本發(fā)明涉及了一種加速度測(cè)量系統(tǒng)與方法，特別涉及了一種基于雙波長(zhǎng)干涉的大量程高精度加速度測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

常見的加速度測(cè)量系統(tǒng)可以包含機(jī)械加速度敏感系統(tǒng)和位移測(cè)量系統(tǒng)，機(jī)械加速度敏感系統(tǒng)將外界輸入加速度轉(zhuǎn)化為位移量，位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量該位移量從而獲得輸入加速度的大小。基于光學(xué)干涉的加速度計(jì)由于有著很高的位移測(cè)量精度因此被證明擁有很高的加速度測(cè)量精度，比如基于衍射光柵的微光學(xué)加速度計(jì)(n.c.loh,m.a.schmidt,ands.r.manalis,“sub-10cm3interferometricaccelerometerwithnano-gresolution,”j.microelectromech.syst.,vol.11,no.3,pp.182–187,jun.2002.)，擁有10000v/g級(jí)的加速度測(cè)量靈敏度和低至40ng/rthz的等效噪聲；基于光學(xué)拉鏈腔的微光學(xué)加速度計(jì)(a.g.krause,m.winger,t.d.blasius,q.lin,ando.painter,“ahighr-esolutionmicrochipoptomechanicalaccelerometer,”naturephoton.,vol.6,pp.768–772,oct.2012.)，擁有近500v/g的靈敏度和10μg/rthz的等效噪聲；基于光柵干涉腔的微光學(xué)加速度計(jì)(n.a.halletal.,“micromachinedaccelerometerswithopticalinterferometricread-outandintegratedelectrostaticactuation,”j.microelectromech.syst.,vol.17,no.1,pp.37–44,feb.2008.)擁有1v/g的靈敏度和43.7ng/rthz的等效噪聲。

但是，由于光學(xué)干涉測(cè)量中的量程被基準(zhǔn)波長(zhǎng)所限制，因此基于單波長(zhǎng)干涉測(cè)量的量程往往較小。對(duì)于一個(gè)高精度高靈敏度的加速度測(cè)量系統(tǒng)，其機(jī)械加速度敏感系統(tǒng)的形變量，也即位移的變化量比較大。典型的，一個(gè)加速度測(cè)量靈敏度達(dá)到1000v/g的測(cè)量系統(tǒng)(q.luetal.,“minimizingcross-axissensitivityingrating-basedoptomechanicalaccelerometers,”opt.exp.,vol.24,no.8,pp.9094–9111,apr.2016.)，其在經(jīng)受一個(gè)重力加速度(g)的情況下，敏感質(zhì)量塊的形變(位移)達(dá)到50μm左右，由于激光單波長(zhǎng)通常為1μm左右，因此其干涉信號(hào)的周期只有數(shù)百納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法到達(dá)敏感質(zhì)量塊的形變大小，這大大限制了加速度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程。加速度測(cè)量系統(tǒng)需要增加周期計(jì)數(shù)才可以準(zhǔn)確記錄相位變化，但是一旦加速度的幅值和頻率變化比較迅速，那么一般的采樣率下無法獲得需要的采樣數(shù)據(jù)，并且也無法鑒相，這些問題都導(dǎo)致了現(xiàn)有基于單波長(zhǎng)光學(xué)干涉加速度測(cè)量的相位模糊問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出了一種基于雙波長(zhǎng)干涉的大量程高精度加速度測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量方法，融合了合成波長(zhǎng)干涉和單波長(zhǎng)干涉的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大量程高精度的加速度測(cè)量。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一、一種基于雙波長(zhǎng)干涉的大量程高精度加速度測(cè)量系統(tǒng)：

主要由兩個(gè)激光器、一個(gè)偏振分光棱鏡、兩個(gè)分光棱鏡、四個(gè)四分之一波片、一個(gè)平面反射鏡、兩個(gè)偏振片、一個(gè)超窄帶濾波片、四個(gè)高靈敏度光電探測(cè)器、一個(gè)表面鍍膜的壓電陶瓷塊、一個(gè)由敏感質(zhì)量塊、懸臂梁和基底構(gòu)成的敏感結(jié)構(gòu)、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)處理電路及上位機(jī)組成；

