CN110940830A - 一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构 - Google Patents

一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于加速度计技术领域，具体涉及一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构，包括上层结构、中层结构和下层结构，中层结构设置在上层结构与下层结构之间，上层结构的中部设置有二维光栅，中层结构的上设置有质量块，质量块上固定有玻璃基底，玻璃基底上固定有一维光栅，下层结构的中部设置有四象限探测器，二维光栅的顶部设置有激光器。本发明通过一层二维光栅和四象限的一维光栅实现的双轴加速度测量，较传统加速度计，提高了检测量程，同时，利用相错四分之一光栅周期的一维光栅实现两个相位差90°的A、B相信号，从而实现进一步的电学细分，提高了加速度计的灵敏度。本发明用于载体加速度的测量。

Description

一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构
技术领域
本发明属于加速度计技术领域，具体涉及一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构。
背景技术
惯性导航是一种自主性强、精度高、安全可靠的精密导航技术，目前已广泛应用到航天、航空、航海等领域，也用于导航和制导。加速度计是惯性导航、制导系统中的核心元件，用于测量敏感载体在空间中的线运动，从而为载体的导航、制导提供位置、速度等信息。
二十世纪八十年代以来，随着技术的发展，微机械加速度计逐步成熟并广泛应用于战术导弹、炮弹的低精度惯性导航系统以及汽车、消费电子产品等。从目前加速度计的发展情况来看，加速度计的发展主要分为两个方面，一方面是研制新型的加速度计，另一方面是对现有加速度计进行改进，尽可能提高其性能。可以预见在较长时期内，加速度计仍将会在中、高精度惯性导航领域的应用中发挥重要作用，其未来的发展趋势是在进一步微小型化的同时提高其性能。常见的微加速度计按敏感原理的不同，主要可以分为：隧道效应式加速度计、硅微压阻式加速度计、硅微压电式加速度计、硅微电容式加速度计以及硅微谐振式加速度计等。隧道电流式加速度计，其精密性很高、加工难度大、成品率低、成本较高、低频特性差，不能用于静态加速度的测量；硅微压阻式加速度计工艺简单、成本较低，但是具有分辨率低、温度效应严重等缺点；硅微电容式加速度计灵敏度高、稳定性好、温度漂移相对较小，并且可以利用静电力进行自检，相对于硅微压阻式加速度计，分辨率和精度有所提高，但是硅微电容式加速度计的动态范围较小，并且电容敏感的原理方式也容易受到电磁干扰和寄生电容的影响，去除噪声较为困难。对于光栅式加速度而言，分辨率与光栅常数相关，光栅常数越小分辨率就越小，目前光栅的加工工艺足以使光栅常数到几百纳米，能够保证加速度计具有较高的的分辨率，同时光栅式检测受温度影响较小，温度漂移相对较小，二维光栅与四象限光栅共同作用，能够使光栅式加速度计具有大量程、高灵敏度等优点。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种量程大、灵敏度高、稳定性强的基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构，包括上层结构、中层结构和下层结构，所述中层结构设置在上层结构与下层结构之间，所述上层结构的中部设置有二维光栅，所述中层结构上设置有质量块，所述质量块上固定有玻璃基底，所述玻璃基底上固定有一维光栅，所述下层结构的中部设置有四象限探测器，所述二维光栅的顶部设置有激光器。
所述一维光栅包括上光栅和下光栅，所述上光栅包括第一光栅、第二光栅，所述下光栅包括第三光栅、第四光栅，所述第一光栅和第二光栅的栅线方向一致，所述第一光栅和第二光栅栅线相互错位并列放置，所述第三光栅和第四光栅的栅线方向一致，所述第三光栅和第四光栅并列放置，所述上光栅和下光栅并列铺设在质量块的玻璃基底上，所述上光栅和下光栅的栅线方向相互垂直。
所述质量块通过纵向支撑梁和横向支撑梁固定在中层结构上。
所述第一光栅、第二光栅中相互错位的栅线之间相差四分之一个光栅周期，所述第三光栅、第四光栅之间相邻的栅线之间相差四分之三个光栅周期。
一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、激光器发出的光通过上层结构的二维光栅，此时光发生衍射，经仿真可得二维光栅近场处的衍射Talbot图像；
S2、在第一次Talbot像处放置一维光栅，一维光栅固定在质量块上，二维光栅的Talbot像与一维光栅的明暗区域叠加，随一维光栅移动；
S3、一维光栅和二维光栅透过光的光强呈正弦变化，经四象限探测器转化电信号，经计算获得加速度。
所述S3中一维光栅移动产生电信号的方式为：定义光栅的法向方向为Z方向、上光栅的栅线方向为Y轴方向，依据右手定则建立XYZ坐标系，质量块在整体的加速度作用下产生力，从而带动质量块运动，当运动方向为X方向时，纵向支撑梁支撑质量块做X方向运动，此时上光栅与上层结构中的二维光栅相对运动，第一光栅和第二光栅的栅线相互错位，从而造成相位差，探测器可以在此两个象限中接收到明暗变化的信号，而下光栅中的第三光栅和第四光栅的栅线方向均与质量块运动方向相同，故而在此运动中不会产生信号。
