雙y型腔雙頻雷射加速度計的製作方法
2023-10-04 11:27:39
專利名稱：雙y型腔雙頻雷射加速度計的製作方法
技術領域：
本發明是涉及一種高精度新型雷射加速度計，尤其是氣體膜盒式雙頻雷射加速度
計，屬於雷射和精密測量技術領域。
背景技術：
加速度計是慣性導航與制導系統中的重要元件，它將受控或被測載體沿其輸入軸 方向的運動加速度轉化為電信號或其它形式信號。加速度計的發展已經經歷了幾十年的歷 史，種類繁多。近代雷射技術、光纖傳感技術、微製造技術的發展給光學加速度計的研究提 供了有利條件，光學加速度計以其高靈敏度、強抗電磁幹擾能力等優點逐漸成為國內外加 速度計研究的熱點。 雷射加速度計是建立在已經發展幾十年的雷射器理論和技術基礎上的，它是將沿 輸入軸方向的加速度轉化為雷射器的輸出頻率變化，通過測量拍頻來敏感加速度。國內外 雷射加速度計的專利較多，基本上可分為兩大類。 一是在雷射器腔內置入晶體，加速度產 生的應力引起晶體折射率的變化，進而引起輸出頻率的變化。該方案的專利較多，清華大 學精密儀器國家重點實驗室正在利用此方案進行研究(張書練.正交偏振雷射原理[M]. 北京清華大學出版社，2005. 224 228) 。 二是利用加速度產生的慣性力，引起彈性敏感 元件的形變，進而引起輸出頻率的變化。Jospeh P.Ficalora等人提出了利用雷射器高反 端鏡形變引起的橫模間差頻變化來測量加速度的方案(Jospeh P.Ficalora， Oak Ridge， N. J. High Accuracy Laser Accelerometer :UnitedStates Patent,5456112[P]. Oct. 10， 1995)。 Litton公司的Graham J. Martin等人提出了 L型腔的結構，加速度引起雷射器一臂 的形變進而產生左右旋偏振光的差頻(Graham J. Martin, Canoga Park, Calif. Non-planar Ring Laser Accelerometer :United States Patent,4637255[P]. Jan. 20， 1987)。總的說 來，以上方案各有特色，但由於原理和技術上均存在著各自固有的缺點，目前世界上尚未有 高精度雷射加速度計研製成功的相關報導。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服以往雷射加速度計方案的不足，提出了一種新 型的解析度高、比例因子大、線性度好的高精度雷射加速度計系統方案_雙Y型腔雙頻雷射 加速度計。 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 本發明由光學模塊、工作點選擇與控制模塊和信號採集與處理模塊等部分組成。 光學模塊是整個加速度計的核心，由兩支對稱的Y型腔雙頻雷射器和氣體膜盒組成。S光 和P光被一偏振分光膜分開，分別形成兩個非共用腔。氣體膜盒被一超薄膜片分成兩部分， 其中均充有相同壓強的傳感氣體(如氮氣、二氧化碳、氙氣等)，這兩部分通過其上下兩個 通氣管分別與兩支雷射器中非共用腔中的一支相通，該支非共用腔稱為傳感氣體管。工作 點選擇與控制模塊用來選擇和控制加速度計的工作點，採用光強差的方法對雙頻雷射器穩
4頻。信號採集與處理模塊用來接收兩支Y型腔雙頻雷射器的輸出拍頻信號，計算出兩拍頻之差即為加速度計系統的最終輸出信號。 本發明的基本工作過程如下當垂直於超薄膜片方向有加速度輸入時，超薄膜片產生彈性形變，氣體膜盒的上半部分體積增大(或減小)，下半部分體積減小(或增大)，則與膜盒上半部分相連的傳感氣體管內氣體密度減小，折射率也相應減小，光學長度也隨之減小，從而引起兩段非共用腔光學長度差的改變，這樣該支雙頻雷射器的輸出拍頻，亦即s光和P光的頻率差也將發生變化。同理，另外一支雙頻雷射器的輸出拍頻將發生與之相反的變化。
本發明的工作原理詳細分析如下 當垂直於超薄膜片方向輸入的加速度為a時，超薄膜片上所受均勻載荷為q。=P。at，其中P。為超薄膜片材料的密度，t為超薄膜片的厚度。根據彈性力學知識(徐芝綸.彈性力學簡明教程[M].北京高等教育出版社，2002. 200 203.)，對於固定邊圓形平面膜片受均勻載荷q0時，超薄膜片上距離圓心r處的撓度為formula see original document page 5 其中formula see original document page 5