敏感質(zhì)量塊通過懸臂梁連接在基底上，敏感質(zhì)量塊正對(duì)著入射激光方向布置安裝；兩個(gè)激光器發(fā)出兩束激光，兩束激光分別經(jīng)過各自的四分之一波片后入射到第一分光棱鏡合束，合束后的光再經(jīng)偏振分光棱鏡發(fā)生透射和反射，分為透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的兩束光：透射的激光經(jīng)過第三四分之一波片后變?yōu)閳A偏振光垂直入射在敏感質(zhì)量塊表面，被敏感質(zhì)量塊表面的高反膜反射后再次經(jīng)過第三四分之一波片變?yōu)榇怪逼窆獠⒒氐狡穹止饫忡R發(fā)生反射，形成信號(hào)光；反射的激光經(jīng)過第四四分之一波片后變?yōu)閳A偏振光垂直入射在壓電陶瓷塊表面，被壓電陶瓷塊表面的高反膜反射后再次經(jīng)過第四四分之一波片變?yōu)樗狡窆獠⒒氐狡穹止饫忡R發(fā)生透射，形成參考光；

信號(hào)光和參考光經(jīng)偏振分光棱鏡合束后入射到第二分光棱鏡再發(fā)生反射和透射：經(jīng)第二分光棱鏡透射后的光經(jīng)過第一偏振片被第一光電探測(cè)器接收，第二光電探測(cè)器置于第一光電探測(cè)器旁，用于接收第一光電探測(cè)器附近的環(huán)境光；經(jīng)第二分光棱鏡反射后的光，經(jīng)過超窄帶濾波片過濾后被第三光電探測(cè)器接收，第四光電探測(cè)器置于第三光電探測(cè)器旁，用于接收第三光電探測(cè)器附近的環(huán)境光；第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器均連接到信號(hào)處理電路，壓電陶瓷塊經(jīng)信號(hào)發(fā)生器連接到信號(hào)處理電路，信號(hào)發(fā)生器分別輸出信號(hào)到壓電陶瓷塊，信號(hào)處理電路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接到上位機(jī)，上位機(jī)輸出加速度測(cè)量值。

所述的兩個(gè)激光器發(fā)出不同波長(zhǎng)的激光，兩束激光的波長(zhǎng)差為δλ。波長(zhǎng)差為δλ小于5nm，大于2nm。

所述的兩個(gè)激光器發(fā)出的光為不同波長(zhǎng)的線偏振光，兩束線偏振光經(jīng)過各自的四分之一波片后變?yōu)閮墒鴪A偏振光，每束圓偏振光經(jīng)過偏振分光棱鏡后分別分束為兩束偏振方向互相垂直的線偏振光。

所述的超窄帶濾波片的中心波長(zhǎng)與兩個(gè)激光器發(fā)出的兩束光中較小的波長(zhǎng)相同。

具體實(shí)施中，兩個(gè)激光器發(fā)出的光為波長(zhǎng)為632.8nm和637nm的線偏振光。超窄帶濾波片的中心波長(zhǎng)為632.8nm，半高全寬為1nm。

所述的第一、第二光電探測(cè)器放置位置緊鄰且朝向相同，以及第三、第四光電探測(cè)器放置位置緊鄰且朝向相同，以實(shí)現(xiàn)與環(huán)境光的差分。

所述的壓電陶瓷塊表面鍍有高反膜，敏感質(zhì)量塊表面鍍有高反膜。

高反膜是指由對(duì)所用激光有高反射率的金屬膜和起保護(hù)作用的介質(zhì)膜構(gòu)成的膜層。

二、一種基于雙波長(zhǎng)干涉的大量程高精度加速度測(cè)量方法：

1)采用上述測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行工作采集到各個(gè)光電探測(cè)器的接收信號(hào)，采集時(shí)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷塊產(chǎn)生相位調(diào)制，同時(shí)輸出參考信號(hào)作為信號(hào)處理電路的輸入信號(hào)；

2)信號(hào)發(fā)生器輸出參考信號(hào)得到信號(hào)處理電路，第一、第二光電探測(cè)器和第三、第四光電探測(cè)器均將各自的接收信號(hào)發(fā)送到信號(hào)處理電路；

3)信號(hào)處理電路中，將第一、第二光電探測(cè)器的接收信號(hào)先經(jīng)過差分放大后用來自信號(hào)發(fā)生器的參考信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解算出合成波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位變化，再根據(jù)合成波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位變化獲得大量程的加速度值；并且將第三、第四光電探測(cè)器的接收信號(hào)先經(jīng)過差分放大后用來自信號(hào)發(fā)生器的參考信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解算出單波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位變化，根據(jù)單波長(zhǎng)干涉信號(hào)的相位變化得到高精度的加速度值；

