CN111735987B - 一种基于磁旋光微光学加速度计的加速度信息闭环检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁旋光微光学加速度计的加速度信息闭环检测系统，包括双端固支悬臂梁质量块结构（8），双端固支悬臂梁质量块结构（8）的中心质量块上嵌入磁性薄膜（7）；双端固支悬臂梁质量块结构（8）上方设有玻璃基底（6），玻璃基底（6）表面沉积有磁光晶体（5），磁光晶体（5）一端通过光纤Ⅰ（4a）连接起偏器（3），起偏器（3）的入射光方向设有平凸镜Ⅰ（2a），平凸镜Ⅰ（2a）的入射光方向设有激光器（1）。本发明通过闭环检测加速度信息的方法，实时检测这个测量系统的稳定性，最终来修正测量结果，这样可有效消除其他不定因素，提高系统的长期稳定性，实现高精度、高灵敏度、高稳定性加速度信息检测。

Description

一种基于磁旋光微光学加速度计的加速度信息闭环检测系统

技术领域

本发明涉及加速度传感器技术领域，具体为一种基于磁旋光微光学加速度计的加速度信息闭环检测系统。

背景技术

加速度传感器作为一种位置和速度测量的惯性传感器件，在惯性导航、空间引力波探测、卫星重力梯度测量、高轨卫星精密定轨和导航、航天器微重力环境监测等领域中起着至关重要的作用。加速度计是武器装备的“眼睛”，决定的目标打击的精准度和毁伤威力，也是卫星、航天器的“大脑”核心，实时监测飞行轨道。因此，加速度传感器性能是标志着国防军事实力，也是世界各国争相追逐的核心技术之一。

目前，加速度传感方法主要有MEMS式、光学式以及冷原子干涉式。微光学加速度传感技术（MOEMS）兼顾了MEMS技术的微型化、低成本和光学式高精度检测优点，成为加速度传感器发展的主要方向之一。近年来，随着光量子精密测量技术的不断发展，基于法拉第旋光效应的旋光角检测精度不断提升，以及高维尔德常数的磁光晶体的合成，为微光学传感技术检测提供了新的测量方法。

发明内容

本发明目的是利用法拉第磁致旋光效应，基于加速度诱导磁致旋光效应的新原理高精度微光学加速度计，提出一种闭环检测加速度信息的系统，实现高精度、高灵敏度、高稳定性加速度信息检测。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于磁旋光微光学加速度计的加速度信息闭环检测系统，包括双端固支悬臂梁质量块结构，所述双端固支悬臂梁质量块结构的中心质量块上嵌入磁性薄膜；所述双端固支悬臂梁质量块结构上方设有玻璃基底，所述玻璃基底表面沉积有磁光晶体，所述磁光晶体一端通过光纤Ⅰ连接起偏器，所述起偏器的入射光方向设有平凸镜Ⅰ，所述平凸镜Ⅰ的入射光方向设有激光器；所述磁光晶体另一端通过光纤Ⅱ连接偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜的出/入射光方向依次设有1/4波片、弹光调制器、检偏器、平凸镜Ⅱ、光电探测器Ⅰ、前置放大器Ⅰ、锁相放大器Ⅰ，所述弹光调制器的出光口设置有半透半反射镜片，所述偏振分光棱镜的反射光方向依次设有光电探测器Ⅱ、前置放大器Ⅱ、锁相放大器Ⅱ。

该系统基于弹光效应的旋光角检测方法，磁光晶体出射的线偏振光经过弹光调制器调制后，透过调制器的光被光电探测器探测，以调制器驱动频率为参考，通过锁相放大器得到倍频信号；同时磁光晶体出射的线偏振光经过调制器调制后，反射回去的光被另一光电探测器探测，同样以调制器驱动频率为参考，并通过另一个锁相放大器得到倍频信号。分别根据两个倍频信号求得法拉第旋光角，并对旋光角进行解算和分析，得到加速度信息。通过对两个加速度信息的对比分析，实现闭环检测，最终来修正测量结果，这样可有效消除其他不定因素，提高系统的长期稳定性。

本发明基于磁旋光微光学加速度计，为实现加速度的高精度测量，提出了该闭环检测加速度信息的系统，采用磁光晶体来进行加速度敏感，利用磁性薄膜嵌入质量块结构表面，当有加速度信号时，诱导磁性薄膜磁场变化，从而引起磁光晶体线偏振光发生旋光效应，产生旋光角，通过测量、解算旋光角来实现对加速度信号的高精度测量，有效提高了检测的长期稳定性。

本发明设计合理，通过闭环检测加速度信息的方法，实时检测这个测量系统的稳定性，最终来修正测量结果，这样可有效消除其他不定因素，提高系统的长期稳定性，实现高精度、高灵敏度、高稳定性加速度信息检测。

