CN107219378B - 基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法。所述系统主要由两个波长差为Δλ的激光器、一个偏振分光棱镜、两个分光棱镜、四个四分之一波片、一个平面反射镜、两个偏振片、一个超窄带滤波片、四个高灵敏度光电探测器、一个表面镀膜的压电陶瓷块、一个由敏感质量块、悬臂梁和基底构成的敏感结构、信号发生器、信号处理电路及上位机组成。本发明利用双波长产生的合成波长干涉信号提升加速度测量系统的测量量程，解决了高灵敏度加速度计的相位模糊问题，同时利用超窄带滤波片采得单波长干涉信号，并引入了相位调制解调技术，在扩大测量量程的同时保证系统拥有单波长干涉测量的高精度。

Description

基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法

技术领域

本发明涉及了一种加速度测量系统与方法，特别涉及了一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法。

背景技术

常见的加速度测量系统可以包含机械加速度敏感系统和位移测量系统，机械加速度敏感系统将外界输入加速度转化为位移量，位移测量系统测量该位移量从而获得输入加速度的大小。基于光学干涉的加速度计由于有着很高的位移测量精度因此被证明拥有很高的加速度测量精度，比如基于衍射光栅的微光学加速度计(N.C.Loh,M.A.Schmidt,andS.R.Manalis,“Sub-10cm3interferometric accelerometer with nano-g resolution,”J.Microelectromech.Syst.,vol.11,no.3,pp.182–187,Jun.2002.)，拥有10000V/g级的加速度测量灵敏度和低至40ng/rt Hz的等效噪声；基于光学拉链腔的微光学加速度计(A.G.Krause,M.Winger,T.D.Blasius,Q.Lin,and O.Painter,“A highr-esolutionmicrochip optomechanical accelerometer,”Nature Photon.,vol.6,pp.768–772,Oct.2012.)，拥有近500V/g的灵敏度和10μg/rt Hz的等效噪声；基于光栅干涉腔的微光学加速度计(N.A.Hall et al.,“Micromachined accelerometers with opticalinterferometric read-out and integrated electrostatic actuation,”J.Microelectromech.Syst.,vol.17,no.1,pp.37–44,Feb.2008.)拥有1V/g的灵敏度和43.7ng/rt Hz的等效噪声。

但是，由于光学干涉测量中的量程被基准波长所限制，因此基于单波长干涉测量的量程往往较小。对于一个高精度高灵敏度的加速度测量系统，其机械加速度敏感系统的形变量，也即位移的变化量比较大。典型的，一个加速度测量灵敏度达到1000V/g的测量系统(Q.Lu et al.,“Minimizing cross-axis sensitivity in grating-basedoptomechanical accelerometers,”Opt.Exp.,vol.24,no.8,pp.9094–9111,Apr.2016.)，其在经受一个重力加速度(g)的情况下，敏感质量块的形变(位移)达到50μm左右，由于激光单波长通常为1μm左右，因此其干涉信号的周期只有数百纳米，远远无法到达敏感质量块的形变大小，这大大限制了加速度测量系统的测量量程。加速度测量系统需要增加周期计数才可以准确记录相位变化，但是一旦加速度的幅值和频率变化比较迅速，那么一般的采样率下无法获得需要的采样数据，并且也无法鉴相，这些问题都导致了现有基于单波长光学干涉加速度测量的相位模糊问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法，融合了合成波长干涉和单波长干涉的优点，实现了大量程高精度的加速度测量。

本发明通过以下技术方案实现。

一、一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统：

主要由两个激光器、一个偏振分光棱镜、两个分光棱镜、四个四分之一波片、一个平面反射镜、两个偏振片、一个超窄带滤波片、四个高灵敏度光电探测器、一个表面镀膜的压电陶瓷块、一个由敏感质量块、悬臂梁和基底构成的敏感结构、信号发生器、信号处理电路及上位机组成；

敏感质量块通过悬臂梁连接在基底上，敏感质量块正对着入射激光方向布置安装；两个激光器发出两束激光，两束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到第一分光棱镜合束，合束后的光再经偏振分光棱镜发生透射和反射，分为透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的两束光：透射的激光经过第三四分之一波片后变为圆偏振光垂直入射在敏感质量块表面，被敏感质量块表面的高反膜反射后再次经过第三四分之一波片变为垂直偏振光并回到偏振分光棱镜发生反射，形成信号光；反射的激光经过第四四分之一波片后变为圆偏振光垂直入射在压电陶瓷块表面，被压电陶瓷块表面的高反膜反射后再次经过第四四分之一波片变为水平偏振光并回到偏振分光棱镜发生透射，形成参考光；

