[发明专利]一种基于电磁力驱动的光学加速度计

说明书

本发明公开了一种基于电磁力驱动的光学加速度计，包括轭铁、磁铁、磁极片、线圈、质量块、悬臂梁、反射面、光栅、玻璃片、光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器、U型外壳、跨阻放大器、A/D转换电路、FPGA和D/A转换电路。本发明由于采用光信号对加速度进行检测，可以有效降低电磁干扰对加速度测量精度的影响，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好；基于电磁力驱动的闭环控制技术，使反馈力与反馈电压呈线性关系，在简化闭环控制算法的同时，提高了光学加速度计的闭环检测精度；同时电磁力驱动模块充分利用了磁体磁场，大幅降低系统的闭环驱动功耗。

技术领域

本发明为一种基于电磁力驱动的光学加速度计，可应用于地震监测和惯性导航技术领域。

背景技术

当前对于光学加速度计的信号控制多采用静电力驱动的方式，该方案的加速度计敏感结构如图1所示。

当相干光照射到透明介质上时，一部分入射相干光直接被微米光栅下表面反射，另一部分入射相干光穿过微米光栅被反射面反射。由微米光栅直接反射的相干光，将形成第一衍射光束。由反射面反射的相干光，再次穿过微米光栅时，形成第二衍射光束。两部分衍射光束在透明介质内部发生干涉，形成干涉场。0级次和±1级次衍射光的光强可表示为：

其中，λ为入射光波长。那么输出衍射光光强将受到间隙d改变的调制，通过检测这一光强变化，能够得知间隙d的改变，进而根据力平衡公式F＝ma＝kx便能够解算出输入加速度a的大小，其中，m是质量块的质量，k为悬臂梁的刚度，x为质量块在敏感轴的位移。在闭环控制方案中，敏感头将外界加速度变化转换为光强变化；探测器将此光强信号转换为电信号，经过调理电路变成所需的电压信号；此电压信号与最佳工作点的电压作比较，经过数字控制电路输出控制信号；控制信号作用于上、中、下电极，即静电力反馈模块，将质量块稳定在最佳工作点处。最后将反馈信号进行输出作为加速度计闭环输出信号。

整个结构中，通过静电力驱动来实现加速度计最佳工作点的设置以及后续的闭环控制技术。但由于闭环反馈电压与反馈力之间存在非线性关系，这成为了加速度计闭环控制精度无法提高的一个重要限制因素。同时，静电驱动需要较大的电压信号，系统功耗将会大幅度增加。

发明内容

本发明的目的是为了解决静电驱动光学加速度计闭环控制技术中存在的非线性问题，提出一种基于电磁力驱动的光学加速度计方案，使得反馈力与反馈电压呈线性关系，同时具有功耗低、结构简单、检测精度高、抗干扰能力强等优点。

本发明采用的技术方案为：一种基于电磁力驱动的光学加速度计，包括敏感头和外围电路，敏感头包括轭铁、磁铁、磁极片、线圈、质量块、悬臂梁、反射面、光栅、玻璃片、光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器、U形外壳；外围电路包括跨阻放大器、A/D转换电路、FPGA、D/A转换电路，在敏感头中，轭铁与U形外壳连接，使得敏感头成为一个封闭体；磁铁与轭铁下部连接，磁极片与磁铁下部连接；线圈缠绕在质量块的外表面；线圈、磁铁、轭铁和磁极片共同形成磁力矩器；质量块由悬臂梁支撑，悬臂梁与U形外壳连接；反射面置于质量块底部；玻璃片与U形外壳连接，光栅置于透明玻璃片上表面，与反射面相对；光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器与U形外壳连接，置于玻璃片下面；第一探测器、第二探测器、第三探测器最终与外围电路连接。在外围电路中，跨阻放大器将探测器输出的光电流信号转换成模拟电压信号；该模拟电压信号通过A/D转换电路转换成数字信号；再经过FPGA后，通过D/A转换电路，将反馈信号施加到线圈，作用于由磁铁、轭铁和磁极片构成的磁电力驱动模块，使加速度计一直处于最佳工作点，实现加速度计的闭环控制；FPGA的输出信号作为加速度计闭环输出信号。

本发明的优点在于：

(1)采用光信号对加速度进行检测，可以有效降低电磁干扰对加速度测量精度的影响，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好。