定光子晶体梁；

所述Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁分别固定于测试质量块XOZ平面表面中心位置并平行于X轴，用于进行Y轴方向加速度探测；

所述Y轴第一固定光子晶体梁、Y轴第二固定光子晶体梁分别固定于支撑框XOZ平面内表面中心并平行于X轴；

所述Y轴第一可动光子晶体梁与Y轴第一固定光子晶体梁形成Y轴第一光子晶体腔；

所述Y轴第二可动光子晶体梁与Y轴第二固定光子晶体梁形成Y轴第二光子晶体腔；

当垂直向所述Y轴第一光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被Y轴第一光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述Y轴第一光子晶体腔的间距变化成正比关系；

当垂直向所述Y轴第二光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被Y轴第二光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述Y轴第二光子晶体腔的间距变化成正比关系。

所述检测模块包括激光器、分光镜、可变光衰减器、光纤偏振控制器、光纤锥、平衡光探测器、电子频谱分析仪；

所述激光器发射的光束通过光纤射入分光镜，所述分光镜将光束分成信号光和参考光；所述信号光传输至第一可变光衰减器后再传入光纤偏振控制器，然后通过光纤锥对探测模块进行测量；测量后通过光纤输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号；

所述参考光经光纤传输至第二可变光衰减器后再传输至平衡光探测器将光信号转化为电信号；

所述平衡光探测器将电信号传输至电子频谱分析仪。

所述光纤锥包括X轴第一光纤锥、X轴第二光纤锥、Y轴第一光纤锥和Y轴第二光纤锥；

所述X轴第一光纤锥垂直放置于X轴第一光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述X轴第二光纤锥垂直放置于X轴第二光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述Y轴第一光纤锥垂直放置于Y轴第一光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述Y轴第二光纤锥垂直放置于Y轴第二光子晶体腔正上方进行光学频率耦合。

所述信号光通过光纤传输至接口端，所述接口端将信光号通过光纤连接至电源表。

所述支撑框、测试质量块、支撑质量块三者XOY平面截面均为正方形；且测试质量块中心位置与支撑框中心位置相重合；支撑质量块的中心位置与支撑框中心位置相重合；支撑框、支撑质量块的中心位置处于同一垂直线且支撑框、支撑质量块保持水平且相互平行。

所述测试质量块的弹性梁为奇数根梁。

所述支撑框、弹性梁、支撑梁刚性梁、测试质量块、支撑质量块、X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁、X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁、Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁、Y轴第一固定光子晶体梁和Y轴第二固定光子晶体梁的材料为硅材料。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本发明提供的多轴光学加速度计，包括探测模块和检测模块；其中探测模块由X、Y轴方向加速度平面探测模块及支撑模块组成；其中XY轴方向加速度平面探测模块中，第一X轴可动光子晶体梁1031、第二X轴可动光子晶体梁1033分别固定于测试质量块102YOZ平面表面中心位置并平行于Y轴，用于进行X轴方向加速度探测；第一Y轴可动光子晶体梁1032、第二Y轴可动光子晶体梁1034分别固定于测试质量块102XOZ平面表面中心位置并平行于X轴，用于进行Y轴方向加速度探测；第一X轴固定光子晶体梁1041、第二X轴固定光子晶体梁1043分别固定于支撑框101YOZ平面内表面中心并平行于Y轴；第一Y轴固定光子晶体梁1042、第二Y轴固定光子晶体梁1044分别固定于支撑框101XOZ平面内表面中心并平行于X轴；测试质量块102由其正下方的一根弹性梁202支撑并同支撑质量块201保持在同一水平面且无接触；其中支撑模块由支撑质量块201、弹性梁202、支撑梁刚性梁一共由四个组成，分别为第一支撑梁刚性梁2031、第二支撑梁刚性梁2032、第三支撑梁刚性梁2033、第四支撑梁刚性梁2034，其整体位于XY轴方向加速度平面探测模块垂直正下方，其中一根弹性梁202一端固定于测试质量块102XOY平面下表面几何中心，另一端固定于支撑质量块201XOY平面上表面几何中心。

