[发明专利]激光自混合型加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种惯性参数测量装置，特别涉及一种光学加速度传感器。

背景技术

加速度信号测量通常是利用惯性原理响应加速度矢量信息。加速度传感器作为一种重要的力学传感器可广泛应用于工业自动化控制、汽车安全与检测以及地震测试、军事和空间系统等领域。在进行加速度传感时，将加速度传感器的外壳固定在待测物体上，加速度使传感器外壳和惯性质量体之间产生相对运动，通过对这个相对运动的测量就可以测得待测物体加速度。

理想情况下，加速度传感器等价于如图1所示的质量-弹簧系统，其由惯性质量m、弹性体K和阻尼器c组成的二阶单自由度系统。

当传感器感应到加速度时，敏感质量块受惯性力作用而发生位移，位移变化量与输入加速度的大小有确定的对应关系。由牛顿第二运动定律可得：

md2xmdt2+cdxmdt+Kxm=cdxsdt+Kxs---(1)]]>

式(1)中，m为惯性体质量，K为弹性体弹簧刚度，c为系统阻尼系数，x_m为敏感质量块的位移，x_s为运动系统主体的位移。当加速度传感器系统感受到外界加速度时，由于弹性体的存在，敏感质量块和运动系统间存在相对位移，也表现为弹性体的形变，定义为Δx(t)：

Δx(t)＝x_m(t)-x_s(t)    (2)

通过对Δx(t)的测量，可获得加速度传感器所感知的加速度信号。

目前传统机电型加速度传感器一般采用压电、超声等技术测量质量块的惯性力或位移进而获的待测物体加速度。但这类传感器普遍存在动态范围小，工作频带窄，易受电磁干扰等问题。

光学型加速度传感器一般对光波的强度和相位进行检测，因此具有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、易复用、可应用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境等优势，可充分解决传统机电型加速度传感器所存在的主要问题。

但是，目前的光学型加速度传感器一般需多光路设计，相对传统压电型加速度传感器往往又存在造价高、结构复杂的劣势，无法大范围取代现存的传统压电性加速度传感器。

半导体激光器作为光源的激光自混合干涉原理如图2所示。干涉系统由半导体激光器和外部反射物体组成。反馈光存在的时候可以通过改变激光器腔内的载流子密度造成激光介质折射率发生变化进而调制激光器本身的频率和强度，形成了自混合干涉。

图2中半导体激光器长度为L₀，它的端面反射系数分别为r₁和r₂，外腔反射系数为r₃，L_ext为激光器外腔长度，n为激光介质的折射率。初始的光场为E₀，自混合干涉后的光场E(t)：