「為超薄膜片的彎曲剛度，P為超薄膜片材料的泊松比，E為其
楊氏模』
-y為超薄膜片半徑。發生彈性形變後的超薄膜片與其初始平面圍成的幾何體
體積即為加速度引起的氣體膜盒體積的變化。容易推導出加速度a引起的氣體膜盒上半部分的體積變化為formula see original document page 5積為
formula see original document page 5
忽略氣體膜盒與傳感氣體管之間的通氣管體積，氣體膜盒和傳感氣體管初始總體
formula see original document page 5
其中，k為傳感氣體管長，小為傳感氣體管直徑，e工為氣體膜盒的上半部分高度c由式(2)和式(3)可得，加速度a引起的傳感氣體的密度變化為
formula see original document page 5由格拉德斯通-戴爾(Gladstone-Dale)公式-
formula see original document page 5(k為格拉德斯通-戴爾常
數即G-D常數)，可得加速度a引起的傳感氣體的折射率變化為formula see original document page 5 加速度引起傳感氣體折射率的變化稱為本發明的第一級敏感，氣體膜盒也稱為"第一級敏感元件"。 由雷射器的駐波條件，Y型腔雙頻雷射器中的雷射頻率須滿足諧振條件1 iV.c V =.
= v0 ~t^1~^ A巧
2 Wl A
則傳感氣體的折射率變化引起諧振頻率變化為
"廣A+vA) — (5) 氣體折射率的變化引起Y型腔雙頻雷射器輸出拍頻的變化稱為本發明的第二級敏感，Y型腔雙頻雷射器稱為"第二級敏感元件"。 將(4)代入(5)式可得，加速度a引起的諧振頻率變化A v為
△ V =
1 A)(1-A2)vo
t及6
16
五
"、2 2
、2乂
(6) 令上式中/。=
16 /i
五
丄'
,〃
q、2、L
SF = f。^，貝U (6)式可寫為
v2乂 A v = SF a (7) 其中f。僅與超薄膜片的材料有關，^與加速度計的結構及氣體膜盒的參數有關，SF為單支Y型雙頻雷射器敏感加速度的比例因子。 對加速度計中的兩支Y型腔雙頻雷射器，由於加速度引起的傳感氣體折射率變化趨勢相反，當垂直於超薄膜片方向輸入的加速度為a時，它們的拍頻輸出分別為AVl = a和Av2 = -SF2 a，那麼加速度計的輸出信號即為上下兩支雷射器的輸出拍頻之差
即 A v = (SF一SF》 a (8) 由(8)式，通過測量出上下兩支雷射器的輸出拍頻之差即可檢測出加速度a的大小。 本發明的有益效果是( — )利用氣體膜盒作為加速度的第一級敏感元件，首先將加速度轉化為膜盒內氣體的折射率變化，這種設計有三大優點 由於系統是通過氣體折射率將加速度信號傳遞到雷射器的光路上，進而改變雷射器的光學腔長的，而不改變雷射器諧振腔的幾何長度，與已有的其它方案相比，這種方案中加速度的輸入並不影響雷射器的光路結構，因此加速度計的光學模塊結構和物理性能更加禾急^ ; 由於氣體膜盒和雷射器完全分離，氣體膜盒結構完全不受雷射器限制，這種設計為進一步優化彈性敏感元件的結構提供了便利，可以通過改變氣體膜盒的各種參數來提高系統的解析度和其它性能指標； 加速度信號是通過氣體折射率傳遞到加速度計上的，而外界噪聲(主要指溫度)是通過改變雷射器的幾何腔長傳遞到加速度計上的，它們對加速度計輸出頻率的影響途徑不同，因此信號與噪聲的分離成為可能，可以通過數位訊號處理的方法進一步提高系統的解析度。 (二)獨特的雙Y型腔結構，使得SP光共用增益區並同時起振，利用SP光的一次差動和對稱的雙Y型腔雷射器的二次差動，很大程度的抑制了溫度變化引起的噪聲。單支雙頻雷射器輸出頻率的一次差動基本消除了共用腔部分的溫度影響；而兩支雙頻雷射器輸出拍頻的第二次差動則主要抑制由非共用腔部分溫度梯度帶來的零偏隨機變化。
