基于激光自混合干涉的石英挠性加速度计

摘要

本发明涉及惯性检测仪表领域。为提供一种具有测量精度高、分辨率高、动态范围宽、结构简单紧凑、抗电磁干扰等优点的加速度计，本发明采取的技术方案是，基于激光自混合干涉的石英挠性加速度计，包括表头和数字再平衡回路；表头由外壳、摆组件、力矩器、激光自混合干涉信号传感器组成；数字再平衡回路包括激光器驱动电源、光电检测电路、数据采集电路、数字信号处理电路及力矩电流发生器；当有加速度输入时，激光自混合干涉信号传感器检测到摆组件的位移并转换为电信号，该电信号经过数字再平衡回路转化为与加速度成比例的电流信号，并反馈至力矩器使其产生再平衡力矩，通过检测力矩器电流即可得到加速度。本发明主要应用于加速度测量。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性检测仪表领域，尤其是基于激光自混合干涉的石英挠性加速度计。

背景技术

石英挠性加速度计是一种机械摆式加速度计，它具有精度和灵敏度高、温度系数小、结 构简单、体积小等优点，是精密惯性导航、制导系统中最为理想的惯性仪表之一，广泛应用 于航空、航天、航海及陆地导航控制领域。

作为惯性导航、制导系统的基本测量元件，石英挠性加速度计精度直接影响惯性导航、 制导系统的性能。随着科学技术的不断发展，惯性导航、制导系统的精度不断提高，对于石 英挠性加速度计的分辨率和精度的要求也越来越高。尤其是对于当前国家重点发展的需要长 距离、长时间飞行的大飞机、高空长航时无人机、水下AUV及深空探测器等而言，高精度 加速度计更是必不可少。然而，国内现有的石英挠性加速度计中，精度一般在几十个μg₀/ppm 水平，分辨率仅5-10μg₀，其性能指标远低于国外同类产品，与高精度惯性导航制导系统的要 求之间还存在着一定的差距，需进一步提高现有石英挠性加速度计的测量精度。

加速度计精度的提高有两种途径：一是降低加速度计谐振子的本征频率，但其代价是频 带宽度降低，另一种方法是提高加速度计信号传感器的检测水平。石英挠性加速度计中电容 式信号传感器的输出电容变化量正比于位移的平方，分辨率受限，要获得高分辨率，系统的 尺寸则需要适当展宽；同时受电子噪声、机械热噪声及环境寄生电容等因素的影响电容式信 号传感器输出信噪比低，达到了微小电容检测电路的检测极限，电容式石英挠性加速度计精 度很难突破μg₀/ppm。

激光自混合干涉技术是近年来新兴的一种精密光学非接触测量技术，具有分辨率高、精 度高、动态范围宽、抗电磁干扰等优点，且其测量系统仅有一个干涉通道、易准直、结构简 单紧凑。当前，激光自混合干涉技术已被广泛的应用于探伤研究、三维形貌测量、血液流速 测量、耳蜗薄膜振动测量等，尤其是激光自混合微位移测量技术经过多年发展，目前已经实 现了高于纳米的位移测量精度，在传统石英挠性加速度计的结构下，对应的加速度测量精度 理论上可以高于1μg₀。迄今为止，尚未见到将该技术用于石英挠性加速度计设计的相关报道。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，解决石英挠性加速度计受尺寸限制及电子噪声、 机械热噪声、环境寄生电容等因素的影响分辨率低、精度不易提高的问题，提供一种具有测 量精度高、分辨率高、动态范围宽、结构简单紧凑、抗电磁干扰等优点的基于激光自混合干 涉的石英挠性加速度计。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于激光自混合干涉 的石英挠性加速度计，包括有：表头和数字再平衡回路；表头由外壳、摆组件、力矩器、激 光自混合干涉信号传感器组成；数字再平衡回路包括激光器驱动电源、光电检测电路、数据 采集电路、数字信号处理电路及力矩电流发生器；当有加速度输入时，激光自混合干涉信号 传感器检测到摆组件的位移并转换为电信号，该电信号经过数字再平衡回路转化为与加速度 成比例的电流信号，并反馈至力矩器使其产生再平衡力矩，通过检测力矩器电流即可得到加 速度。

