CN107367627A - 集成式超高精度单轴光学加速度计 - Google Patents

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耿安兵
姚远
卢乾波
郭劼
董亭亭
王海涛
白剑
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Abstract

本发明涉及一种集成式超高精度单轴光学加速度计，包括微纳光腔组件和激光探测组件，微纳光腔组件包括压电薄膜、微机械放大器、微纳光栅和引线，激光探测组件包括激光器、衰减片、衍射光探测器、基础光探测器、环境光探测器、偏振片、四分之一波片和分光镜，激光器发出激光束分为两束激光，一束激光射入基础光探测器，另一束激光入射到微纳光栅上并且其中一部分激光发生反射式衍射、另一部分激光透过衍射光栅被微机械放大器上表面的高反膜反射再次通过衍射光栅发生透射式衍射，两种衍射光束发生干涉形成光强与微机械放大器的敏感质量块的位移相关的光斑并被倾斜的衍射光探测器探测。该加速度计能超高加速度‑位移转换，抑制了串扰，灵敏度高。

Description

集成式超高精度单轴光学加速度计
技术领域
本发明属于光学微加速度传感器领域，具体涉及一种集成式超高精度单轴光学加速度计。
背景技术
在惯性导航、卫星定位导航、地形/景象匹配导航等导航方式中，惯性导航是唯一一种不依赖外界信息，实时、连续、自主的导航方式，微加速度传感器作为惯性导航系统的重要传感器，为满足惯性装备和战略武器装备对惯性器件的小型化和高精度需求，特别是微型超高精度加速度传感器更是现阶段加速度计的研究重点。加速度计主要用于测量加速度，包括机械加速度敏感系统和位移测量系统，其性能指标有：灵敏度、分辨率、动态范围、工作带宽和离轴串扰大小等。近年来国外的加速度传感器技术发展很快，但是国内在加速度传感器技术上尚未有明显突破，通常仍沿用传统的压电、电容技术等。其中一个关键测量误差源来自对位移测量精度不高，主要误差包括：分辨率与阈值、零偏(偏置)稳定性、标度因数稳定性、标度因数线性度稳定性等。施加在非敏感方向的加速度对加速度计敏感轴向的加速度测量有较大影响，离轴串扰对加速度计的影响随着加速度测量精度的提升而增加，离轴串扰是衡量加速度计的重要性能指标，对于高精度加速度计更应减小以避免其对整体性能的影响。
目前世界范围内对于微机电系统加速度计中的离轴串扰已做出了一定的研究，针对电容式、压电式和压阻式等微加速度计也提出了不少串扰抑制的手段。基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计，其串扰形成机制与传统微机电系统加速度计不同，基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计多应用于惯性导航或微重力测量领域，在实际测量环境中会存在着各个方向的加速度，非敏感轴向的加速度会对存在离轴串扰的高精度加速度计的测量结果带来很大的影响。
为了解决基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计中存在的离轴串扰问题，人们设计出了微机械放大器，虽然微机械放大器的微机械加速度敏感结构能够有效抑制串扰，但是微机械放大器集成度不高，很难实现超高精度的加速度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成式超高精度单轴光学加速度计，该加速度计实现了超高加速度-位移转换，抑制了其它方向加速度的串扰，灵敏度高。
本发明所采用的技术方案是：
一种集成式超高精度单轴光学加速度计，包括壳体和安装在壳体内部的微纳光腔组件、激光探测组件、温度控制板和信号处理板；
微纳光腔组件包括固定在壳体底板上的腔体以及固定在腔体顶部开口空腔内的压电薄膜、微机械放大器和微纳光栅，微纳光栅、压电薄膜和微机械放大器依次集成堆叠形成三明治式结构，压电薄膜上设有引线；
激光探测组件包括固定的盖在腔体上的腔盖，腔盖顶壁安装有垂直的激光器和衰减片以及倾斜的衍射光探测器、侧壁安装有水平的基础光探测器和环境光探测器，激光器下方依次安装有偏振片、四分之一波片和分光镜；
