[发明专利]基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种加速度测量系统与方法，特别涉及了一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法。

背景技术

常见的加速度测量系统可以包含机械加速度敏感系统和位移测量系统，机械加速度敏感系统将外界输入加速度转化为位移量，位移测量系统测量该位移量从而获得输入加速度的大小。基于光学干涉的加速度计由于有着很高的位移测量精度因此被证明拥有很高的加速度测量精度，比如基于衍射光栅的微光学加速度计(N.C.Loh,M.A.Schmidt,and S.R.Manalis,“Sub-10cm3interferometric accelerometer with nano-g resolution,”J.Microelectromech.Syst.,vol.11,no.3,pp.182–187,Jun.2002.)，拥有10000V/g级的加速度测量灵敏度和低至40ng/rt Hz的等效噪声；基于光学拉链腔的微光学加速度计(A.G.Krause,M.Winger,T.D.Blasius,Q.Lin,and O.Painter,“A highr-esolution microchip optomechanical accelerometer,”Nature Photon.,vol.6,pp.768–772,Oct.2012.)，拥有近500V/g的灵敏度和10μg/rt Hz的等效噪声；基于光栅干涉腔的微光学加速度计(N.A.Hall et al.,“Micromachined accelerometers with optical interferometric read-out and integrated electrostatic actuation,”J.Microelectromech.Syst.,vol.17,no.1,pp.37–44,Feb.2008.)拥有1V/g的灵敏度和43.7ng/rt Hz的等效噪声。

但是，由于光学干涉测量中的量程被基准波长所限制，因此基于单波长干涉测量的量程往往较小。对于一个高精度高灵敏度的加速度测量系统，其机械加速度敏感系统的形变量，也即位移的变化量比较大。典型的，一个加速度测量灵敏度达到1000V/g的测量系统(Q.Lu et al.,“Minimizing cross-axis sensitivity in grating-based optomechanical accelerometers,”Opt.Exp.,vol.24,no.8,pp.9094–9111,Apr.2016.)，其在经受一个重力加速度(g)的情况下，敏感质量块的形变(位移)达到50μm左右，由于激光单波长通常为1μm左右，因此其干涉信号的周期只有数百纳米，远远无法到达敏感质量块的形变大小，这大大限制了加速度测量系统的测量量程。加速度测量系统需要增加周期计数才可以准确记录相位变化，但是一旦加速度的幅值和频率变化比较迅速，那么一般的采样率下无法获得需要的采样数据，并且也无法鉴相，这些问题都导致了现有基于单波长光学干涉加速度测量的相位模糊问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统与测量方法，融合了合成波长干涉和单波长干涉的优点，实现了大量程高精度的加速度测量。

本发明通过以下技术方案实现。

一、一种基于双波长干涉的大量程高精度加速度测量系统：

主要由两个激光器、一个偏振分光棱镜、两个分光棱镜、四个四分之一波片、一个平面反射镜、两个偏振片、一个超窄带滤波片、四个高灵敏度光电探测器、一个表面镀膜的压电陶瓷块、一个由敏感质量块、悬臂梁和基底构成的敏感结构、信号发生器、信号处理电路及上位机组成；

敏感质量块通过悬臂梁连接在基底上，敏感质量块正对着入射激光方向布置安装；两个激光器发出两束激光，两束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到第一分光棱镜合束，合束后的光再经偏振分光棱镜发生透射和反射，分为透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的两束光：透射的激光经过第三四分之一波片后变为圆偏振光垂直入射在敏感质量块表面，被敏感质量块表面的高反膜反射后再次经过第三四分之一波片变为垂直偏振光并回到偏振分光棱镜发生反射，形成信号光；反射的激光经过第四四分之一波片后变为圆偏振光垂直入射在压电陶瓷块表面，被压电陶瓷块表面的高反膜反射后再次经过第四四分之一波片变为水平偏振光并回到偏振分光棱镜发生透射，形成参考光；