CN108646053B - 一种激光加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光加速度计。激光加速度计包括两个微晶玻璃激光器、加速度感测元件、偏振片、光电探测器及反射组件，其中，加速度感测元件包括固定座、设置在固定座通孔中的弹性件及分别设置在弹性件两侧的两个高反件，激光加速度计具有加速度时，弹性件因受到惯性力作用而发生弹性变形，从而带动一高反件靠近或远离对应的一微晶玻璃激光器的发射端，另一高反件相反地远离或靠近对应的另一微晶玻璃激光器的发射端，以使每个微晶玻璃激光器产生具有频率差的激光，通过光电探测器可测得该频率差值，进而得到加速度值。本发明提供的一种激光加速度计，使用常规的激光器和结构简单的加速度感测元件，在实现了加速度的测量的同时，使制造简单且成本低。

Description

一种激光加速度计

技术领域

本发明涉及加速度测量领域，特别是涉及一种激光加速度计。

背景技术

加速度计是惯性导航、惯性制导、惯性测量、振动测量以及设备控制中的重要测量元件，在各领域都有重要应用。随着应用要求的提高和应用领域的拓展，激光加速度计以其高灵敏度、强抗电磁干扰能力等优点逐渐成为国内外加速度计研究的热点。

现有激光加速度计的工作原理通常是将沿输入轴方向的加速度，转化为激光器的输出频率变化，然后通过测量拍频来敏感加速度。但这类激光加速度计有别于常规的激光器，其结构复杂且制造难度大。

发明内容

基于此，有必要针对现有激光加速度计有别于常规激光器，使得激光加速度计结构复杂且制造难度大的问题，提供一种结构简单的激光加速度计。

一种激光加速度计，包括两个微晶玻璃激光器，每一所述微晶玻璃激光器包括光源端、发射端及位于所述光源端和所述发射端之间的激光器腔，所述光源端设有发光件，所述发光件用于产生激光两个所述微晶玻璃激光器的所述发射端沿第一方向相对设置；加速度感测元件，设置于两个所述微晶玻璃激光器的所述发射端之间，所述加速度感测元件包括固定座、两个高反件及响应于加速度变化沿所述第一方向产生形变的弹性件，所述固定座固定于两个所述发射端之间，所述固定座沿所述第一方向开设有第一通孔，所述弹性件沿周向与所述固定座的内壁连接，两个所述高反件与所述弹性件连接，两个所述高反件的高反面分别面对两个所述发射端设置，且两个所述高反件的高反面与对应的激光光路垂直设置，两个所述高反件的高反面至对应的所述发射端的端面的距离相等；光电探测器，设置于激光光路上；反射组件，所述反射组件设置于激光光路上，以使两束激光从对应的所述光源端的所述发光件发射，经所述激光玻璃腔、所述发射端及所述高反面，返回至对应的所述发光件射出后，再经所述反射组件实现同向和共线后依次进入所述偏振片和所述光电探测器。

本发明的激光加速度计，使用常规的微晶玻璃激光器和结构简单的加速感测元件，实现了加速度的测量同时，使制造简单且成本低。

在其中一个实施例中，两个所述微晶玻璃激光器沿第二方向对称设置，所述第二方向与所述微晶玻璃激光器的纵长方向平行。

在其中一个实施例中，所述微晶玻璃激光器的所述光源端的端面与所述微晶玻璃激光器的所述发射端的端面垂直设置；所述激光加速度计还包括第一反射件，所述第一反射件设置于所述微晶玻璃激光器的外壁，所述第一反射件设置于激光光路上，且位于所述光源端与所述发射端之间，所述第一反射件与所述光源端的端面及所述发射端的端面均呈45度角设置。

在其中一个实施例中，所述反射组件包括直角棱镜及分光棱镜；所述直角棱镜设置于一所述微晶玻璃激光器的所述光源端的外侧，并且对应的所述发光件耦合于所述直角棱镜；所述分光棱镜、所述光电探测器及所述偏振片均设置于另一所述微晶玻璃激光器的所述光源端的外侧，所述分光棱镜设置于所述光源端与所述偏振片之间，并且对应的所述发光件耦合于所述分光棱镜，所述偏振片设置于所述分光棱镜与所述光电探测器之间。