当输入敏感水平方向X轴加速度信号，由固定于支撑质量块201的弹性梁202带动测试质量块102产生相对位移变化，则固定于测试质量块102的第一X轴可动光子晶体梁1031、第二X轴可动光子晶体梁1033分别同固定于支撑框101内表面的第一X轴固定光子晶体梁1041、第二X轴固定光子晶体梁1043产生相对位移变化；此时第一X轴可动光子晶体梁1031与第一X轴固定光子晶体梁1041形成第一X轴光子晶体腔1051，第二X轴可动光子晶体梁1033与第二X轴固定光子晶体梁1043形成第二X轴光子晶体腔1053，当垂直晶体腔输入光信号时输入光将被晶体腔调制，输入光频率变化将同晶体腔间距变化成正比关系。将晶体腔调制后的输入光传输进入检测模块，经过检测模块后续处理读出输入光的频率变化值，从而计算得出两晶体腔第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053产生间距的间距变化，最后得出此时X轴方向的加速度值。

当输入敏感水平方向Y轴加速度信号，由固定于支撑质量块201的弹性梁202带动测试质量块102产生相对位移变化，则固定于测试质量块102的第一Y轴可动光子晶体梁1032、第二Y轴可动光子晶体梁1034分别同固定于支撑框101内表面的第一Y轴固定光子晶体梁1042、第二Y轴固定光子晶体梁1044产生相对位移变化；此时第一Y轴可动光子晶体梁1032与第一Y轴固定光子晶体梁1042形成第一Y轴光子晶体腔1052，第二Y轴可动光子晶体梁1034与第二Y轴固定光子晶体梁1044形成第二Y轴光子晶体腔1054，当垂直晶体腔输入光信号时输入光将被晶体腔调制，输入光频率变化将同晶体腔间距变化成正比关系；将晶体腔调制后的输入光传输进入检测模块，经过检测模块后续处理读出输入光的频率变化值，从而计算得出第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054产生间距的间距变化，最后得出此时Y轴方向的加速度值。

其中检测模块工作过程如下：激光器1发射的光束通过第一段光纤射入分光镜2，由分光镜2分成两束并分别进入光纤段形成信号光、参考光，并形成信号臂11、参考臂10；分光镜2的信号光由光纤段传输至接口端，接口端将光信号分别传输至光纤段，其中经光纤段连接至电源表5；经光纤段将光信号传输至可变光衰减器4；光信号由可变光衰减器4传出经光纤段传入光纤偏振控制器6，经过信号变化后进入光纤锥7对探测模块进行测量；测量后由光纤段输入平衡光探测器8将光信号转化为电信号；激光器1发射的光束由分光镜2产生的参考光经光纤段传输至可变光衰减器3，并经光纤段传输至平衡光探测器8将光信号转化为电信号，最后共同传输至电子频谱分析仪9。

XY轴采用双端固支弹性梁202连接测试质量块102与支撑质量块201，支撑质量块201由双端固支支撑刚性梁即第一支撑梁刚性梁2031、第二支撑梁刚性梁2032、第三支撑梁刚性梁2033、第四支撑梁刚性梁2034连接支撑框101保证支撑质量块201同支撑框101保持相对固定；通过对弹性梁202的参数设计实现仅对XOY平面方向敏感。

支撑框101、测试质量块102、支撑质量块201三者XOY平面截面均为正方形；且XY轴方向平面加速度探测模块的测试质量块102中心位置同支撑框201中心位置相重合；XY轴方向测试质量块102的支撑模块中支撑质量块201的中心位置同支撑框101中心位置相重合；支撑框101、支撑质量块201的中心位置处于同一垂直线且支撑框101、支撑质量块201保持水平且相互平行。

