基于雙波長干涉的大量程高精度加速度測量系統與測量方法與流程

本發明涉及了一種加速度測量系統與方法，特別涉及了一種基于雙波長干涉的大量程高精度加速度測量系統與測量方法。

背景技術：

常見的加速度測量系統可以包含機械加速度敏感系統和位移測量系統，機械加速度敏感系統將外界輸入加速度轉化為位移量，位移測量系統測量該位移量從而獲得輸入加速度的大小。基于光學干涉的加速度計由于有著很高的位移測量精度因此被證明擁有很高的加速度測量精度，比如基于衍射光柵的微光學加速度計(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級的加速度測量靈敏度和低至40ng/rthz的等效噪聲；基于光學拉鏈腔的微光學加速度計(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加速度計(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，由于光學干涉測量中的量程被基準波長所限制，因此基于單波長干涉測量的量程往往較小。對于一個高精度高靈敏度的加速度測量系統，其機械加速度敏感系統的形變量，也即位移的變化量比較大。典型的，一個加速度測量靈敏度達到1000v/g的測量系統(q.luetal.,“minimizingcross-axissensitivityingrating-basedoptomechanicalaccelerometers,”opt.exp.,vol.24,no.8,pp.9094–9111,apr.2016.)，其在經受一個重力加速度(g)的情況下，敏感質量塊的形變(位移)達到50μm左右，由于激光單波長通常為1μm左右，因此其干涉信號的周期只有數百納米，遠遠無法到達敏感質量塊的形變大小，這大大限制了加速度測量系統的測量量程。加速度測量系統需要增加周期計數才可以準確記錄相位變化，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據，并且也無法鑒相，這些問題都導致了現有基于單波長光學干涉加速度測量的相位模糊問題。

技術實現要素：

本發明針對上述問題，提出了一種基于雙波長干涉的大量程高精度加速度測量系統與測量方法，融合了合成波長干涉和單波長干涉的優點，實現了大量程高精度的加速度測量。

本發明通過以下技術方案實現。

一、一種基于雙波長干涉的大量程高精度加速度測量系統：

主要由兩個激光器、一個偏振分光棱鏡、兩個分光棱鏡、四個四分之一波片、一個平面反射鏡、兩個偏振片、一個超窄帶濾波片、四個高靈敏度光電探測器、一個表面鍍膜的壓電陶瓷塊、一個由敏感質量塊、懸臂梁和基底構成的敏感結構、信號發生器、信號處理電路及上位機組成；

敏感質量塊通過懸臂梁連接在基底上，敏感質量塊正對著入射激光方向布置安裝；兩個激光器發出兩束激光，兩束激光分別經過各自的四分之一波片后入射到第一分光棱鏡合束，合束后的光再經偏振分光棱鏡發生透射和反射，分為透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的兩束光：透射的激光經過第三四分之一波片后變為圓偏振光垂直入射在敏感質量塊表面，被敏感質量塊表面的高反膜反射后再次經過第三四分之一波片變為垂直偏振光并回到偏振分光棱鏡發生反射，形成信號光；反射的激光經過第四四分之一波片后變為圓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過第四四分之一波片變為水平偏振光并回到偏振分光棱鏡發生透射，形成參考光；

信號光和參考光經偏振分光棱鏡合束后入射到第二分光棱鏡再發生反射和透射：經第二分光棱鏡透射后的光經過第一偏振片被第一光電探測器接收，第二光電探測器置于第一光電探測器旁，用于接收第一光電探測器附近的環境光；經第二分光棱鏡反射后的光，經過超窄帶濾波片過濾后被第三光電探測器接收，第四光電探測器置于第三光電探測器旁，用于接收第三光電探測器附近的環境光；第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器和第四光電探測器均連接到信號處理電路，壓電陶瓷塊經信號發生器連接到信號處理電路，信號發生器分別輸出信號到壓電陶瓷塊，信號處理電路經模數轉換模塊連接到上位機，上位機輸出加速度測量值。

所述的兩個激光器發出不同波長的激光，兩束激光的波長差為δλ。波長差為δλ小于5nm，大于2nm。

所述的兩個激光器發出的光為不同波長的線偏振光，兩束線偏振光經過各自的四分之一波片后變為兩束圓偏振光，每束圓偏振光經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與兩個激光器發出的兩束光中較小的波長相同。