在其中一个实施例中，所述弹性件包括弹性薄片，所述弹性薄片沿周向与所述固定座的内壁连接；所述加速度感测元件还包括固定于所述弹性薄片中部的支撑柱，所述支撑柱沿所述第一方向延伸，且所述支撑柱的两端分别突伸于所述弹性薄片相对的两侧，两个所述高反件分别设置于所述支撑柱的两端。

在其中一个实施例中，所述微晶玻璃激光器的所述发射端的端面开设有与所述支撑柱相匹配的第二通孔，所述高反件的高反面与所述发射端的端面平齐。

在其中一个实施例中，所述弹性薄片沿垂直于所述第一方向的方向延伸。

在其中一个实施例中，所述弹性薄片、所述支撑柱及所述固定座一体成型。

在其中一个实施例中，所述固定座为微晶玻璃固定座，所述固定座的两端面分别与两个所述微晶玻璃激光器的所述发射端的端面光胶连接。

在其中一个实施例中，所述加速度感测元件还包括两个所述质量相同的附加质量块，两个附加质量块与所述弹性件连接，且以所述弹性件中心为基准中心对称。

附图说明

图1为本发明一实施例的激光加速度计的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的激光加速度计的加速度感测元件的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本发明一实施例中的激光加速度计100，包括两个微晶玻璃激光器10、加速度感测元件20、偏振片30、光电探测器40及反射组件。微晶玻璃激光器10为气体激光器，用于连续发射激光，加速度感测元件20用于检测激光加速度计100是否有加速度、光电探测器40用于将光信号转化为电信号，反射组件用于反射激光。

微晶玻璃激光器10包括光源端11、发射端12及位于光源端11与发射端12之间的激光器腔13，光源端11设有发光件111，发光件111用于产生激光，两个微晶玻璃激光器10的发射端12沿第一方向相对设置。应当理解的是，激光从发光件111发射后，沿激光器腔13内的激光光路从发射端12射出。

如图2所示，加速度感测元件20设置于两个微晶玻璃激光器10的发射端12之间，加速度感测元件20包括固定座21、响应于加速度变化沿第一方向产生形变的弹性件22及两个高反件23，固定座21固定于两个发射端12之间，固定座21沿第一方向开设有第一通孔211，弹性件22沿周向与固定座21的内壁连接，两个高反件23与弹性件22连接，两个高反件23的高反面分别面对两个发射端12设置，且两个高反件23的高反面与对应的激光光路垂直设置，两个高反件23的高反面至对应的发射端12的端面的距离相等。

偏振片30设置于激光光路上，光电探测器40设置于激光光路上，反射组件设置于激光光路上，以使两束激光从对应的发光件111射出后，经反射组件实现同向且共线后依次进入偏振片30和光电探测器40。

这样，一束激光从一微晶玻璃激光器10的光源端11的发光件111发射，经发射端12射出，入射至加速感测元件20的对应一高反件23的高反面后，因高反面23与激光光路垂直设置，故激光沿原激光光路返回至光源端11的发光件111射出，另一微晶玻璃激光器10同样的也从其光源端11的发光件111射出一束激光，此时，两束激光具有相同的激光光路长度，并且两束激光的频率相同。

当激光加速度计100具有加速度时，加速度感测元件20中的弹性件22因受到惯性力作用而发生弹性变形，从而带动一高反件23靠近或远离对应的一微晶玻璃激光器10的发射端12，另一高反件23相反地远离或靠近对应的另一微晶玻璃激光器10的发射端12，那么，两束激光的激光光路长度均发生变化，以使从光源端11发射出的激光频率发生变化，并且两束激光的激光频率变化相反。