激光自混合干涉信号传感器由垂直腔面发射激光器VCSEL、光电二极管、光纤组成；摆 组件为石英摆片，垂直腔面发射激光器VCSEL采用锯齿波电流驱动，出射激光经过准直透 镜聚焦到石英摆片上产生反射或散射，部分携带位移信息的反射或散射光反馈回垂直腔面发 射激光器VCSEL激光器腔内同腔内光发生自混合干涉，引起激光腔出射光功率变化，激光 腔内设置的光电探测器探测到自混合干涉信号并将其转换为电信号，该电信号经过经过数字 再平衡回路的I/V转换、放大、滤波及ADC转换为数字信号，然后采用全相位FFT频谱分 析法提取自混合干涉信号的相位，求出摆组件位移，通过数字再平衡回路加矩，进而通过加 矩电流得到高精度的加速度测量数据。

光电检测电路将表头输出光电流信号转换为电压信号，光电检测电路包括I/V转换电路、 前置放大电路，I/V转换电路采用精密电阻完成微弱光电流信号到电压信号的转换；前置放大 电路采用具有高共模抑制比的仪用运算放大器；数据采集电路采用24位ADC完成模拟信号 到数字信号的转变，包括抗混叠滤波503和A/D转换电路；数字信号处理电路主要完成自混 合干涉信号相位提取、加速度解调，包括电源电路、时钟电路、复位电路、LCD显示；力矩 电流发生器用于产生力矩器电流，包括D/A转换电路、平滑滤波电路及跨导放大器。

本发明采用激光自混合干涉测量方法检测加速度计敏感质量的位移，有如下优点：

1、基于激光自混合干涉效应的加速度检测方法避免了电容式加速度检测方法存在的受噪 声及寄生电容影响加速度计精度受限的问题，具有分辨率高、测量精度高、动态范围宽、抗 电磁干扰等优点。

2、激光自混合干涉信号传感器仅有一个干涉通道，易准直、结构简单紧凑，可使加速度 计尺寸进一步减小。

3、激光自混合干涉信号传感器采用垂直腔面发射激光器HVS6003-001作为光源，其前 端带有自准直校准透镜，且该激光器内部封装有光电二极管，可作为光电探测器，进一步减 小了信号传感器体积。

4、激光自混合干涉测量是基于点的微小位移测量，采用三路激光测量摆片上的三个点的 精确位置就可调整摆片的实际位置，克服摆片扭摆以及加速度敏感轴和载体运动输入轴不重 合给测量带来的误差影响。

5、利用全相位FFT谱分析法进行自混合干涉信号的相位解调，该方法可在不增加系统 复杂度的前提下，提高自混合干涉信号相位提取精度，且频谱泄露小、算法简单。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明的光学系统结构图。

图3是本发明的激光器驱动电路原理图。

图4是本发明的数字再平衡回路框图。

具体实施方式

本发明专利采用如下技术方案：一种基于激光自混合干涉的新型石英挠性加速度计，包 括表头和数字再平衡回路。表头由外壳、摆组件、力矩器、激光器组成。数字再平衡回路包 括激光器驱动电源、光电检测电路、数据采集电路、数字信号处理电路及力矩电流发生器。 当有加速度输入时，激光自混合干涉信号传感器检测到摆组件的位移并转换为电信号，该电 信号经过数字再平衡回路转化为与加速度成比例的电流信号，并反馈至力矩器使其产生再平 衡力矩，通过检测力矩器电流即可得到加速度。