具體實施中，兩個激光器發出的光為波長為632.8nm和637nm的線偏振光。超窄帶濾波片的中心波長為632.8nm，半高全寬為1nm。

所述的第一、第二光電探測器放置位置緊鄰且朝向相同，以及第三、第四光電探測器放置位置緊鄰且朝向相同，以實現與環境光的差分。

所述的壓電陶瓷塊表面鍍有高反膜，敏感質量塊表面鍍有高反膜。

高反膜是指由對所用激光有高反射率的金屬膜和起保護作用的介質膜構成的膜層。

二、一種基于雙波長干涉的大量程高精度加速度測量方法：

1)采用上述測量系統進行工作采集到各個光電探測器的接收信號，采集時信號發生器發出參考信號驅動壓電陶瓷塊產生相位調制，同時輸出參考信號作為信號處理電路的輸入信號；

2)信號發生器輸出參考信號得到信號處理電路，第一、第二光電探測器和第三、第四光電探測器均將各自的接收信號發送到信號處理電路；

3)信號處理電路中，將第一、第二光電探測器的接收信號先經過差分放大后用來自信號發生器的參考信號進行解調，解算出合成波長干涉信號的相位變化，再根據合成波長干涉信號的相位變化獲得大量程的加速度值；并且將第三、第四光電探測器的接收信號先經過差分放大后用來自信號發生器的參考信號進行解調，解算出單波長干涉信號的相位變化，根據單波長干涉信號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行計算獲得最終加速度測量值a：

其中a1為通過合成波長干涉信號獲得的大量程加速度值，a2為通過單波長干涉信號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部分，為取以mg為單位的加速度值的小數部分。

本發明加速度值的精度可以高達μg級別，同時量程擴展為單波長測量的150倍。

所述步驟1)具體為：

1.1)兩個激光器發出兩束波長分別為λ1和λ2的激光，波長為λ1和λ2的波長差為δλ，λ2-λ1＝δλ，兩束激光分別經過各自的四分之一波片后入射到第一分光棱鏡合束，合束后的光再經偏振分光棱鏡發生透射和反射，分為透射的水平偏振光和反射的垂直偏振光的兩束光：水平偏振的兩個不同波長為λ1和λ2的兩束激光經過第三四分之一波片后變為圓偏振光垂直入射在敏感質量塊表面，被敏感質量塊表面的高反膜反射后再次經過第三四分之一波片變為垂直偏振光并回到偏振分光棱鏡發生反射，形成信號光；垂直偏振的兩個不同波長為λ1和λ2的兩束激光經過第四四分之一波片后變為圓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過第四四分之一波片變為水平偏振光并回到偏振分光棱鏡發生透射，形成參考光；

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

當外界有加速度輸入時，敏感質量塊受慣性力作用發生位移，位移的方向和入射的信號光光軸方向一致。本發明通過雙波長干涉和單波長干涉相結合的方式以合成波長和單波長為基準衡量由加速度帶來的位移大小，以合成波長決定加速度測量的量程，以單波長決定了加速度測量的精度，實現了大量程高精度的加速度測量。

假設通過信號發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表示引入的壓電調制位移信號的幅值，ω表示引入的調制信號的頻率，t表示時間。

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

其中，a0表示接收到的激光復振幅的幅值，v1和v2為λ1和λ2對應的光頻率，c為加速度a和位移d的轉化靈敏度，c為光速，d0為初始位置的信號光和參考光的光程差，a為加速度。

濾去第二光電探測器探測到的環境光后的合成波長干涉光的表達式可以表示為：

通過信號處理后，可以得到合成波長干涉信號表達式：

其中，λs表示合成波長，λs＝λ1λ2/(λ2-λ1)，利用信號發生器的參考信號相關解調并測相即可得到加速度值a。

基于雙波長干涉的測量是以合成波長λs作為基準的，因此量程擴大為λs/2，假設選取的波長λ1和λ2分別為632.8nm和637nm，則對應的合成波長λs可以擴展為95.97μm，對應的加速度量程擴展到95.97μm/637nm≈150倍左右，滿足1000v/g的超靈敏加速度測量系統的測量量程需求。