圖1為雙Y型腔雙頻雷射加速度計光學模塊結構圖； 圖2為Y型腔雙頻雷射器結構圖； 圖3為Y型腔雙頻雷射器底部； 圖4為氣體膜盒的結構圖； 圖5為雙Y型腔雙頻雷射加速度計系統結構圖 圖中1為Y型腔雙頻雷射器，2為氣體膜盒，3、8和9為高反射率鏡片或輸出鏡片，4為陰極，5為陽極，6為偏振分光膜，7為非共用腔，10為非共用腔(傳感氣體管)，11為增益區(內充有氦氖氣體)，12為傳感氣體管上的通氣孔，13為氣體膜盒上的通氣孔，14為超薄膜片，15為氣體膜盒的盒體，16為信號採集與處理模塊，17為工作點選擇與控制模塊，18為光學模塊，a為輸入加速度方向。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的一個實施示例作詳細的說明。但不應因此限制本發明的保護範圍。 如圖5所示，雙Y型腔雙頻雷射加速度計由光學模塊18、工作點選擇與控制模塊17和信號採集與處理模塊16等部分組成。其中，工作點選擇與控制模塊17用來選擇和控制加速度計的工作點，採用光強差的方法對雙頻雷射器穩頻；信號採集與處理模塊16用來接收兩支Y型腔雙頻雷射器的輸出拍頻信號，計算出兩拍頻之差即為加速度計系統的最終輸出信號；光學模塊18是整個系統的核心。以下主要對本發明的實施示例中光學模塊18的結構和工作機理作詳細說明。 如圖1所示，光學模塊18由兩支Y型腔雙頻雷射器1和氣體膜盒2組成。兩支Y型腔雙頻雷射器1與氣體膜盒2之間採用光膠或粘連的方式固連。Y型腔雙頻雷射器1和氣體膜盒2之間由通氣管(12,13)相連通。 如圖2和圖3所示，Y型腔雙頻雷射器由高反射率鏡片或輸出片(3，8，9)、共用腔(包括增益區)11、非共用腔(7，10)和偏振分光膜6組成。高反射率鏡片或輸出片(3，8，9)以光膠的方式貼在共用腔(包括增益區)ll和非共用腔(7， 10)的端面上，形成諧振腔。共用腔(包括增益區)ll中充有氦氖氣體，作為增益介質。非共用腔10上有通氣孔12。共用腔(包括增益區)11和非共用腔7 —體化設計加工完成。偏振分光膜6鍍制在非共用腔7
7的一個端面上，非共用腔7與共用腔(包括增益區)11和非共用腔7以光膠的方式固連在 一起。Y型腔雙頻雷射器的腔體(包括共用腔(包括增益區)11、非共用腔(7，10))材料可 使用微晶玻璃或其它超低膨脹率材料。 如圖4所示，氣體膜盒盒體15是由微晶玻璃材料加工而成，其底面為圓形，膜盒盒 體為一扁平狀皿。超薄膜片14材料使用石英玻璃。超薄石英膜片14與兩個氣體膜盒盒體 15以光膠或粘連的方式固連在一起，形成等容積的上下兩部分，這就構成了氣體膜盒。氣體 膜盒盒體15上有通氣孔13。氣體膜盒2的上下兩部分均內充有等壓強的傳感氣體。傳感 氣體可選用二氧化碳、氮氣、氙氣等。
本實施示例的具體工作過程如下 如圖5所示，當垂直於超薄膜片14方向有加速度a輸入時，超薄膜片14產生彈性 形變，氣體膜盒2 (圖4)的上半部分體積增大(或減小)，下半部分體積減小(或增大)，則 與氣體膜盒2上半部分相連的傳感氣體管10內氣體密度減小，折射率也相應減小，光學長 度也隨之減小，從而引起兩段非共用腔(7，10)光學長度差的改變，這樣該支Y型腔雙頻激 光器1的輸出拍頻將發生變化，也就是S光和P光的頻率差也將發生變化。同理，另外一支 Y型腔雙頻雷射器l的輸出拍頻將發生與之相反的變化。工作點選擇與控制模塊17選擇兩 支Y型腔雙頻雷射器1運轉的最佳頻率，並採用等光強的方法穩定該頻率。信號採集與處 理模塊16接收兩支Y型腔雙頻雷射器1的輸出拍頻，計算出它們的變化之差即為雙Y型腔 雙頻雷射加速度計的系統輸出信號。
權利要求
一種雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉化為氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，進而轉化為Y型腔雙頻雷射器的拍頻輸出，再利用雙Y型腔結構，將兩支Y型腔雙頻雷射器的拍頻差動，得到加速度計系統的最終輸出信號。
2. 根據權利要求1所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於雙Y型腔雙頻雷射 加速度計由光學模塊18、工作點選擇與控制模塊17和信號採集與處理模塊16組成。
3. 根據權利要求1所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於輸入加速度與系統 輸出信號之間的關係為A v = SF a其中，SF = SF一S&， S巳和SF2分別為單支Y型雙頻雷射器敏感加速度的比例因子， =f丄,.，formula see original document page 2成加速度計的兩支Y型雙頻雷射器。