4)將得到的大量程的加速度值和高精度的加速度值采用以下公式進(jìn)行計(jì)算獲得最終加速度測(cè)量值a：

其中a1為通過合成波長(zhǎng)干涉信號(hào)獲得的大量程加速度值，a2為通過單波長(zhǎng)干涉信號(hào)獲得的高精度加速度值，為取以mg為單位的加速度值的整數(shù)部分，為取以mg為單位的加速度值的小數(shù)部分。

本發(fā)明加速度值的精度可以高達(dá)μg級(jí)別，同時(shí)量程擴(kuò)展為單波長(zhǎng)測(cè)量的150倍。

所述步驟1)具體為：

1.1)兩個(gè)激光器發(fā)出兩束波長(zhǎng)分別為λ1和λ2的激光，波長(zhǎng)為λ1和λ2的波長(zhǎng)差為δλ，λ2-λ1＝δλ，兩束激光分別經(jīng)過各自的四分之一波片后入射到第一分光棱鏡合束，合束后的光再經(jīng)偏振分光棱鏡發(fā)生透射和反射，分為透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的兩束光：水平偏振的兩個(gè)不同波長(zhǎng)為λ1和λ2的兩束激光經(jīng)過第三四分之一波片后變?yōu)閳A偏振光垂直入射在敏感質(zhì)量塊表面，被敏感質(zhì)量塊表面的高反膜反射后再次經(jīng)過第三四分之一波片變?yōu)榇怪逼窆獠⒒氐狡穹止饫忡R發(fā)生反射，形成信號(hào)光；垂直偏振的兩個(gè)不同波長(zhǎng)為λ1和λ2的兩束激光經(jīng)過第四四分之一波片后變?yōu)閳A偏振光垂直入射在壓電陶瓷塊表面，被壓電陶瓷塊表面的高反膜反射后再次經(jīng)過第四四分之一波片變?yōu)樗狡窆獠⒒氐狡穹止饫忡R發(fā)生透射，形成參考光；

1.2)信號(hào)光和參考光經(jīng)偏振分光棱鏡合束后入射到第二分光棱鏡再發(fā)生反射和透射：經(jīng)第二分光棱鏡透射后的光經(jīng)過第一偏振片，透射的四束激光經(jīng)過第一偏振片偏振態(tài)調(diào)整至一致，使得波長(zhǎng)為λ1的參考光和信號(hào)光以及波長(zhǎng)為λ2的參考光和信號(hào)光在第一偏振片后發(fā)生相干疊加形成合成波長(zhǎng)干涉信號(hào)，并被第一光電探測(cè)器接收，第二光電探測(cè)器接收第一光電探測(cè)器附近的環(huán)境光；經(jīng)第二分光棱鏡反射后的光，經(jīng)過超窄帶濾波片濾去波長(zhǎng)為λ2的參考光和信號(hào)光，讓波長(zhǎng)為λ1的參考光和信號(hào)光通過，再經(jīng)第二偏振片后使得波長(zhǎng)為λ1的參考光和信號(hào)光相干疊加形成單波長(zhǎng)干涉信號(hào)，并被第三光電探測(cè)器接收，第四光電探測(cè)器接收第三光電探測(cè)器附近的環(huán)境光。

當(dāng)外界有加速度輸入時(shí)，敏感質(zhì)量塊受慣性力作用發(fā)生位移，位移的方向和入射的信號(hào)光光軸方向一致。本發(fā)明通過雙波長(zhǎng)干涉和單波長(zhǎng)干涉相結(jié)合的方式以合成波長(zhǎng)和單波長(zhǎng)為基準(zhǔn)衡量由加速度帶來的位移大小，以合成波長(zhǎng)決定加速度測(cè)量的量程，以單波長(zhǎng)決定了加速度測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)了大量程高精度的加速度測(cè)量。

假設(shè)通過信號(hào)發(fā)生器引入的壓電陶瓷位移變化d可以表示為：

d＝d0sin(ωt)

其中，d0表示引入的壓電調(diào)制位移信號(hào)的幅值，ω表示引入的調(diào)制信號(hào)的頻率，t表示時(shí)間。

第一光電探測(cè)器(16)接收到的四束激光的復(fù)振幅a1'、a2'、a3'、a4'可以表示為：

其中，a0表示接收到的激光復(fù)振幅的幅值，v1和v2為λ1和λ2對(duì)應(yīng)的光頻率，c為加速度a和位移d的轉(zhuǎn)化靈敏度，c為光速，d0為初始位置的信號(hào)光和參考光的光程差，a為加速度。