第三光電探測器接收到的兩束激光的復振幅表達式為：

對應的濾去環境光的單波長干涉信號表達式表示為：

通過相關解調和測相即可獲取到以λ1作為基準的相位信息。基于相位調制解調的單波長干涉測量擁有μg級別的加速度測量精度，保證了本發明的加速度測量精度。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明利用合成波長擴大測量系統的量程，使加速度測量系統的量程擴大為原單波長干涉系統的150倍。

2、本發明利用相位調制解調技術和環境光差分技術同時提高了合成波長干涉和單波長干涉的信噪比。

3、本發明利用單波長干涉信號保證測量系統的測量精度，使得加速度測量系統能夠在擴大測量量程的同時保證μg級的精度。

附圖說明

圖1是本發明的系統示意圖和測量原理示意圖。

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、第一光電探測器16、第二光電探測器17、超窄帶濾波片18、第二偏振片19、第三光電探測器20、第四光電探測器21、信號發生器22、信號處理電路23、模數轉換模塊24、上位機25、輸出信號加速度測量值26。

具體實施方式

以下結合具體實施例進行進一步的說明。

本發明為實現大量程高精度的實時位移測量，提供了一種雙波長超外差干涉測量系統，系統包括波長為λ1＝632.8nm的激光器1、波長為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、第一光電探測器16、第二光電探測器17、超窄帶濾波片18、第二偏振片19、第三光電探測器20、第四光電探測器21、信號發生器22、信號處理電路23、模數轉換模塊24和上位機25，上位機25輸出加速度測量值26。

本發明的具體測量原理描述如下：

如圖1所示，激光器1和激光器2分別發出波長為λ1＝632.8nm和λ2＝637nm的線偏振光，δλ＝4.2nm，其中波長λ1的線偏振光為經過第一四分之一波片3后變成第一圓偏振光，波長為λ2經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。

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

波長為λ1和λ2的水平偏振光透過偏振分光棱鏡7經第三四分之一波片8垂直入射到鍍有高反膜的敏感質量塊11表面，反射后再次經過第三四分之一波片8變為垂直偏振光被偏振分光棱鏡7反射，作為帶有被測相位信息的信號光，信號光包含波長為λ1和λ2的信號，其復振幅可以表示為：

波長為λ1和λ2的垂直偏振光被偏振分光棱鏡7反射經第四四分之一波片9垂直入射到鍍有高反膜的壓電陶瓷塊10表面，反射后再次經過第四四分之一波片9變為水平偏振光透過偏振分光棱鏡7，作為帶有參考相位信息的參考光，參考光同樣包含波長為λ1和λ2的信號，其復振幅可以表示為：

信號光和參考光合束后經過第二分光棱鏡14發生透射和反射分束，其中透射出的一部分光經過第一偏振片15變為偏振態相同的四束激光，其中波長為λ1的信號光和參考光相干疊加，波長為λ1的信號光和參考光相干疊加，雙波長干涉信號疊加形成合成波長干涉信號，表達式如下：

其中ia1為第一光電探測器16和第二光電探測器17接收的環境光，通過兩個探測器接收的信號進行差分并且解調測相可以獲得基于合成波長λs的加速度a。

信號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為632.8nm，半高全寬為1nm。超窄帶濾波片過濾后只留下波長為λ1的信號光和參考光，再經第二偏振片19使得信號光和參考光的偏振態一致，發生相干疊加，形成單波長干涉信號，其光表達式為：

其中，ia2為第三光電探測器20和第四光電探測器21接收的環境光，通過兩個探測器接收的信號進行差分并且解調測相可以獲得基于合成波長λ1的加速度a。

在測量過程中，信號發生器22發出頻率為ω的正弦信號驅動壓電陶瓷塊10引入相位調制，同時將該信號輸入信號處理電路23作為解調的輸入信號。通過相位調制解調可以提升系統的信噪比，提升加速度測量的精度。

本實施例由于選取的波長λ1和λ2分別為632.8nm和637nm，則對應的合成波長λs可以擴展為95.97μm，對應的加速度量程擴展到95.97μm/637nm≈150倍左右。

由此可見，本發明方法利用雙波長產生的合成波長干涉信號提升了加速度測量的量程，使得系統的測量量程遠大于單波長干涉的量程，提升至單波長干涉系統的150倍，并利用單波長干涉保證加速度測量的精度，本發明通過引入超窄帶濾波片采得單波長干涉信號，配合相位調制解調技術在擴大測量量程的同時保證加速度測量的高精度。

本發明已通過實施例進行了描述，任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。