所述S3中计算获得加速度的方法为：探测器接收光的光强为正弦变化，进而探测器输出电流的大小也为正弦变化，设输出电流的每一个正弦周期对应的时间为t，每一个正弦周期对应着一个光栅周期d，所以当位移x为一个光栅周期d时，加速度a计算公式即为
Figure BDA0002314761510000031
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明通过一层二维光栅和四象限的一维光栅实现的双轴加速度测量，较传统加速度计，提高了检测量程，同时，利用相错四分之一光栅周期的一维光栅实现两个相位差90°的A、B相信号，从而实现进一步的电学细分，提高了加速度计的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明上层结构的结构示意图；
图4为本发明中层结构的结构示意图；
图5为本发明下层结构的结构示意图；
图6为本发明二维光栅的结构示意图；
图7为本发明一维光栅结构示意图；
图8为本发明光栅Talbot像仿真图；
其中：1为上层结构，2为中层结构，3为下层结构，4为激光器，101为二维光栅，201为质量块，202为玻璃基底，203为一维光栅，204为纵向支撑梁，205为横向支撑梁，301为四象限探测器，2031为第一光栅，2032为第二光栅，2033为第三光栅，2034为第四光栅。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构，如图1、图2所示，包括上层结构1、中层结构2和下层结构3，中层结构2设置在上层结构1与下层结构3之间，如图3所示，上层结构1的中部设置有二维光栅101，如图4所示，中层结构2上设置有质量块201，质量块201上固定有玻璃基底202，玻璃基底202上固定有一维光栅203，如图5所示，下层结构3的中部设置有四象限探测器301，二维光栅101的顶部设置有激光器4。
进一步，如图4、图7所示，一维光栅203包括上光栅和下光栅，上光栅包括第一光栅2031、第二光栅2032，下光栅包括第三光栅2033、第四光栅2034，第一光栅2031和第二光栅2032的栅线方向一致，第一光栅2031和第二光栅2032栅线相互错位并列放置，第三光栅2033和第四光栅2034的栅线方向一致，第三光栅2033和第四光栅2034并列放置，上光栅和下光栅并列铺设在质量块201的玻璃基底202上，上光栅和下光栅的栅线方向相互垂直。
进一步，如图4所示，质量块201通过纵向支撑梁204和横向支撑梁205固定在中层结构2上。
进一步，如图7所示，第一光栅2031、第二光栅2032中相互错位的栅线之间相差四分之一个光栅周期，第三光栅2033、第四光栅2034之间相邻的栅线之间相差四分之三个光栅周期。
一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构的控制方法，包括下列步骤：
S1、激光器发出的光通过上层结构的二维光栅，此时光发生衍射，如图8所示，经仿真可得二维光栅近场处的衍射Talbot图像；
S2、在第一次Talbot像处放置一维光栅，一维光栅固定在质量块上，二维光栅的Talbot像与一维光栅的明暗区域叠加，随一维光栅移动；
S3、一维光栅和二维光栅透过光的光强呈正弦变化，经四象限探测器转化电信号，经计算获得加速度。
进一步，S3中一维光栅移动产生电信号的方式为：定义光栅的法向方向为Z方向、上光栅的栅线方向为Y轴方向，依据右手定则建立XYZ坐标系，质量块在整体的加速度作用下产生力，从而带动质量块运动，当运动方向为X方向时，纵向支撑梁支撑质量块做X方向运动，此时上光栅与上层结构中的二维光栅相对运动，第一光栅和第二光栅的栅线相互错位，从而造成相位差，探测器可以在此两个象限中接收到明暗变化的信号，而下光栅中的第三光栅和第四光栅的栅线方向均与质量块运动方向相同，故而在此运动中不会产生信号。
进一步，S3中计算获得加速度的方法为：探测器接收光的光强为正弦变化，进而探测器输出电流的大小也为正弦变化，设输出电流的每一个正弦周期对应的时间为t，每一个正弦周期对应着一个光栅周期d，所以当位移x为一个光栅周期d时，加速度a计算公式即为
Figure BDA0002314761510000061
实施例
检测加速度的是通过二维光栅和一维光栅后的光经四象限探测器转化为电信号，因为具有相同方向的光栅总是错四分之一个光栅周期，所以光栅所在的两个象限输出的为相位差为90°的电信号，相位正交的A、B相信号，可以提交给计数细分模块进行进一步的处理，提高加速度计的灵敏度和分辨率。
具体实施方式参数如下：
激光器波长：λ＝0.635μm；
二维光栅周期：d＝4μm；
一维光栅周期：d＝4μm。
具体分析如下：
当激光器离二维光栅距离为R，那么二维光栅所在平面上的复振幅分布为：
Figure BDA0002314761510000071
设二维光栅的复振幅透过率为：
Figure BDA0002314761510000072
其中，d为光栅周期。如果只考虑0、±1级衍射光，经光栅衍射后复振幅分布为：
