[发明专利]双Y型腔双频激光加速度计

说明书

技术领域

本发明是涉及一种高精度新型激光加速度计，尤其是气体膜盒式 双频激光加速度计，属于激光和精密测量技术领域。

背景技术

加速度计是惯性导航与制导系统中的重要元件，它将受控或被测 载体沿其输入轴方向的运动加速度转化为电信号或其它形式信号。加 速度计的发展已经经历了几十年的历史，种类繁多。近代激光技术、 光纤传感技术、微制造技术的发展给光学加速度计的研究提供了有利 条件，光学加速度计以其高灵敏度、强抗电磁干扰能力等优点逐渐成 为国内外加速度计研究的热点。

激光加速度计是建立在已经发展几十年的激光器理论和技术基 础上的，它是将沿输入轴方向的加速度转化为激光器的输出频率变 化，通过测量拍频来敏感加速度。国内外激光加速度计的专利较多， 基本上可分为两大类。一是在激光器腔内置入晶体，加速度产生的应 力引起晶体折射率的变化，进而引起输出频率的变化。该方案的专利 较多，清华大学精密仪器国家重点实验室正在利用此方案进行研究 (张书练.正交偏振激光原理[M].北京：清华大学出版社，2005. 224～228)。二是利用加速度产生的惯性力，引起弹性敏感元件的形变， 进而引起输出频率的变化。Jospeh P.Ficalora等人提出了利用激光器 高反端镜形变引起的横模间差频变化来测量加速度的方案(Jospeh P. Ficalora，Oak Ridge，N.J.High Accuracy Laser Accelerometer：United States Patent，5456112[P].Oct.10，1995)。Litton公司的Graham J. Martin等人提出了L型腔的结构，加速度引起激光器一臂的形变进而 产生左右旋偏振光的差频(Graham J.Martin，Canoga Park，Calif. Non-planar Ring Laser Accelerometer：United States Patent，4637255[P]. Jan.20，1987)。总的说来，以上方案各有特色，但由于原理和技术上 均存在着各自固有的缺点，目前世界上尚未有高精度激光加速度计研 制成功的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以往激光加速度计方案的不 足，提出了一种新型的分辨率高、比例因子大、线性度好的高精度激 光加速度计系统方案-双Y型腔双频激光加速度计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由光学模块、工作点选择与控制模块和信号采集与处理模 块等部分组成。光学模块是整个加速度计的核心，由两支对称的Y型 腔双频激光器和气体膜盒组成。S光和P光被一偏振分光膜分开，分 别形成两个非共用腔。气体膜盒被一超薄膜片分成两部分，其中均充 有相同压强的传感气体(如氮气、二氧化碳、氙气等)，这两部分通 过其上下两个通气管分别与两支激光器中非共用腔中的一支相通，该 支非共用腔称为传感气体管。工作点选择与控制模块用来选择和控制 加速度计的工作点，采用光强差的方法对双频激光器稳频。信号采集 与处理模块用来接收两支Y型腔双频激光器的输出拍频信号，计算出 两拍频之差即为加速度计系统的最终输出信号。

本发明的基本工作过程如下：当垂直于超薄膜片方向有加速度输 入时，超薄膜片产生弹性形变，气体膜盒的上半部分体积增大(或减 小)，下半部分体积减小(或增大)，则与膜盒上半部分相连的传感气 体管内气体密度减小，折射率也相应减小，光学长度也随之减小，从 而引起两段非共用腔光学长度差的改变，这样该支双频激光器的输出 拍频，亦即S光和P光的频率差也将发生变化。同理，另外一支双频 激光器的输出拍频将发生与之相反的变化。

本发明的工作原理详细分析如下：

当垂直于超薄膜片方向输入的加速度为a时，超薄膜片上所受均 匀载荷为q₀＝ρ₀at，其中ρ₀为超薄膜片材料的密度，t为超薄膜片的厚 度。根据弹性力学知识(徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京：高等 教育出版社，2002.200～203.)，对于固定边圆形平面膜片受均匀载荷 q₀时，超薄膜片上距离圆心r处的挠度为