XY轴方向平面加速度探测模块的测试质量块102的下方设计奇数根梁，一般可以采用1个或3个，也可以采用5个。

其中激光器1、分光镜2、第一可见光衰减器3、第二可见光衰减器4、电源表5、光纤偏振控制器6、平衡光探测器8、电子频谱分析仪9及其连接光纤封装位置无多余要求；而光纤锥7的具体位置有要求如下：光纤锥7有四组，分别为第一光纤锥组1001、第二光纤锥组1002、第三光纤锥组1003、第四光纤锥组1004；分别需垂直放置于第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053、第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054正上方以进行光学频率耦合后进行信号的放大处理。

本实施例的光纤锥的具体位置如图3所示，光纤锥垂直放置于探测平面XOY，探测X轴方向加速度的第一光纤锥位于第一组光子晶体腔正上方，其开口方向垂直向上，中心点同晶体腔中心点垂直方向在Z轴重合；光纤锥以两端平行于第一光子晶体腔为准，即方向平行于Y轴。其他光纤锥位置设置同理与此。

光纤锥按以下方式连接，如图6所示，光纤锥一端连接光纤偏振控制器6，一端连接平衡光探测器8；因为共有四个光纤锥，此处考虑可以将同时探测X轴的两组光纤锥接入同一套光纤偏振控制器6和平衡光探测器8中，方便数据整合对比，并减少检测模块的测量体积。当然在实际应用中可以根据具体情况选择仪器数量。

所有支撑框、弹性梁、刚性梁、测试质量块、支撑质量块、光子晶体梁的材料为硅材料。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于：

下面结合附图对本发明的一个实施示例作详细说明如下：

如图3所示，一种新型多轴光学加速度计由探测模块和检测模块组成。其中如图1所示，探测模块由支撑框101、测试质量块102、第一X轴可动光子晶体梁1031、第二X轴可动光子晶体梁1033、第一Y轴可动光子晶体梁1032、第二Y轴可动光子晶体梁1034、第一X轴固定光子晶体梁1041、第二X轴固定光子晶体梁1043、第一Y轴固定光子晶体梁1042、第二Y轴固定光子晶体梁1044、支撑质量块201、弹性梁202、支撑梁刚性梁一共由四个组成，分别为第一支撑梁刚性梁2031、第二支撑梁刚性梁2032、第三支撑梁刚性梁2033、第四支撑梁刚性梁2034。探测模块中测试质量块102分别可以在X、Y多轴实现加速度信号的探测。如图2所示，其中X、Y轴方向的加速度探测由相应的支撑模块支撑的测试质量块102仅针对该平面进行加速度探测。如图4、图5所示，测试质量块102的相应探测边缘由微加工工艺制作的氮化硅光子晶体梁构成腔形结构，将加速度产生的晶体梁相对位移变化转化为探测光信号的改变。不同于测试方向的光子晶体腔对测试方向的加速度信号探测没有影响。

如图6所示，一种新型多轴光学加速度计，检测模块由第一可见光衰减器3、第二可见光衰减器4、电源表5、光纤偏振控制器6、平衡光探测器8、电子频谱分析仪9及连接光纤构成。由激光器1发射的光束通过第一段光纤射入分光镜2，由分光镜2分成两束并分别进入光纤段形成信号光、参考光，并形成信号臂11、参考臂10。信号光由光纤段传输至接口端，接口端将光信号分别传输至光纤段，其中经光纤段连接至电源表5；经光纤段将光信号传输至可变光衰减器4。光信号由可变光衰减器4传出经光纤段传入光纤偏振控制器6，经过信号变化后进入光纤锥7对探测模块进行测量。测量后由光纤段输入平衡光探测器8将光信号转化为电信号。激光器1发射的光束由分光镜2产生的参考光经光纤段传输至可变光衰减器3，并经光纤段传输至平衡光探测器8将光信号转化为电信号，最后共同传输至电子频谱分析仪9。

本发明的工作原理详细分析如下：

谐振器的易感性遵从如下差分方程：

$m\stackrel{\·\·}{x}+\mathrm{m\γ}\stackrel{\·}{x}+m{\mathrm{\ω}}_m^{2}x=F_{\mathrm{appl}}---\left(1\right)$