激光器发出激光束经偏振片和四分之一波片后通过分光镜分为两束激光，一束激光沿水平方向经过衰减片射入基础光探测器，另一束激光继续垂直入射到微纳光栅上并且其中一部分激光发生反射式衍射、另一部分激光透过衍射光栅被微机械放大器上表面的高反膜反射再次通过衍射光栅发生透射式衍射，两种衍射光束发生干涉形成光强与微机械放大器的敏感质量块的位移相关的光斑并被倾斜的衍射光探测器探测。
进一步地，压电薄膜生长于微机械放大器基底表面并与微纳光栅键合。
进一步地，压电薄膜、微机械放大器和微纳光栅通过紫外胶粘接在腔体顶部开口空腔内，腔盖通过紫外胶粘接在腔体上，引线键合在压电薄膜上。
进一步地，信号处理板包括锁相放大微弱信号提取模块、三光路光信号补偿模块、闭环反馈及控制模块、数据采集和分析模块。
进一步地，壳体内部还设有电路板支座，壳体底板、电路板支座和温度控制板上均设有螺柱，腔体通过螺钉固定在壳体底板上，电路板支座通过螺钉固定在壳体底板的螺柱上且位于腔盖上方，温度控制板通过螺钉固定在电路板支座的螺柱上，信号处理板通过螺钉固定在温度控制板的螺柱上。
进一步地，螺钉和螺柱均为铜制。
本发明的有益效果是：
1.微纳光栅、压电薄膜和微机械放大器依次集成堆叠形成三明治式结构，
微纳光栅和微机械放大器与激光探测组件配合能实现超高加速度-位移转换，微机械放大器能抑制其它方向加速度的串扰，压电薄膜通过电致伸缩推动微纳光栅改变微纳光腔的腔长、从而实现相位调制，再通过相干解调提取有用信号，能够极大地提升位移测量和加速度测量的信噪比和精度，并实现数字化的光学加速度测量，同时极大地提高了位移和加速度传感的信噪比和精度，灵敏度高。
2.压电薄膜与微机械放大器和微纳光栅独特的连接的方式实现了单片集成，集成度高，体积小，成本低。
3.采用紫外胶粘接，固化速度快，环保安全，相容性好。
4.信号处理板能实现高精度的位移读出。
附图说明
图1是本发明实施例的剖视图。
图2是本发明实施例的局剖图。
图3是本发明实施例中激光探测组件的剖视图。
图4是本发明实施例中微纳光腔组件的剖视图。
图5是图4的立体图。
图6是本发明实施例中激光探测组件和微纳光腔组件的剖视图。
图中：1-壳体；2-信号处理板；3-温度控制板；4-螺钉a；5-螺柱a；6-螺柱b；7-螺钉b；8-螺柱c；9-底板；10-微纳光腔组件；11-螺钉c；12-激光探测组件；13-电路板支座；14-螺钉d；12a-腔盖；12b-激光器；12c-偏振片；12d-四分之一波片；12e-衍射光探测器；12f-环境光探测器；12g-基础光探测器；12h-衰减片；12i-分光镜；10a-腔体；10b-压电薄膜；10c-微机械放大器；10d-微纳光栅；10e-引线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，一种集成式超高精度单轴光学加速度计，包括壳体1和安装在壳体1内部的微纳光腔组件10、激光探测组件12、温度控制板3和信号处理板2。如图4和图5所示，微纳光腔组件10包括固定在壳体1底板9上的腔体10a以及固定在腔体10a顶部开口空腔内的压电薄膜10b、微机械放大器10c和微纳光栅10d，微纳光栅10d、压电薄膜10b和微机械放大器10c依次集成堆叠形成三明治式结构，压电薄膜10b上设有引线10e。如图3所示，激光探测组件12包括固定的盖在腔体10a上的腔盖12a，腔盖12a顶壁安装有垂直的激光器12b(即VSCEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器12b)和衰减片12h以及倾斜的衍射光探测器12e、侧壁安装有水平的基础光探测器12g和环境光探测器12f，激光器12b下方依次安装有偏振片12c、四分之一波片12d和分光镜12i。如图6所示，激光器12b发出激光束经偏振片12c和四分之一波片12d(偏振片12c和四分之一波片12d构成的光隔离器)后通过分光镜12i分为两束激光，一束激光沿水平方向经过衰减片12h射入基础光探测器12g，另一束激光继续垂直入射到微纳光栅10d上并且其中一部分激光发生反射式衍射、另一部分激光透过衍射光栅被微机械放大器10c上表面的高反膜反射再次通过衍射光栅发生透射式衍射，两种衍射光束发生干涉形成光强与微机械放大器10c的敏感质量块的位移相关的光斑并被倾斜的衍射光探测器12e探测。