附图说明

图1表示基于磁旋光微光学加速度计旋光角闭环检测系统的工作流程图。

图2表示基于磁旋光微光学加速度计旋光角闭环检测系统示意图。

图3表示双端固支悬臂梁质量块结构的加工工艺流程图。

图中：1-激光器，2a-平凸镜Ⅰ，2b-平凸镜Ⅱ，3-起偏器，4a-光纤Ⅰ，4b-光纤Ⅱ，5-磁光晶体，6-玻璃基底，7-磁性薄膜，8-双端固支悬臂梁质量块结构，9-提供加速度信号的装置，10-偏振分光棱镜，11-1/4波片，12-弹光调制器，13-检偏器，14a-光电探测器Ⅰ，14b-光电探测器Ⅱ，15a-前置放大器Ⅰ，15b-前置放大器Ⅱ，16a-锁相放大器Ⅰ，16b-锁相放大器Ⅱ，17-半透半反射镜片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于磁旋光微光学加速度计的加速度信息闭环检测系统，包括激光器、平凸镜、起偏器、光纤、磁性薄膜、双端固支悬臂梁质量块结构、磁光晶体、玻璃基底、弹光调制器、检偏器、平凸镜、光电探测器、前置放大器、锁相放大器等。具体连接如图2所示，双端固支悬臂梁质量块结构8的中心质量块上嵌入磁性薄膜7；双端固支悬臂梁质量块结构8上方设有玻璃基底6，玻璃基底6表面沉积有磁光晶体5，磁光晶体5一端通过光纤Ⅰ4a连接起偏器3，起偏器3的入射光方向设有平凸镜Ⅰ2a，平凸镜Ⅰ2a的入射光方向设有激光器1；磁光晶体5另一端通过光纤Ⅱ4b连接偏振分光棱镜10，偏振分光棱镜10的出/入射光方向依次设有1/4波片11、弹光调制器12、检偏器13、平凸镜Ⅱ2b、光电探测器Ⅰ14a、前置放大器Ⅰ15a、锁相放大器Ⅰ16a，弹光调制器12的出光口设置有半透半反射镜片17（在透镜的一半设有反光膜即可），偏振分光棱镜10的反射光方向依次设有光电探测器Ⅱ14b、前置放大器Ⅱ15b、锁相放大器Ⅱ16b。

对于磁光晶体，当没有外界磁场时，线偏振光沿磁光晶体介质入射后，在介质内部分解为左旋圆和右旋圆两束偏振光，且具有相同的传输特性；当存在外界磁场时，磁光晶体介质层表现出各向异性，导致线偏振光中的左旋圆偏振光部分和右旋圆偏振光部分在各向异性介质中传播时不再具有相同的传输特性，出射线偏振光的振动方向相对入射线偏振光发生改变，从而产生法拉第旋光角。磁光晶体出射的线偏振光经过弹光调制器调制后，一部分光透过半透半反射镜片后被光电探测器探测，以弹光调制器驱动频率为参考，通过锁相放大器得到倍频信号；同时磁光晶体出射的线偏振光经过弹光调制器调制后，另一部分被半透半反射镜片反射回去的光被另一光电探测器探测，同样以弹光调制器驱动频率为参考，并通过另一个锁相放大器得到倍频信号。分别根据两个倍频信号求得法拉第旋光角，并对旋光角进行解算和分析，得到加速度信息。通过对两个加速度信息的对比分析，实现闭环检测，最终来修正测量结果。

具体实施时，磁性薄膜使用微加工工艺嵌入双端固支悬臂梁质量块结构的中心质量块上。

双端固支悬臂梁质量块结构的加工工艺如图3所示，首先在硅衬底上外延生长钕铁硼薄，采取方法对正面器件加以保护，在背面适当布局的掩模下，用湿法腐蚀和干法深刻蚀相结合的办法，从背面成型并释放梁和质量块结构，最终制备出双端固支悬臂梁质量块结构。

光纤采用光纤端面耦合方法实现磁光晶体与光纤进行端面对准连接。

磁光晶体为YIG磁光晶体，首先采用化学气相淀积法在玻璃基底上生长YIG磁光材料薄膜，并利用硬掩膜方法制备脊型磁光晶体波导结构。玻璃基底置于悬臂梁质量块结构之上。

弹光调制器通过光纤接收出射偏振光，由光电探测器接收；前置放大器接收光电探测器的信号并放大后接入锁相放大器。

具体步骤如下：

（1）、激光器1产生的激光通过平凸镜Ⅰ2a、起偏器3后，通过光纤Ⅰ4a端面耦合的方法与磁光晶体5连接，线偏振激光入射进入YIG磁光晶体中。

（2）、当提供微小加速度信息后，即固定在转台的悬臂梁质量块和磁性薄膜产生移动，引起磁性薄膜周围磁场变化，进而引起磁光晶体线偏振光发生法拉第旋光效应，产生旋光角。

（3）、出射线偏振光由光纤通过偏振分光棱镜10、1/4波片11后，接入弹光调制器（PEM）12调制。透过PEM的光经过检偏器13、平凸镜Ⅱ2b后，被光电探测器Ⅰ14a探测；反射回去的光经过1/4波片11、偏振分光棱镜10后被另一个光电探测器Ⅱ14b探测。