信号光和参考光经偏振分光棱镜合束后入射到第二分光棱镜再发生反射和透射：经第二分光棱镜透射后的光经过第一偏振片被第一光电探测器接收，第二光电探测器置于第一光电探测器旁，用于接收第一光电探测器附近的环境光；经第二分光棱镜反射后的光，经过超窄带滤波片过滤后被第三光电探测器接收，第四光电探测器置于第三光电探测器旁，用于接收第三光电探测器附近的环境光；第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器均连接到信号处理电路，压电陶瓷块经信号发生器连接到信号处理电路，信号发生器分别输出信号到压电陶瓷块，信号处理电路经模数转换模块连接到上位机，上位机输出加速度测量值。

所述的两个激光器发出不同波长的激光，两束激光的波长差为Δλ。波长差为Δλ小于5nm，大于2nm。

所述的两个激光器发出的光为不同波长的线偏振光，两束线偏振光经过各自的四分之一波片后变为两束圆偏振光，每束圆偏振光经过偏振分光棱镜后分别分束为两束偏振方向互相垂直的线偏振光。

所述的超窄带滤波片的中心波长与两个激光器发出的两束光中较小的波长相同。

具体实施中，两个激光器发出的光为波长为632.8nm和637nm的线偏振光。超窄带滤波片的中心波长为632.8nm，半高全宽为1nm。

所述的第一、第二光电探测器放置位置紧邻且朝向相同，以及第三、第四光电探测器放置位置紧邻且朝向相同，以实现与环境光的差分。

所述的压电陶瓷块表面镀有高反膜，敏感质量块表面镀有高反膜。

高反膜是指由对所用激光有高反射率的金属膜和起保护作用的介质膜构成的膜层。

二、一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量方法：

1)采用上述测量系统进行工作采集到各个光电探测器的接收信号，采集时信号发生器发出参考信号驱动压电陶瓷块产生相位调制，同时输出参考信号作为信号处理电路的输入信号；

2)信号发生器输出参考信号得到信号处理电路，第一、第二光电探测器和第三、第四光电探测器均将各自的接收信号发送到信号处理电路；

3)信号处理电路中，将第一、第二光电探测器的接收信号先经过差分放大后用来自信号发生器的参考信号进行解调，解算出合成波长干涉信号的相位变化，再根据合成波长干涉信号的相位变化获得大量程的加速度值；并且将第三、第四光电探测器的接收信号先经过差分放大后用来自信号发生器的参考信号进行解调，解算出单波长干涉信号的相位变化，根据单波长干涉信号的相位变化得到高精度的加速度值；

4)将得到的大量程的加速度值和高精度的加速度值采用以下公式进行计算获得最终加速度测量值a：

其中a1为通过合成波长干涉信号获得的大量程加速度值，a2为通过单波长干涉信号获得的高精度加速度值，为取以mg为单位的加速度值的整数部分，为取以mg为单位的加速度值的小数部分。

本发明加速度值的精度可以高达μg级别，同时量程扩展为单波长测量的150倍。

所述步骤1)具体为：

1.1)两个激光器发出两束波长分别为λ₁和λ₂的激光，波长为λ₁和λ₂的波长差为Δλ，λ₂-λ₁＝Δλ，两束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到第一分光棱镜合束，合束后的光再经偏振分光棱镜发生透射和反射，分为透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的两束光：水平偏振的两个不同波长为λ₁和λ₂的两束激光经过第三四分之一波片后变为圆偏振光垂直入射在敏感质量块表面，被敏感质量块表面的高反膜反射后再次经过第三四分之一波片变为垂直偏振光并回到偏振分光棱镜发生反射，形成信号光；垂直偏振的两个不同波长为λ₁和λ₂的两束激光经过第四四分之一波片后变为圆偏振光垂直入射在压电陶瓷块表面，被压电陶瓷块表面的高反膜反射后再次经过第四四分之一波片变为水平偏振光并回到偏振分光棱镜发生透射，形成参考光；

1.2)信号光和参考光经偏振分光棱镜合束后入射到第二分光棱镜再发生反射和透射：经第二分光棱镜透射后的光经过第一偏振片，透射的四束激光经过第一偏振片偏振态调整至一致，使得波长为λ₁的参考光和信号光以及波长为λ₂的参考光和信号光在第一偏振片后发生相干叠加形成合成波长干涉信号，并被第一光电探测器接收，第二光电探测器接收第一光电探测器附近的环境光；经第二分光棱镜反射后的光，经过超窄带滤波片滤去波长为λ₂的参考光和信号光，让波长为λ₁的参考光和信号光通过，再经第二偏振片后使得波长为λ₁的参考光和信号光相干叠加形成单波长干涉信号，并被第三光电探测器接收，第四光电探测器接收第三光电探测器附近的环境光。

