[发明专利]集成式超高精度单轴光学加速度计

说明书

技术领域

本发明属于光学微加速度传感器领域，具体涉及一种集成式超高精度单轴光学加速度计。

背景技术

在惯性导航、卫星定位导航、地形/景象匹配导航等导航方式中，惯性导航是唯一一种不依赖外界信息，实时、连续、自主的导航方式，微加速度传感器作为惯性导航系统的重要传感器，为满足惯性装备和战略武器装备对惯性器件的小型化和高精度需求，特别是微型超高精度加速度传感器更是现阶段加速度计的研究重点。加速度计主要用于测量加速度，包括机械加速度敏感系统和位移测量系统，其性能指标有：灵敏度、分辨率、动态范围、工作带宽和离轴串扰大小等。近年来国外的加速度传感器技术发展很快，但是国内在加速度传感器技术上尚未有明显突破，通常仍沿用传统的压电、电容技术等。其中一个关键测量误差源来自对位移测量精度不高，主要误差包括：分辨率与阈值、零偏(偏置)稳定性、标度因数稳定性、标度因数线性度稳定性等。施加在非敏感方向的加速度对加速度计敏感轴向的加速度测量有较大影响，离轴串扰对加速度计的影响随着加速度测量精度的提升而增加，离轴串扰是衡量加速度计的重要性能指标，对于高精度加速度计更应减小以避免其对整体性能的影响。

目前世界范围内对于微机电系统加速度计中的离轴串扰已做出了一定的研究，针对电容式、压电式和压阻式等微加速度计也提出了不少串扰抑制的手段。基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计，其串扰形成机制与传统微机电系统加速度计不同，基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计多应用于惯性导航或微重力测量领域，在实际测量环境中会存在着各个方向的加速度，非敏感轴向的加速度会对存在离轴串扰的高精度加速度计的测量结果带来很大的影响。

为了解决基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计中存在的离轴串扰问题，人们设计出了微机械放大器，虽然微机械放大器的微机械加速度敏感结构能够有效抑制串扰，但是微机械放大器集成度不高，很难实现超高精度的加速度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成式超高精度单轴光学加速度计，该加速度计实现了超高加速度-位移转换，抑制了其它方向加速度的串扰，灵敏度高。

本发明所采用的技术方案是：

一种集成式超高精度单轴光学加速度计，包括壳体和安装在壳体内部的微纳光腔组件、激光探测组件、温度控制板和信号处理板；

微纳光腔组件包括固定在壳体底板上的腔体以及固定在腔体顶部开口空腔内的压电薄膜、微机械放大器和微纳光栅，微纳光栅、压电薄膜和微机械放大器依次集成堆叠形成三明治式结构，压电薄膜上设有引线；

激光探测组件包括固定的盖在腔体上的腔盖，腔盖顶壁安装有垂直的激光器和衰减片以及倾斜的衍射光探测器、侧壁安装有水平的基础光探测器和环境光探测器，激光器下方依次安装有偏振片、四分之一波片和分光镜；

激光器发出激光束经偏振片和四分之一波片后通过分光镜分为两束激光，一束激光沿水平方向经过衰减片射入基础光探测器，另一束激光继续垂直入射到微纳光栅上并且其中一部分激光发生反射式衍射、另一部分激光透过衍射光栅被微机械放大器上表面的高反膜反射再次通过衍射光栅发生透射式衍射，两种衍射光束发生干涉形成光强与微机械放大器的敏感质量块的位移相关的光斑并被倾斜的衍射光探测器探测。

进一步地，压电薄膜生长于微机械放大器基底表面并与微纳光栅键合。

进一步地，压电薄膜、微机械放大器和微纳光栅通过紫外胶粘接在腔体顶部开口空腔内，腔盖通过紫外胶粘接在腔体上，引线键合在压电薄膜上。

进一步地，信号处理板包括锁相放大微弱信号提取模块、三光路光信号补偿模块、闭环反馈及控制模块、数据采集和分析模块。

进一步地，壳体内部还设有电路板支座，壳体底板、电路板支座和温度控制板上均设有螺柱，腔体通过螺钉固定在壳体底板上，电路板支座通过螺钉固定在壳体底板的螺柱上且位于腔盖上方，温度控制板通过螺钉固定在电路板支座的螺柱上，信号处理板通过螺钉固定在温度控制板的螺柱上。

进一步地，螺钉和螺柱均为铜制。

本发明的有益效果是：

1.微纳光栅、压电薄膜和微机械放大器依次集成堆叠形成三明治式结构，