其中m为测试质量块102质量，x为质量块位移，γ为阻尼系数，ω_m为质量块振动频率，F_appl为系统所受合外力。转换为傅氏空间，且由F_appl(ω)/m＝a_appl可得加速度响应：

$x\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\ω}\right)a_{\mathrm{appl}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_m^2-{\mathrm{\ω}}^2+i\frac{{\mathrm{\ω\ω}}_m}{Q_m}}{a}_{\mathrm{appl}}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

则可得传感器灵敏度，其中g＝9.81m/s²。

本发明中检测模块所探测的微位移值由功率频谱密度值转换得出，其具体公式如下：

$P_m\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{d\Δ}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{in}}{P}_{\mathrm{in}}{g}_{\mathrm{OM}}x\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(3\right)$

其中，P_m(ω)为由质量块运动所产生的传输光功率调制的频率分量，

为由光子晶体腔谐振频率Δ偏振所赢取的光传输变化ΔT，η_in＝P_det/P_in是光子晶体腔与探测器之间的光损耗率，g_OM为第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053、第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054的光机械耦合系数，其表达式为：

$g_{\mathrm{OM}}=\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dx}}---\left(4\right)$

其中，dx为晶体腔两侧晶体梁的间距变化，dω为输入光信号的频率变化。光子晶体腔光机械耦合系数g_OM为常数，当光信号输入垂直于晶体腔上方的光纤锥7时输入光将受到晶体梁间距变化dx的影响，其频率将变化dω并输出，即输入光将被晶体腔间距变化调制，输入光频率变化将同晶体腔间距变化成正比关系。

又公式（3）中有：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{d\Δ}}{|}_{\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\κ}}{2}}=(1-T_d)\frac{Q_0}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(5\right)$

其中T_d为谐振器的传输倾角，Q₀光学品质因数，ω₀为输入光频率。将（5）代入（4）可得微位移测量值同功率谱密度的转换公式：

$P_m(\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\κ}}{2})=(1-T_d)\frac{Q_0}{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{in}}{P}_{\mathrm{in}}{g}_{\mathrm{OM}}x\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(6\right)$

为了精确测量位移，本装置中将对功率谱密度进行放大处理，公式如下：

${\mathrm{PSD}}_{\mathrm{ESA}}\left(\mathrm{\ω}\right)=10.\log [\frac{{\left(g_{\mathrm{ti}}{P}_m\left(\mathrm{\ω}\right)\right)}^2}{Z}\·1000]---\left(7\right)$

其中，PSD_ESA(ω)为通过电子频谱分析仪ESA仪器读出的功率频谱数值，g_ti为跨阻增益，且同输出电压V_m满足关系式V_m＝g_tiP_m。则由此，可由电子频谱分析仪读出值PSD_ESA(ω)计算出质量块运动所产生的传输光功率调制的频率分量P_m(ω)。当计算得出P_m(ω)，则可由公式（2）、（3）得出此时系统所受加速度a_appl(ω)为：

$a_{\mathrm{appl}}\left(\mathrm{\ω}\right)=x\left(\mathrm{\ω}\right)\·[{\mathrm{\ω}}_m^2+{\mathrm{\ω}}^2+i\frac{{\mathrm{\ω\ω}}_m}{Q_m}]=\frac{P_m\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{\η}}_i{P}_{\mathrm{in}}{g}_{\mathrm{OM}}}\·\frac{\mathrm{d\Δ}}{\mathrm{dT}}\·[{\mathrm{\ω}}_m^2+{\mathrm{\ω}}^2+i\frac{{\mathrm{\ω\ω}}_m}{Q_m}]---\left(8\right)$