当两束激光被经反射组件实现同向且共线后，进入偏振片30，偏振片30接收该两束具有频率差的激光进行合光处理，并输送给光电探测器40，从而得到差频信号，故可得出差频值，进而得出加速度。本发明的激光加速度计100，使用常规的微晶玻璃激光器10和结构简单的加速感测元件20，实现了加速度的测量，制造简单且成本低。

为了便于理解本发明的激光加速度计100的工作原理，下面详述加速度值的计算原理。

当激光加速度计100沿第一方向产生加速度时，加速度感测元件20的弹性件22的中心等效质量m产生惯性力F＝ma，惯性力引起弹性件22沿第一方向弹性变形，从而带动高反件23沿第一方向移动，该位移量很小，故和惯性力呈线性关系：ma＝kd，其中，d为位移量，k为弹性模量。

当高反件23移动，使得从光源端11至高反件23的激光光路的长度发生变化，该变化至为位移量d，故可得出激光差频值Δv＝vd/L，其中，v为微晶玻璃激光器10的固有激光频率，L为激光加速度计100处于静止状态时，光源端11至高反件23的之间的激光光路的长度。

因两个高反件23沿弹性件22中心轴线对称设置，故从两个微晶玻璃激光器10的光源端11发射的激光的激光差频值大小相同，但符号相反，故在经偏振片30合光后，输入至光电探测器40的激光的差频值为2Δv，光电探测器40可测得该值。

进一步经反向推导和计算，a＝(kL/2mv)·2Δv，故可得出加速度值。

请再次参阅图1，在一些实施例中，两个微晶玻璃激光器10呈长条形。

在一些实施例中，两个微晶玻璃激光器10沿第二方向对称设置，第二方向与微晶玻璃激光器10的纵长方向平行。此设置方式可进一步缩小激光加速度计100的体积，使得激光加速度计100的结构更加紧凑。此时，第一方向与第二方向垂直设置。

在一些实施例中，微晶玻璃激光器100的光源端11的端面与发射端12的端面垂直设置，激光加速度计100还包括第一反射件60，第一反射件60设置于微晶玻璃激光器10的外壁，第一反射件60设置于激光光路上，且位于光源端11与发射端12之间，第一反射件60与光源端11的端面及发射端12的端面均呈45度角设置。因两个微晶玻璃激光器100的发射端12相对设置，故在两个微晶玻璃激光器100沿第二方向对称设置的情况下，进一步设置光源端11的端面和发射端12的端面垂直，并且使用第一反射件60即可实现激光变向，可使激光器腔13内激光光路正常且光路简单。

在具体一些实施例中，微晶玻璃激光器100具有与光源端11的端面及发射端12的端面均呈45度角设置的倾斜面，第一反射件60设置于该倾斜面上。

在一些实施方式中，第一反射件60呈片状，第一反射件60朝向微晶玻璃器100的一侧表面设有反光膜。在具体一些实施方式中，第一反射件60的材质为微晶玻璃，第一反射件60与微晶玻璃激光器100的外壁光胶连接。

在一些实施例中，反射组件包括直角棱镜51及分光棱镜52，直角棱镜51设置于一微晶玻璃激光器10的光源端11的外侧，并且对应的发光件111耦合于直角棱镜51，分光棱镜52、光电探测器40及偏振片30均设置于另一微晶玻璃激光器10的光源端11的外侧，分光棱镜52设置于微晶玻璃激光器10的光源端11与偏振片30之间，并且对应的发光件111耦合于分光棱镜52，偏振片30设置于分光棱镜52与光电探测器40之间。这样，一微晶玻璃激光器10的光源端11射出的激光经直角棱镜51发射90度角偏移，并入射至分光棱镜52，另一微晶玻璃激光器10的光源端11射出的激光入射至分光棱镜52，分光棱镜52将相互垂直的两束激光实现同向且共线后，入射至偏振片30进行合光，合光后的激光入射至光电探测器40进行检测。

在一些实施例中，光电探测器40为光电管，在其他一些实施例中，也可以为其他结构的光电探测器40，在此不作限制。

请再次参阅图2，在一些实施例中，弹性件22将固定座21的内部分隔成两个形状相同的腔室，两个高反件23以弹性件22的中心为基准中心对称。这样，可使高反件23的安装变得简单。