微纳光栅10d、压电薄膜10b和微机械放大器10c依次集成堆叠形成三明治式结构，
微纳光栅10d和微机械放大器10c与激光探测组件12配合能实现超高加速度-位移转换，微机械放大器10c能抑制其它方向加速度的串扰，压电薄膜10b通过电致伸缩推动微纳光栅10d改变微纳光腔的腔长、从而实现相位调制，再通过相干解调提取有用信号，能够极大地提升位移测量和加速度测量的信噪比和精度，并实现数字化的光学加速度测量，同时极大地提高了位移和加速度传感的信噪比和精度，灵敏度高。
在本实施例中，压电薄膜10b生长于微机械放大器10c基底表面并与微纳光栅10d键合。压电薄膜10b与微机械放大器10c和微纳光栅10d独特的连接的方式实现了单片集成，集成度高，体积小，成本低。
在本实施例中，压电薄膜10b、微机械放大器10c和微纳光栅10d通过紫外胶粘接在腔体10a顶部开口空腔内，腔盖12a通过紫外胶粘接在腔体10a上，引线10e键合在压电薄膜10b上。采用紫外胶粘接，固化速度快，环保安全，相容性好。
在本实施例中，信号处理板2包括锁相放大微弱信号提取模块、三光路光信号补偿模块、闭环反馈及控制模块、数据采集和分析模块。信号处理板2能实现高精度的位移读出。
如图1所示，在本实施例中，壳体1内部还设有电路板支座13，壳体1底板9、电路板支座13和温度控制板3上均设有螺柱(8、6、5)，腔体10a通过螺钉c11固定在壳体1底板9上，电路板支座13通过螺钉b7固定在壳体1底板9的螺柱c8上且位于腔盖12a上方，温度控制板3通过螺钉固定在电路板支座13的螺柱b6上，信号处理板2通过螺钉a4固定在温度控制板3的螺柱a5上，其中，螺钉和螺柱均为铜制。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种集成式超高精度单轴光学加速度计，其特征在于：包括壳体和安装在壳体内部的微纳光腔组件、激光探测组件、温度控制板和信号处理板；
微纳光腔组件包括固定在壳体底板上的腔体以及固定在腔体顶部开口空腔内的压电薄膜、微机械放大器和微纳光栅，微纳光栅、压电薄膜和微机械放大器依次集成堆叠形成三明治式结构，压电薄膜上设有引线；
激光探测组件包括固定的盖在腔体上的腔盖，腔盖顶壁安装有垂直的激光器和衰减片以及倾斜的衍射光探测器、侧壁安装有水平的基础光探测器和环境光探测器，激光器下方依次安装有偏振片、四分之一波片和分光镜；
激光器发出激光束经偏振片和四分之一波片后通过分光镜分为两束激光，一束激光沿水平方向经过衰减片射入基础光探测器，另一束激光继续垂直入射到微纳光栅上并且其中一部分激光发生反射式衍射、另一部分激光透过衍射光栅被微机械放大器上表面的高反膜反射再次通过衍射光栅发生透射式衍射，两种衍射光束发生干涉形成光强与微机械放大器的敏感质量块的位移相关的光斑并被倾斜的衍射光探测器探测。
2.如权利要求1所述的集成式超高精度单轴光学加速度计，其特征在于：压电薄膜生长于微机械放大器基底表面并与微纳光栅键合。
3.如权利要求1所述的集成式超高精度单轴光学加速度计，其特征在于：压电薄膜、微机械放大器和微纳光栅通过紫外胶粘接在腔体顶部开口空腔内，腔盖通过紫外胶粘接在腔体上，引线键合在压电薄膜上。
4.如权利要求1所述的集成式超高精度单轴光学加速度计，其特征在于：信号处理板包括锁相放大微弱信号提取模块、三光路光信号补偿模块、闭环反馈及控制模块、数据采集和分析模块。
5.如权利要求1所述的集成式超高精度单轴光学加速度计，其特征在于：壳体内部还设有电路板支座，壳体底板、电路板支座和温度控制板上均设有螺柱，腔体通过螺钉固定在壳体底板上，电路板支座通过螺钉固定在壳体底板的螺柱上且位于腔盖上方，温度控制板通过螺钉固定在电路板支座的螺柱上，信号处理板通过螺钉固定在温度控制板的螺柱上。
6.如权利要求5所述的集成式超高精度单轴光学加速度计，其特征在于：螺钉和螺柱均为铜制。
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