通过公式（8），通过电子频谱分析仪ESA仪器读出的功率频谱数值即可检测出所测单轴方向的加速度值。

本实施示例的具体工作过程如下：

以X轴方向加速度探测模块为例，在敏感水平方向X轴加速度信号作用下，测试质量块102产生相对位移变化，则固定于测试质量块102四周的第一X轴可动光子晶体梁1031、第二X轴可动光子晶体梁1033分别同固定于支撑框101内表面的第一X轴固定光子晶体梁1041、第二X轴固定光子晶体梁1043产生相对位移变化；此时第一X轴可动光子晶体梁1031与第一X轴固定光子晶体梁1041形成第一X轴光子晶体腔1051，第二X轴可动光子晶体梁1033与第二X轴固定光子晶体梁1043形成第二X轴光子晶体腔1053，当输入X轴加速度信号时第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053产生间距变化；当光信号输入垂直于第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053上方的光纤锥时，即第一光纤锥组1001、第三光纤锥组1003；输入光将被第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053间距变化调制，输入光频率变化将同第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053距变化成正比关系。第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053产生的位移变化dx大小相同，故经过第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053调制的两路输出光信号变化形成对最终加速度测量精度的提高。将第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053调制后的输入光传输进入检测模块，经过检测模块后续处理读出输入光的频率变化值，从而计算得出第一X轴光子晶体腔1051、第二X轴光子晶体腔1053产生间距dx；最后得出此时X轴方向的加速度值。

同理在敏感水平方向Y轴加速度信号作用下，测试质量块102产生相对位移变化，则固定于测试质量块102四周的第一Y轴可动光子晶体梁1032、第二Y轴可动光子晶体梁1034分别同固定于支撑框101内表面的第一Y轴固定光子晶体梁1042、第二Y轴固定光子晶体梁1044产生相对位移变化；此时第一Y轴可动光子晶体梁1032与第一Y轴固定光子晶体梁1042形成第一Y轴光子晶体腔1052，第二Y轴可动光子晶体梁1034与第二Y轴固定光子晶体梁1044形成第二Y轴光子晶体腔1054，当输入X轴加速度信号时第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054产生间距变化；当光信号输入垂直于第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054上方的第二光纤锥组1002、第四光纤锥组1004时输入光将被第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054间距变化调制，输入光频率变化将同第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054距变化成正比关系。第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054产生的位移变化dx大小相同，故经过第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054调制的两路输出光信号变化形成对最终加速度测量精度的提高。将第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054调制后的输入光传输进入检测模块，经过检测模块后续处理读出输入光的频率变化值，从而计算得出第一Y轴光子晶体腔1052、第二Y轴光子晶体腔1054产生间距dx；最后得出此时Y轴方向的加速度值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.光学加速度计，其特征在于：包括探测模块和检测模块；所述探测模块用于将由测量载体的加速度产生的位移变化转化为探测光信号的改变；所述检测模块将探测光信号的变化转化为测量载体的加速度。

2.根据权利要求1所述的光学加速度计，其特征在于：所述探测模块包括X轴方向加速度平面探测模块和支撑模块；所述支撑模块包括支撑框、支撑质量块、弹性梁和支撑梁刚性梁；所述X轴方向加速度平面探测模块包括弹性梁、测试质量块、X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁、X轴第一固定光子晶体梁和X轴第二固定光子晶体梁；

所述X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁分别固定于测试质量块YOZ平面表面中心位置并平行于Y轴，用于进行X轴方向加速度探测；

所述X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁分别固定于支撑框YOZ平面内表面中心并平行于Y轴；

所述X轴第一可动光子晶体梁与X轴第一固定光子晶体梁形成X轴第一光子晶体腔；

所述X轴第二可动光子晶体梁与X轴第二固定光子晶体梁形成X轴第二光子晶体腔；

当垂直向所述X轴第一光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被X轴第一光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述X轴第一光子晶体腔的间距变化成正比关系；

当垂直向所述X轴第二光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被X轴第二光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述X轴第二光子晶体腔的间距变化成正比关系；