Figure BDA0002314761510000073
假如c-1＝c1，那么光栅后z处的复振幅和强度分布为：
Figure BDA0002314761510000074
Figure BDA0002314761510000075
从这里可以看出，经光栅衍射后的光强分布呈周期分布。且当z＝zt时，R满足：
Figure BDA0002314761510000076
Figure BDA0002314761510000077
时，像的光强分布对比度最好，此时光强分布为：
Figure BDA0002314761510000081
由式8可知，相邻的两个Talbot像为一个正一个负。像的周期为
Figure BDA0002314761510000082
放大率为
Figure BDA0002314761510000083
因此，可以把Talbot像看做光栅在距离zt处的投影，且Talbot像距公式为
Figure BDA0002314761510000084
由此可知，在一次Talbot像上会有与二维光栅相同的像，此时Talbot像距二维光栅25μm，利用两两相差四分之一周期的光栅与Talbot像共同作用，可以形成两两相位相差90°的光学正弦信号，此时光学细分倍数为1倍，分辨率为光栅常数，即为4μm，然后经四象限探测器转化为两两相位差为90°的电学信号，进而由细分电路实现高倍细分，提高加速度计的灵敏度与分辨率。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构，其特征在于：包括上层结构(1)、中层结构(2)和下层结构(3)，所述中层结构(2)设置在上层结构(1)与下层结构(3)之间，所述上层结构(1)的中部设置有二维光栅(101)，所述中层结构(2)上设置有质量块(201)，所述质量块(201)上固定有玻璃基底(202)，所述玻璃基底(202)上固定有一维光栅(203)，所述下层结构(3)的中部设置有四象限探测器(301)，所述二维光栅(101)的顶部设置有激光器(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构，其特征在于：所述一维光栅(203)包括上光栅和下光栅，所述上光栅包括第一光栅(2031)、第二光栅(2032)，所述下光栅包括第三光栅(2033)、第四光栅(2034)，所述第一光栅(2031)和第二光栅(2032)的栅线方向一致，所述第一光栅(2031)和第二光栅(2032)栅线相互错位并列放置，所述第三光栅(2033)和第四光栅(2034)的栅线方向一致，所述第三光栅(2033)和第四光栅(2034)并列放置，所述上光栅和下光栅并列铺设在质量块(201)的玻璃基底(202)上，所述上光栅和下光栅的栅线方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构，其特征在于：所述质量块(201)通过纵向支撑梁(204)和横向支撑梁(205)固定在中层结构(2)上。
4.根据权利要求2所述的一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构，其特征在于：所述第一光栅(2031)、第二光栅(2032)中相互错位的栅线之间相差四分之一个光栅周期，所述第三光栅(2033)、第四光栅(2034)之间相邻的栅线之间相差四分之三个光栅周期。
5.一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、激光器发出的光通过上层结构的二维光栅，此时光发生衍射，经仿真可得二维光栅近场处的衍射Talbot图像；
S2、在第一次Talbot像处放置一维光栅，一维光栅固定在质量块上，二维光栅的Talbot像与一维光栅的明暗区域叠加，随一维光栅移动；
S3、一维光栅和二维光栅透过光的光强呈正弦变化，经四象限探测器转化电信号，经计算获得加速度。
6.根据权利要求5所述的一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构的控制方法，其特征在于：所述S3中一维光栅移动产生电信号的方式为：定义光栅的法向方向为Z方向、上光栅的栅线方向为Y轴方向，依据右手定则建立XYZ坐标系，质量块在整体的加速度作用下产生力，从而带动质量块运动，当运动方向为X方向时，纵向支撑梁支撑质量块做X方向运动，此时上光栅与上层结构中的二维光栅相对运动，第一光栅和第二光栅的栅线相互错位，从而造成相位差，探测器可以在此两个象限中接收到明暗变化的信号，而下光栅中的第三光栅和第四光栅的栅线方向均与质量块运动方向相同，故而在此运动中不会产生信号。
7.根据权利要求5所述的一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构的控制方法，其特征在于：所述S3中计算获得加速度的方法为：探测器接收光的光强为正弦变化，进而探测器输出电流的大小也为正弦变化，设输出电流的每一个正弦周期对应的时间为t，每一个正弦周期对应着一个光栅周期d，所以当位移x为一个光栅周期d时，加速度a计算公式即为
Figure FDA0002314761500000021
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