在一些实施例中，弹性件22包括弹性薄片，弹性薄片沿周向与固定座21的内壁连接，加速度感测元件20还包括固定于弹性薄片中部的支撑柱24，支撑柱24沿第一方向延伸，且支撑柱24的两端分别突伸于弹性薄片相对的两侧，两个高反件23分别设置于支撑柱24的两端。当激光加速度计100具有加速度时，弹性件22受到惯性力作用而变形，设置弹性薄片可对惯性力的感测更敏感，使弹性变形更加强烈，加速度检测更加敏感。

在一些实施例中，微晶玻璃激光器10的发射端12的端面开设有与支撑柱24相匹配的第二通孔，高反件23的高反面与发射端12的端面平齐。这样，当激光加速度计100具有加速度时，弹性件22受到惯性力作用而产生变形，支撑柱24带动高反件23伸入或远离微晶玻璃激光器10的激光器腔13内，从而改变了从光源端11至高反件23之间的激光光路的长度。设置高反件23的高反面与发射端12的端面平齐，故不用考虑高反件23的高反面与发射端12的端面之间的距离，而激光器腔13的腔长计算方便，故加速度值的计算会更加方便，而激光加速度计100的结构也会更加简单。

在具体一些实施例中，弹性薄片为微晶玻璃弹性薄片。

在具体一些实施例中，支撑柱24为微晶玻璃支撑柱。

在具体一些实施例中，弹性薄片与支撑柱24一体成型。

在一些实施例中，弹性薄片沿垂直于第一方向的方向延伸。这样，在弹性薄片发生弹性变形时，设置于弹性薄片两侧的高反件23的位移会更加均匀。

在一些实施例中，固定座21为微晶玻璃固定座，固定座21的两端面分别与两个微晶玻璃激光器10的发射端12的端面光胶连接。这样，固定座21与两个微晶玻璃激光器10之间连接得更加紧密，保证激光加速度计100计算精准。

在一些实施例中，弹性薄片、支撑柱24及固定座21一体成型。这样，加速度感测元件20整体尺寸精准，使得加速度测量更加精准。

在一些实施例中，加速度感测元件20还包括两个质量相同的附加质量块25，两个附加质量块25与弹性件22连接，且以弹性件22中心为基准中心对称。附加质量块25的设置可提高弹性件22弹性变形的幅度，使得加速度检测更加敏感。

在具体一些实施例中，两个附加质量块25套设于支撑柱24靠近高反件23的两端。

本发明中的激光加速度计100，相比现有技术具有以下优点：

(1)、通过设置使用两个微晶玻璃激光器10、加速度感测元件20、光电探测器40、偏振片30及反射组件，实现了加速度的测量的同时，也因使用常规的微晶玻璃激光器10，故激光加速度计100制造简单且成本低；

(2)、通过设置两个微晶玻璃激光器10沿微晶玻璃激光器10的纵长方向对称设置，可使激光加速度计100的结构更加紧凑；

(3)、通过设置弹性薄片及支撑柱24，使得加速度检测更加敏感；

(4)、通过在微晶玻璃激光器10的发射端12的端面开设与支撑柱24相匹配的第二通孔，且高反件23的高反面与发射端12的端面平齐，使加速度值的计算会更加方便，而激光加速度计100的结构会更加简单；

(5)、通过设置固定座21为微晶玻璃固定座，使固定座21与两个微晶玻璃激光器10之间连接得更加紧密，保证激光加速度计100计算精准。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光加速度计(100)，其特征在于，包括：

两个微晶玻璃激光器(10)，每一所述微晶玻璃激光器(10)包括光源端(11)、发射端(12)及位于所述光源端(11)和所述发射端(12)之间的激光器腔(13)；所述光源端(11)设有发光件(111)，所述发光件(111)用于产生激光，两个所述微晶玻璃激光器(10)的所述发射端(12)沿第一方向相对设置；