所述测试质量块由其正下方的弹性梁支撑并同支撑质量块保持在同一水平面且无接触；

所述支撑梁刚性梁设置于支撑质量块和支撑框之间用于固定支撑质量块和支撑框的相对位置；

所述弹性梁一端固定于测试质量块XOY平面下表面几何中心，另一端固定于支撑质量块XOY平面上表面几何中心；

所述支撑模块作为一个整体位于X轴方向加速度平面探测模块的垂直正下方。

3.根据权利要求2所述的光学加速度计，其特征在于：所述探测模块还包括Y轴方向加速度平面探测模块；所述Y轴方向加速度平面探测模块包括Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁、Y轴第一固定光子晶体梁和Y轴第二固定光子晶体梁；

所述Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁分别固定于测试质量块XOZ平面表面中心位置并平行于X轴，用于进行Y轴方向加速度探测；

所述Y轴第一固定光子晶体梁、Y轴第二固定光子晶体梁分别固定于支撑框XOZ平面内表面中心并平行于X轴；

所述Y轴第一可动光子晶体梁与Y轴第一固定光子晶体梁形成Y轴第一光子晶体腔；

所述Y轴第二可动光子晶体梁与Y轴第二固定光子晶体梁形成Y轴第二光子晶体腔；

当垂直向所述Y轴第一光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被Y轴第一光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述Y轴第一光子晶体腔的间距变化成正比关系；

当垂直向所述Y轴第二光子晶体腔的输入光信号时，所述输入光信号被Y轴第二光子晶体腔调制形成调制输出光，所述输入光信号与调制输出光的频率变化量与所述Y轴第二光子晶体腔的间距变化成正比关系。

4.根据权利要求1所述的光学加速度计，其特征在于：所述检测模块包括激光器、分光镜、可变光衰减器、光纤偏振控制器、光纤锥、平衡光探测器和电子频谱分析仪；

所述激光器发射的光束通过光纤射入分光镜，所述分光镜将光束分成信号光和参考光；所述信号光传输至第一可变光衰减器后再传入光纤偏振控制器，然后通过光纤锥对探测模块进行测量；测量后通过光纤输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号；

所述参考光经光纤传输至第二可变光衰减器后再传输至平衡光探测器将光信号转化为电信号；

所述平衡光探测器将电信号传输至电子频谱分析仪。

5.根据权利要求4所述的光学加速度计，其特征在于：所述光纤锥包括X轴第一光纤锥、X轴第二光纤锥、Y轴第一光纤锥和Y轴第二光纤锥；

所述X轴第一光纤锥垂直放置于X轴第一光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述X轴第二光纤锥垂直放置于X轴第二光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述Y轴第一光纤锥垂直放置于Y轴第一光子晶体腔正上方进行光学频率耦合；

所述Y轴第二光纤锥垂直放置于Y轴第二光子晶体腔正上方进行光学频率耦合。

6.根据权利要求4所述的光学加速度计，其特征在于：所述信号光通过光纤传输至接口端，所述接口端将信光号通过光纤连接至电源表。

7.根据权利要求2所述的光学加速度计，其特征在于：所述支撑框、测试质量块和支撑质量块三者XOY平面截面均为正方形；且测试质量块中心位置与支撑框中心位置相重合；支撑质量块的中心位置与支撑框中心位置相重合；支撑框、支撑质量块的中心位置处于同一垂直线且支撑框、支撑质量块保持水平且相互平行。

8.根据权利要求2所述的光学加速度计，其特征在于：所述测试质量块的弹性梁为奇数根梁。

9.根据权利要求2所述的光学加速度计，其特征在于：所述支撑框、弹性梁、支撑梁刚性梁、测试质量块、支撑质量块、X轴第一可动光子晶体梁、X轴第二可动光子晶体梁、X轴第一固定光子晶体梁、X轴第二固定光子晶体梁、Y轴第一可动光子晶体梁、Y轴第二可动光子晶体梁、Y轴第一固定光子晶体梁和Y轴第二固定光子晶体梁的材料为硅材料。

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