（4）、光电探测器将光信号转换为电信号，并利用前置放大器将光电探测器输出的交流信号进行放大。都选择弹光调制器的驱动频率为参考，分别运用锁相放大器技术处理，分析调制信号的主要倍频成分幅值的变化。

（5）、根据两个锁相放大器得到的倍频信号分别求得法拉第旋光角，并通过对旋光角的解算分析，求得加速度信息。通过对两个加速度信息进行对比分析，从而实现闭环检测，修正测量结果，并最终获得高精度的加速度信息。

实施时，将双端固支悬臂梁质量块结构8位于提供加速度信号的装置9上，可以提 供微小的轴向重力加速度。激光器1发出的激光经过平凸镜Ⅰ2a后通过起偏器3，进而通过光 纤Ⅰ4a接入磁光晶体5中。当加载重力加速度后，产生加速度信号，即悬臂梁质量块结构8和 磁性薄膜7发生移动，从而引起磁薄膜7周围磁场变化，导致磁光晶体5中发生法拉第旋光效 应，产生旋光角。将出射偏振光通过偏振分光棱镜10后，经过弹光调制器12调制后，透过弹 光调制器12的光通过检偏器13、平凸镜Ⅱ2b后进入光电探测器探测Ⅰ14a，光电探测器Ⅰ14a 将光信号转换为电信号，由前置放大器Ⅰ15a放大后，运用锁相放大器Ⅰ16a技术处理得到光 学旋光角，最后根据旋光角与磁场的公式θ=VBL，从而得到磁场B的大小，其中V为维尔德常 数，L为光在晶体中传播的距离。当加速度信号使磁性薄膜磁场变化时，根据公式F=ma=kx， 其中k为悬臂梁的弹性系数，x为悬臂梁的弹性形变，而磁场B=xS，S为磁场梯度变化斜率。再 基于旋光角与磁场公式，建立了加速度计量程解算的模型，得到了加速度与旋光角的关系 式：

，通过解析计算得到加速度信息。同理，磁光晶体5出射的线偏振光经过弹 光调制器12调制后，反射回去的光被另一光电探测器Ⅱ14b探测，通过前置放大器Ⅱ15b及 锁相放大器Ⅱ16b，得到加速度信息。通过对两个加速度信息的对比分析，实现闭环检测，最 终来修正测量结果。

而且，本发明的特点在于对微小加速度信号的测量，有助于提高加速度检测精度。具体实验时，针对1μg的加速度信息检测，并利用现阶段旋光角10^-8rad的测量精度，根据旋光角与磁场的公式θ=VBL，其中V为维尔德常数，L为光在磁光晶体中传播的距离。结合本发明使用的磁光晶体物理参数维尔德常数V和磁光晶体长度L，通过旋光角θ的变化，得到磁场B的变化。同时再根据B=xS，S为磁场梯度变化斜率，从而得到1μg加速度信息下，质量块的位移大小x，并以此指标设计双端悬臂梁质量块结构，以此建立起旋光角与加速度的线性比例关系，从而通过检测的旋光角计算求得加速度信息，实现基于法拉第旋光效应的加速度传感器对微小加速度的检测。

本发明设计的基于磁旋光微光学加速度计旋光角的闭环检测系统，有加速度信号时，诱导磁性薄膜磁场变化，从而引起磁光晶体中线偏振光发生旋光效应。磁光晶体出射的线偏振光通过弹光调制器调制后，经过半透半反射镜片后，对透过的光和反射回去的光同时进行加速度信息的检测，实现加速度信息的闭环检测。通过两者的测量结果进行比较来检测测量系统的稳定性，最终来修正测量结果，这样可有效消除其他不定因素，提高系统的长期稳定性，以此实现高精度、高灵敏度、高稳定性加速度信息检测。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于磁旋光微光学加速度计的加速度信息闭环检测系统，其特征在于：包括双端固支悬臂梁质量块结构（8），所述双端固支悬臂梁质量块结构（8）的中心质量块上嵌入磁性薄膜（7）；所述双端固支悬臂梁质量块结构（8）上方设有玻璃基底（6），所述玻璃基底（6）表面沉积有磁光晶体（5），所述磁光晶体（5）一端通过光纤Ⅰ（4a）连接起偏器（3），所述起偏器（3）的入射光方向设有平凸镜Ⅰ（2a），所述平凸镜Ⅰ（2a）的入射光方向设有激光器（1）；所述磁光晶体（5）另一端通过光纤Ⅱ（4b）连接偏振分光棱镜（10），所述偏振分光棱镜（10）的透射光方向依次设有1/4波片（11）、弹光调制器（12）、检偏器（13）、平凸镜Ⅱ（2b）、光电探测器Ⅰ（14a）、前置放大器Ⅰ（15a）、锁相放大器Ⅰ（16a），所述弹光调制器（12）的出光口设置有半透半反射镜片（17），所述偏振分光棱镜（10）的反射光方向依次设有光电探测器Ⅱ（14b）、前置放大器Ⅱ（15b）、锁相放大器Ⅱ（16b）。

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