当外界有加速度输入时，敏感质量块受惯性力作用发生位移，位移的方向和入射的信号光光轴方向一致。本发明通过双波长干涉和单波长干涉相结合的方式以合成波长和单波长为基准衡量由加速度带来的位移大小，以合成波长决定加速度测量的量程，以单波长决定了加速度测量的精度，实现了大量程高精度的加速度测量。

假设通过信号发生器引入的压电陶瓷位移变化D可以表示为：

D＝D₀sin(ωt)

其中，D₀表示引入的压电调制位移信号的幅值，ω表示引入的调制信号的频率，t表示时间。

第一光电探测器(16)接收到的四束激光的复振幅A₁'、A₂'、A₃'、A₄'可以表示为：

其中，A₀表示接收到的激光复振幅的幅值，v₁和v₂为λ₁和λ₂对应的光频率，C为加速度a和位移d的转化灵敏度，c为光速，d₀为初始位置的信号光和参考光的光程差，a为加速度。

滤去第二光电探测器探测到的环境光后的合成波长干涉光的表达式可以表示为：

通过信号处理后，可以得到合成波长干涉信号表达式：

其中，λ_s表示合成波长，λ_s＝λ₁λ₂/(λ₂-λ₁)，利用信号发生器的参考信号相关解调并测相即可得到加速度值a。

基于双波长干涉的测量是以合成波长λ_s作为基准的，因此量程扩大为λ_s/2，假设选取的波长λ₁和λ₂分别为632.8nm和637nm，则对应的合成波长λ_s可以扩展为95.97μm，对应的加速度量程扩展到95.97μm/637nm≈150倍左右，满足1000V/g的超灵敏加速度测量系统的测量量程需求。

第三光电探测器接收到的两束激光的复振幅表达式为：

对应的滤去环境光的单波长干涉信号表达式表示为：

通过相关解调和测相即可获取到以λ₁作为基准的相位信息。基于相位调制解调的单波长干涉测量拥有μg级别的加速度测量精度，保证了本发明的加速度测量精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用合成波长扩大测量系统的量程，使加速度测量系统的量程扩大为原单波长干涉系统的150倍。

2、本发明利用相位调制解调技术和环境光差分技术同时提高了合成波长干涉和单波长干涉的信噪比。

3、本发明利用单波长干涉信号保证测量系统的测量精度，使得加速度测量系统能够在扩大测量量程的同时保证μg级的精度。

附图说明

图1是本发明的系统示意图和测量原理示意图。

图中：激光器1、激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、反射镜5、第一分光棱镜6、偏振分光棱镜7、第三四分之一波片8、第四四分之一波片9、压电陶瓷块10、敏感质量块11、弹性悬臂梁12、基底13、第二分光棱镜14、第一偏振片15、第一光电探测器16、第二光电探测器17、超窄带滤波片18、第二偏振片19、第三光电探测器20、第四光电探测器21、信号发生器22、信号处理电路23、模数转换模块24、上位机25、输出信号加速度测量值26。

具体实施方式

以下结合具体实施例进行进一步的说明。

本发明为实现大量程高精度的实时位移测量，提供了一种双波长超外差干涉测量系统，系统包括波长为λ₁＝632.8nm的激光器1、波长为λ₂＝635nm的激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、反射镜5、第一分光棱镜6、偏振分光棱镜7、第三四分之一波片8、第四四分之一波片9、压电陶瓷块10、敏感质量块11、弹性悬臂梁12、基底13、第二分光棱镜14、第一偏振片15、第一光电探测器16、第二光电探测器17、超窄带滤波片18、第二偏振片19、第三光电探测器20、第四光电探测器21、信号发生器22、信号处理电路23、模数转换模块24和上位机25，上位机25输出加速度测量值26。

本发明的具体测量原理描述如下：

如图1所示，激光器1和激光器2分别发出波长为λ₁＝632.8nm和λ₂＝637nm的线偏振光，Δλ＝4.2nm，其中波长λ₁的线偏振光为经过第一四分之一波片3后变成第一圆偏振光，波长为λ₂经过第二四分之一波片4后变成第二圆偏振光，第一圆偏振光经过反射镜5与第二圆偏振光在第一分光棱镜6处合束。