加速度感测元件(20)，设置于两个所述微晶玻璃激光器(10)的所述发射端(12)之间，所述加速度感测元件(20)包括固定座(21)、两个高反件(23)及响应于加速度变化沿所述第一方向产生形变的弹性件(22)，所述固定座(21)固定于两个所述发射端(12)之间，所述固定座(21)沿所述第一方向开设有第一通孔(211)，所述弹性件(22)沿周向与所述固定座(21)的内壁连接，两个所述高反件(23)与所述弹性件(22)连接，两个所述高反件(23)的高反面分别面对两个所述发射端(12)设置，且两个所述高反件(23)的高反面与对应的激光光路垂直设置，两个所述高反件(23)的高反面至对应的所述发射端(12)的端面的距离相等；

偏振片(30)，设置于激光光路上；

光电探测器(40)，设置于激光光路上；

反射组件，所述反射组件设置于所述激光光路上，以使两束激光从对应的所述光源端(11)的所述发光件(111)发射，经所述激光器 腔(13)、所述发射端(12)及所述高反面，返回至对应的所述发光件(111)射出后，再经所述反射组件实现同向和共线后依次进入所述偏振片(30)和所述光电探测器(40)。

2.根据权利要求1所述的激光加速度计(100)，其特征在于，两个所述微晶玻璃激光器(10)沿第二方向对称设置，所述第二方向与所述微晶玻璃激光器(10)的纵长方向平行。

3.根据权利要求2所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述微晶玻璃激光器(10)的所述光源端(11)的端面与所述微晶玻璃激光器(10)的所述发射端(12)的端面垂直设置；

所述激光加速度计(100)还包括第一反射件(60)，所述第一反射件(60)设置于所述微晶玻璃激光器(10)的外壁，所述第一反射件(60)设置于激光光路上，且位于所述光源端(11)与所述发射端(12)之间，所述第一反射件(60)与所述光源端(11)的端面及所述发射端(12)的端面均呈45度角设置。

4.根据权利要求3所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述反射组件包括直角棱镜(51)及分光棱镜(52)；

所述直角棱镜(51)设置于一所述微晶玻璃激光器(10)的所述光源端(11)的外侧，并且对应的所述发光件(111)耦合于所述直角棱镜(52)；

所述分光棱镜(52)、所述光电探测器(40)及所述偏振片(30)均设置于另一所述微晶玻璃激光器(10)的所述光源端(11)的外侧，所述分光棱镜(52)设置于所述光源端(11)与所述偏振片(30)之间，并且对应的所述发光件(111)耦合于所述分光棱镜(52)，所述偏振片(30)设置于所述分光棱镜(52)与所述光电探测器(40)之间。

5.根据权利要求1～4任一项所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述弹性件(22)包括弹性薄片，所述弹性薄片沿周向与所述固定座(21)的内壁连接；

所述加速度感测元件(20)还包括固定于所述弹性薄片中部的支撑柱(24)，所述支撑柱(24)沿所述第一方向延伸，且所述支撑柱(24)的两端分别突伸于所述弹性薄片相对的两侧，两个所述高反件(23)分别设置于所述支撑柱(24)的两端。

6.根据权利要求5所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述微晶玻璃激光器(10)的所述发射端(12)的端面开设有与所述支撑柱(24)相匹配的第二通孔，所述高反件(23)的高反面与所述发射端(12)的端面平齐。

7.根据权利要求5所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述弹性薄片沿垂直于所述第一方向的方向延伸。

8.根据权利要求5所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述弹性薄片、所述支撑柱(24)及所述固定座(21)一体成型。

9.根据权利要求1所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述固定座(21)为微晶玻璃固定座，所述固定座(21)的两端面分别与两个所述微晶玻璃激光器(10)的所述发射端(12)的端面光胶连接。

10.根据权利要求1所述的激光加速度计(100)，其特征在于，所述加速度感测元件(20)还包括两个质量相同的附加质量块(25)，两个所述附加质量块(25)与所述弹性件(22)连接，且以所述弹性件(22)中心为基准中心对称。

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