激光自混合干涉信号传感器由垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光电二极管、光纤、石 英摆片组成。其检测原理如下：VCSEL采用锯齿波电流驱动，出射激光经过准直透镜聚焦到 石英摆片上产生反射或散射，部分携带位移信息的外部光反馈回激光器腔内同腔内光发生自 混合干涉，引起激光腔出射光功率变化，光电探测器探测到自混合干涉信号并将其转换为电 信号，该电信号经过I/V转换、放大、滤波及ADC转换为数字信号，然后采用全相位FFT频 谱分析法提取自混合干涉信号的相位，求出摆组件位移，通过数字再平衡回路加矩，进而通 过加矩电流得到高精度的加速度测量数据。

下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。

图1是本发明的结构原理图。该新型石英挠性加速度计由外壳100、摆组件、推挽式力 矩器、激光自混合干涉信号传感器及数字再平衡回路500组成。外壳100为一封闭的金属构 件，摆组件、力矩器、激光自混合干涉信号传感器封装于外壳100内。摆组件包括力矩器动 圈302和摆片202，力矩器动圈302通过胶接的方式安装于摆片202的中心，摆片202底端 连接挠性梁201使摆组件与加速度计壳体100弹性相连。推挽式力矩器包括永磁体303、轭 铁301、力矩器动线圈302，轭铁301固定在壳体100的中部，永磁体303通过胶结方式安装 于轭铁301的中心，并穿过力矩器动圈302。激光自混合干涉信号传感器包括靶标401、光纤 402、准直透镜403、激光器404、光电二极管406，靶标401安装在摆片202的顶端，激光 器404、光电二极管406封装于用于散射的金属套筒405内，准直透镜403固定于套筒405 一端，套筒405安装在加速度计壳体100上。光电二极管406的输出端连接数字再平衡电路 500的输入，数字再平衡电路500的输出电流I反馈给力矩器动圈302，使力矩器产生再平衡 力矩。

图2表示本发明的光学系统结构图。光学系统由光电二极管406、激光器404、准直透镜 403、光纤402、石英摆片401、驱动电源600组成。激光器404由驱动电源600驱动发光， 输出激光经准直透镜403准直后，通过光纤402传输照射在石英摆片401上发生反射和散射， 部分光反馈回激光器404谐振腔内与腔内光混合形成自混合干涉，调制激光器输出功率。激 光器404为垂直腔面发射激光器HVS6003-001，该激光器内部封装有光电二极管，可作为光 电探测器，且其前端带有自准直校准透镜，进一步减小了信号传感器体积。

图3表示本发明的激光器驱动电源电路原理图。激光器驱动电路600由调制电流源和锯 齿波信号发生电路、驱动保护电路组成。锯齿波信号发生器用于产生调制激光器输出信号的 锯齿波波动电流，采用直接数字频率合成法(DDS)生成锯齿波驱动电流，包括DDS芯片 604、频率调整601、幅度调整602及电源603。调制电流源605用于产生恒定的直流分量使 激光器工作在线性区域内。锯齿波信号发生器同调制电流源经加法电路605叠加后送入V/I 转换608可产生用于驱动激光器的调制电流。保护电路包括软启动607，限流保护609，软启 动607保护激光器不受电源开启时而产生的电冲击影响，限流保护609保护激光器工作电流 低于VCSEL的最大允许电流。

图4表示本发明的数字再平衡回路。该新型石英挠性加速度计数字再平衡回路500由光 电检测电路、数据采集电路、数字信号处理电路、力矩电流发生器组成。光电检测电路将表 头输出光电流信号转换为电压信号，包括I/V转换电路501、前置放大电路502，I/V转换电 路501采用精密电阻完成微弱光电流信号到电压信号的转换；前置放大电路502采用具有高 共模抑制比的仪用运算放大器。数据采集电路采用24位ADC完成模拟信号到数字信号的转 变，包括抗混叠滤波503和A/D转换电路504。数字信号处理电路主要完成自混合干涉信号 相位提取、加速度解调，包括电源电路510、时钟电路511、复位电路512、LCD显示509。 力矩电流发生器用于产生力矩器电流，包括D/A转换电路506、平滑滤波电路507及跨导放 大器508。