两束圆偏振光经过偏振分光棱镜7，发生透射和反射分为水平偏振和垂直偏振的两束：

波长为λ₁和λ₂的水平偏振光透过偏振分光棱镜7经第三四分之一波片8垂直入射到镀有高反膜的敏感质量块11表面，反射后再次经过第三四分之一波片8变为垂直偏振光被偏振分光棱镜7反射，作为带有被测相位信息的信号光，信号光包含波长为λ₁和λ₂的信号，其复振幅可以表示为：

波长为λ₁和λ₂的垂直偏振光被偏振分光棱镜7反射经第四四分之一波片9垂直入射到镀有高反膜的压电陶瓷块10表面，反射后再次经过第四四分之一波片9变为水平偏振光透过偏振分光棱镜7，作为带有参考相位信息的参考光，参考光同样包含波长为λ₁和λ₂的信号，其复振幅可以表示为：

信号光和参考光合束后经过第二分光棱镜14发生透射和反射分束，其中透射出的一部分光经过第一偏振片15变为偏振态相同的四束激光，其中波长为λ₁的信号光和参考光相干叠加，波长为λ₁的信号光和参考光相干叠加，双波长干涉信号叠加形成合成波长干涉信号，表达式如下：

其中I_a1为第一光电探测器16和第二光电探测器17接收的环境光，通过两个探测器接收的信号进行差分并且解调测相可以获得基于合成波长λ_s的加速度a。

信号光和参考光被第二分光棱镜14反射出的另一部分光通过超窄带滤波片18，超窄带滤波片的中心波长为632.8nm，半高全宽为1nm。超窄带滤波片过滤后只留下波长为λ₁的信号光和参考光，再经第二偏振片19使得信号光和参考光的偏振态一致，发生相干叠加，形成单波长干涉信号，其光表达式为：

其中，I_a2为第三光电探测器20和第四光电探测器21接收的环境光，通过两个探测器接收的信号进行差分并且解调测相可以获得基于合成波长λ₁的加速度a。

在测量过程中，信号发生器22发出频率为ω的正弦信号驱动压电陶瓷块10引入相位调制，同时将该信号输入信号处理电路23作为解调的输入信号。通过相位调制解调可以提升系统的信噪比，提升加速度测量的精度。

本实施例由于选取的波长λ₁和λ₂分别为632.8nm和637nm，则对应的合成波长λ_s可以扩展为95.97μm，对应的加速度量程扩展到95.97μm/637nm≈150倍左右。

由此可见，本发明方法利用双波长产生的合成波长干涉信号提升了加速度测量的量程，使得系统的测量量程远大于单波长干涉的量程，提升至单波长干涉系统的150倍，并利用单波长干涉保证加速度测量的精度，本发明通过引入超窄带滤波片采得单波长干涉信号，配合相位调制解调技术在扩大测量量程的同时保证加速度测量的高精度。

本发明已通过实施例进行了描述，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统，其特征在于：敏感质量块(11)通过悬臂梁(12)连接在基底(13)上，敏感质量块(11)正对着入射激光方向布置安装；两个激光器(1、2)发出两束激光，两束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到第一分光棱镜(6)合束，合束后的光再经偏振分光棱镜(7)发生透射和反射，分为透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的两束光：透射的激光经过第三四分之一波片(8)后变为圆偏振光垂直入射在敏感质量块(11)表面，被敏感质量块(11)表面的高反膜反射后再次经过第三四分之一波片(8)变为垂直偏振光并回到偏振分光棱镜(7)发生反射，形成信号光；反射的激光经过第四四分之一波片(9)后变为圆偏振光垂直入射在压电陶瓷块(10)表面，被压电陶瓷块(10)表面的高反膜反射后再次经过第四四分之一波片(9)变为水平偏振光并回到偏振分光棱镜(7)发生透射，形成参考光；

信号光和参考光经偏振分光棱镜(7)合束后入射到第二分光棱镜(14)再发生反射和透射：经第二分光棱镜(14)透射后的光经过第一偏振片(15)被第一光电探测器(16)接收，第二光电探测器(17)置于第一光电探测器(16)旁，用于接收第一光电探测器(16)附近的环境光；经第二分光棱镜(14)反射后的光，经过超窄带滤波片(18)过滤后被第三光电探测器(20)接收，第四光电探测器(21)置于第三光电探测器(20)旁，用于接收第三光电探测器(20)附近的环境光；