濾去第二光電探測(cè)器探測(cè)到的環(huán)境光后的合成波長(zhǎng)干涉光的表達(dá)式可以表示為：

通過信號(hào)處理后，可以得到合成波長(zhǎng)干涉信號(hào)表達(dá)式：

其中，λs表示合成波長(zhǎng)，λs＝λ1λ2/(λ2-λ1)，利用信號(hào)發(fā)生器的參考信號(hào)相關(guān)解調(diào)并測(cè)相即可得到加速度值a。

基于雙波長(zhǎng)干涉的測(cè)量是以合成波長(zhǎng)λs作為基準(zhǔn)的，因此量程擴(kuò)大為λs/2，假設(shè)選取的波長(zhǎng)λ1和λ2分別為632.8nm和637nm，則對(duì)應(yīng)的合成波長(zhǎng)λs可以擴(kuò)展為95.97μm，對(duì)應(yīng)的加速度量程擴(kuò)展到95.97μm/637nm≈150倍左右，滿足1000v/g的超靈敏加速度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量量程需求。

第三光電探測(cè)器接收到的兩束激光的復(fù)振幅表達(dá)式為：

對(duì)應(yīng)的濾去環(huán)境光的單波長(zhǎng)干涉信號(hào)表達(dá)式表示為：

通過相關(guān)解調(diào)和測(cè)相即可獲取到以λ1作為基準(zhǔn)的相位信息。基于相位調(diào)制解調(diào)的單波長(zhǎng)干涉測(cè)量擁有μg級(jí)別的加速度測(cè)量精度，保證了本發(fā)明的加速度測(cè)量精度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明利用合成波長(zhǎng)擴(kuò)大測(cè)量系統(tǒng)的量程，使加速度測(cè)量系統(tǒng)的量程擴(kuò)大為原單波長(zhǎng)干涉系統(tǒng)的150倍。

2、本發(fā)明利用相位調(diào)制解調(diào)技術(shù)和環(huán)境光差分技術(shù)同時(shí)提高了合成波長(zhǎng)干涉和單波長(zhǎng)干涉的信噪比。

3、本發(fā)明利用單波長(zhǎng)干涉信號(hào)保證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，使得加速度測(cè)量系統(tǒng)能夠在擴(kuò)大測(cè)量量程的同時(shí)保證μg級(jí)的精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖和測(cè)量原理示意圖。

圖中：激光器1、激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、反射鏡5、第一分光棱鏡6、偏振分光棱鏡7、第三四分之一波片8、第四四分之一波片9、壓電陶瓷塊10、敏感質(zhì)量塊11、彈性懸臂梁12、基底13、第二分光棱鏡14、第一偏振片15、第一光電探測(cè)器16、第二光電探測(cè)器17、超窄帶濾波片18、第二偏振片19、第三光電探測(cè)器20、第四光電探測(cè)器21、信號(hào)發(fā)生器22、信號(hào)處理電路23、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊24、上位機(jī)25、輸出信號(hào)加速度測(cè)量值26。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)大量程高精度的實(shí)時(shí)位移測(cè)量，提供了一種雙波長(zhǎng)超外差干涉測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)包括波長(zhǎng)為λ1＝632.8nm的激光器1、波長(zhǎng)為λ2＝635nm的激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、反射鏡5、第一分光棱鏡6、偏振分光棱鏡7、第三四分之一波片8、第四四分之一波片9、壓電陶瓷塊10、敏感質(zhì)量塊11、彈性懸臂梁12、基底13、第二分光棱鏡14、第一偏振片15、第一光電探測(cè)器16、第二光電探測(cè)器17、超窄帶濾波片18、第二偏振片19、第三光電探測(cè)器20、第四光電探測(cè)器21、信號(hào)發(fā)生器22、信號(hào)處理電路23、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊24和上位機(jī)25，上位機(jī)25輸出加速度測(cè)量值26。

本發(fā)明的具體測(cè)量原理描述如下：

如圖1所示，激光器1和激光器2分別發(fā)出波長(zhǎng)為λ1＝632.8nm和λ2＝637nm的線偏振光，δλ＝4.2nm，其中波長(zhǎng)λ1的線偏振光為經(jīng)過第一四分之一波片3后變成第一圓偏振光，波長(zhǎng)為λ2經(jīng)過第二四分之一波片4后變成第二圓偏振光，第一圓偏振光經(jīng)過反射鏡5與第二圓偏振光在第一分光棱鏡6處合束。