4. 根據權利要求1和2所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於光學模塊18由 兩支Y型腔雙頻雷射器1和氣體膜盒2組成。
5. 根據權利要求1和4所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於氣體膜盒2由 兩個膜盒盒體15和一個超薄膜片14組成，兩個膜盒盒體15與超薄膜片14對稱地以光膠 或粘連的方式固連在一起。
6. 根據權利要求4和5所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於氣體膜盒2的 被超薄膜片14密閉的兩個膜盒盒體15中均充有相同壓強的傳感氣體，傳感氣體包括氮氣、 二氧化碳和氙氣等。
7. 根據權利要求6所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於膜盒盒體為一扁平 狀皿，膜盒盒體上均開有通氣孔13，膜盒盒體15的底面包括圓形、矩形等。
8. 根據權利要求3所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於超薄膜片14的表面 包括光滑平面、鋸齒形、梯形等。
9. 根據權利要求6和7所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於膜盒盒體15的 材料包括微晶玻璃等超低膨脹係數材料，超薄膜片14的材料包括石英玻璃等彈性材料。
10. 根據權利要求1、2和3所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於Y型腔雙 頻雷射器1利用偏振分光膜將S光和P光在空間上分開，從而形成兩個非共用腔(7， 10)，兩 個非共用腔(7， 10)與共用腔11的位置關係可以為"Y"型和具有"Y"型分叉結構的其它形 狀。
11. 根據權利要求1、2和3所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於Y型腔雙頻 雷射器1利用S光和P光在兩個非共用腔中的光程差產生這兩個偏振光的頻率差，從而形 成頻率分裂。
12. 根據權利要求1 、2和3所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於Y型腔雙頻 雷射器1利用增透窗將兩個非共用腔中的一個與增益區隔離，形成傳感氣體管。
13. 根據權利要求1 、2和3所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於氣體膜盒通 過通氣孔13與Y型腔雙頻雷射器的傳感氣體管相通。
14. 根據權利要求l所述的雙Y型腔雙頻雷射加速度計，其特徵在於工作點選擇與控制 模塊17選擇Y型腔雙頻雷射器的工作點，並採用光強差方法穩頻。
全文摘要
雙Y型腔雙頻雷射加速度計屬於雷射和精密測量技術領域，由光學模塊、工作點選擇與控制模塊和信號採集與處理模塊等組成。所述的光學模塊由兩支對稱的Y型腔雙頻雷射器和氣體膜盒組成。利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉化為氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，進而轉化為Y型腔雙頻雷射器的拍頻輸出，再利用雙Y型腔結構，將兩支Y型腔雙頻雷射器的拍頻差動，得到最終輸出信號。所述的工作點選擇與控制模塊用來選擇和控制加速度計的工作點，採用光強差的方法對雙頻雷射器穩頻。所述的信號採集與處理模塊用來接收兩支Y型腔雙頻雷射器的輸出拍頻信號，計算出兩拍頻之差即為加速度計系統的最終輸出信號。本發明雙Y型腔雙頻雷射加速度計是通過測量兩支雙頻雷射器的拍頻之差的變化來測量載體的加速度，具有解析度高、比例因子大、線性度好、數字式輸出等特點。
文檔編號G01P15/03GK101701969SQ200910227028
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者張斌, 肖光宗, 龍興武 申請人:龍興武;肖光宗;張斌