第一光电探测器(16)、第二光电探测器(17)、第三光电探测器(20)和第四光电探测器(21)均连接到信号处理电路(23)，压电陶瓷块(10)经信号发生器(22)连接到信号处理电路(23)，信号处理电路(23)经模数转换模块(24)连接到上位机(25)。

2.根据权利要求1所述的一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统，其特征在于：所述的两个激光器发出不同波长的激光，两束激光的波长差为Δλ。

3.根据权利要求1所述的一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统，其特征在于：所述的两个激光器发出的光为不同波长的线偏振光，两束线偏振光经过各自的四分之一波片后变为两束圆偏振光，每束圆偏振光经过偏振分光棱镜(6)后分别分束为两束偏振方向互相垂直的线偏振光。

4.根据权利要求2所述的一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统，其特征在于：所述的超窄带滤波片的中心波长与两个激光器发出的两束光中较小的波长相同，半高全宽小于Δλ/2。

5.根据权利要求1所述的一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统，其特征在于：所述的第一、第二光电探测器放置位置紧邻且朝向相同，以及第三、第四光电探测器放置位置紧邻且朝向相同，以实现与环境光的差分。

6.根据权利要求1所述的一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统，其特征在于：所述的压电陶瓷块(10)表面镀有高反膜，敏感质量块(11)表面镀有高反膜。

7.一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量方法，其特征在于：

1)采用权利要求1-6任一所述测量系统进行工作采集到各个光电探测器的接收信号，采集时信号发生器(22)发出参考信号驱动压电陶瓷块产生相位调制；

2)信号发生器(22)输出参考信号到信号处理电路(23)，第一、第二光电探测器(16、17)和第三、第四光电探测器(20、21)均将各自的接收信号发送到信号处理电路(23)；

3)信号处理电路(23)中，将第一、第二光电探测器(16、17)的接收信号先经过差分放大后用来自信号发生器(22)的参考信号进行解调，解算出合成波长干涉信号的相位变化，再根据合成波长干涉信号的相位变化获得大量程的加速度值；并且将第三、第四光电探测器(20、21)的接收信号先经过差分放大后用来自信号发生器(22)的参考信号进行解调，解算出单波长干涉信号的相位变化，根据单波长干涉信号的相位变化得到高精度的加速度值；

4)将得到的大量程的加速度值和高精度的加速度值采用以下公式进行计算获得最终加速度测量值(26)：

其中a₁为通过合成波长干涉信号获得的大量程加速度值，a₂为通过单波长干涉信号获得的高精度加速度值，表示取以mg为单位的加速度值的整数部分，表示取以mg为单位的加速度值的小数部分。

8.根据权利要求7所述的一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量方法，其特征在于：所述步骤1)具体为：

1.1)两个激光器(1、2)发出两束波长分别为λ₁和λ₂的激光，λ₂-λ₁＝Δλ，两束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到第一分光棱镜(6)合束，合束后的光再经偏振分光棱镜(7)发生透射和反射，分为透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的两束光：

水平偏振的两个不同波长为λ₁和λ₂的两束激光经过第三四分之一波片(8)后变为圆偏振光垂直入射在敏感质量块(11)表面，被敏感质量块(11)表面的高反膜反射后再次经过第三四分之一波片(8)变为垂直偏振光并回到偏振分光棱镜(7)发生反射，形成信号光；

垂直偏振的两个不同波长为λ₁和λ₂的两束激光经过第四四分之一波片(9)后变为圆偏振光垂直入射在压电陶瓷块(10)表面，被压电陶瓷块(10)表面的高反膜反射后再次经过第四四分之一波片(9)变为水平偏振光并回到偏振分光棱镜(7)发生透射，形成参考光；

1.2)信号光和参考光经偏振分光棱镜(7)合束后入射到第二分光棱镜(14)再发生反射和透射：

经第二分光棱镜(14)透射后的光经过第一偏振片(15)，使得波长为λ₁的参考光和信号光以及波长为λ₂的参考光和信号光在第一偏振片(15)后发生相干叠加形成合成波长干涉信号，并被第一光电探测器(16)接收，第二光电探测器(17)接收第一光电探测器(16)附近的环境光；

经第二分光棱镜(14)反射后的光，经过超窄带滤波片(18)滤去波长为λ₂的参考光和信号光，让波长为λ₁的参考光和信号光通过，再经第二偏振片(19)后使得波长为λ₁的参考光和信号光相干叠加形成单波长干涉信号，被第三光电探测器(20)接收，第四光电探测器(21)接收第三光电探测器(20)附近的环境光。