兩束圓偏振光經(jīng)過偏振分光棱鏡7，發(fā)生透射和反射分為水平偏振和垂直偏振的兩束：

波長(zhǎng)為λ1和λ2的水平偏振光透過偏振分光棱鏡7經(jīng)第三四分之一波片8垂直入射到鍍有高反膜的敏感質(zhì)量塊11表面，反射后再次經(jīng)過第三四分之一波片8變?yōu)榇怪逼窆獗黄穹止饫忡R7反射，作為帶有被測(cè)相位信息的信號(hào)光，信號(hào)光包含波長(zhǎng)為λ1和λ2的信號(hào)，其復(fù)振幅可以表示為：

波長(zhǎng)為λ1和λ2的垂直偏振光被偏振分光棱鏡7反射經(jīng)第四四分之一波片9垂直入射到鍍有高反膜的壓電陶瓷塊10表面，反射后再次經(jīng)過第四四分之一波片9變?yōu)樗狡窆馔高^偏振分光棱鏡7，作為帶有參考相位信息的參考光，參考光同樣包含波長(zhǎng)為λ1和λ2的信號(hào)，其復(fù)振幅可以表示為：

信號(hào)光和參考光合束后經(jīng)過第二分光棱鏡14發(fā)生透射和反射分束，其中透射出的一部分光經(jīng)過第一偏振片15變?yōu)槠駪B(tài)相同的四束激光，其中波長(zhǎng)為λ1的信號(hào)光和參考光相干疊加，波長(zhǎng)為λ1的信號(hào)光和參考光相干疊加，雙波長(zhǎng)干涉信號(hào)疊加形成合成波長(zhǎng)干涉信號(hào)，表達(dá)式如下：

其中ia1為第一光電探測(cè)器16和第二光電探測(cè)器17接收的環(huán)境光，通過兩個(gè)探測(cè)器接收的信號(hào)進(jìn)行差分并且解調(diào)測(cè)相可以獲得基于合成波長(zhǎng)λs的加速度a。

信號(hào)光和參考光被第二分光棱鏡14反射出的另一部分光通過超窄帶濾波片18，超窄帶濾波片的中心波長(zhǎng)為632.8nm，半高全寬為1nm。超窄帶濾波片過濾后只留下波長(zhǎng)為λ1的信號(hào)光和參考光，再經(jīng)第二偏振片19使得信號(hào)光和參考光的偏振態(tài)一致，發(fā)生相干疊加，形成單波長(zhǎng)干涉信號(hào)，其光表達(dá)式為：

其中，ia2為第三光電探測(cè)器20和第四光電探測(cè)器21接收的環(huán)境光，通過兩個(gè)探測(cè)器接收的信號(hào)進(jìn)行差分并且解調(diào)測(cè)相可以獲得基于合成波長(zhǎng)λ1的加速度a。

在測(cè)量過程中，信號(hào)發(fā)生器22發(fā)出頻率為ω的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷塊10引入相位調(diào)制，同時(shí)將該信號(hào)輸入信號(hào)處理電路23作為解調(diào)的輸入信號(hào)。通過相位調(diào)制解調(diào)可以提升系統(tǒng)的信噪比，提升加速度測(cè)量的精度。

本實(shí)施例由于選取的波長(zhǎng)λ1和λ2分別為632.8nm和637nm，則對(duì)應(yīng)的合成波長(zhǎng)λs可以擴(kuò)展為95.97μm，對(duì)應(yīng)的加速度量程擴(kuò)展到95.97μm/637nm≈150倍左右。

由此可見，本發(fā)明方法利用雙波長(zhǎng)產(chǎn)生的合成波長(zhǎng)干涉信號(hào)提升了加速度測(cè)量的量程，使得系統(tǒng)的測(cè)量量程遠(yuǎn)大于單波長(zhǎng)干涉的量程，提升至單波長(zhǎng)干涉系統(tǒng)的150倍，并利用單波長(zhǎng)干涉保證加速度測(cè)量的精度，本發(fā)明通過引入超窄帶濾波片采得單波長(zhǎng)干涉信號(hào)，配合相位調(diào)制解調(diào)技術(shù)在擴(kuò)大測(cè)量量程的同時(shí)保證加速度測(cè)量的高精度。

本發(fā)明已通過實(shí)施例進(jìn)行了描述，任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。