雙Y型腔雙頻激光加速度計制造技術

雙Y型腔雙頻激光加速度計屬于激光和精密測量技術領域，由光學模塊、工作點選擇與控制模塊和信號采集與處理模塊等組成。所述的光學模塊由兩支對稱的Y型腔雙頻激光器和新型氣體膜盒組成。利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉化為氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，進而轉化為Y型腔雙頻激光器的拍頻輸出，再利用雙Y型腔結構，將兩支Y型腔雙頻激光器的拍頻差動，得到最終輸出信號。所述的工作點選擇與控制模塊用來選擇和控制加速度計的工作點，采用光強差的方法對雙頻激光器穩頻。所述的信號采集與處理模塊用來接收兩支Y型腔雙頻激光器的輸出拍頻信號，計算出兩拍頻之差即為加速度計系統的最終輸出信號。本發明專利技術雙Y型腔雙頻激光加速度計是通過測量兩支雙頻激光器的拍頻之差的變化來測量載體的加速度，具有分辨率高、比例因子大、線性度好、數字式輸出等特點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是涉及一種新型高精度激光加速度計，尤其是新型氣體膜盒式雙頻激光加速度計，屬于激光和精密測量

技術介紹
加速度計是慣性導航與制導系統中的重要元件，它將受控或被測載體沿其輸入軸方向的運動加速度轉化為電信號或其它形式信號。加速度計的發展已經經歷了幾十年的歷史，種類繁多。近代激光技術、光纖傳感技術、微制造技術的發展給光學加速度計的研究提供了有利條件，光學加速度計以其高靈敏度、強抗電磁干擾能力等優點逐漸成為國內外加速度計研究的熱點。激光加速度計是建立在已經發展幾十年的激光器理論和技術基礎上的，它是將沿輸入軸方向的加速度轉化為激光器的輸出頻率變化，通過測量拍頻來敏感加速度。國內外激光加速度計的專利較多，基本上可分為兩大類。一是在激光器腔內置入晶體，加速度產生的應力引起晶體折射率的變化，進而引起輸出頻率的變化。該方案的專利較多，清華大學精密儀器國家重點實驗室正在利用此方案進行研究(張書練.正交偏振激光原理[M].北京：清華大學出版社，2005.224～228)。二是利用加速度產生的慣性力，引起彈性敏感元件的形變，進而引起輸出頻率的變化。Jospeh?P.Ficalora等人提出了利用激光器高反端鏡形變引起的橫模間差頻變化來測量加速度的方案(Jospeh?P.Ficalora，Oak?Ridge，N.J.High?Accuracy?Laser?Accelerometer：UnitedStates?Patent，5456112[P].Oct.10，1995)。Litton公司的Graham?J.Martin等人提出了L型腔的結構，加速度引起激光器一臂的形變進而產生左右旋偏振光的差頻(Graham?J.Martin，Canoga?Park，Calif.Non-planar?Ring?Laser?Accelerometer：United?States?Patent，4637255[P].Jan.20，1987)。總的說來，以上方案各有特色，但由于原理和技術上均存在著各自固有的缺點，目前世界上尚未有高精度激光加速度計研制成功的相關報道。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是：克服以往激光加速度計方案的不足，提出了一種新型的分辨率高、比例因子大、線性度好的高精度激光加速度計系統方案—雙Y型腔雙頻激光加速度計。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：本專利技術由光學模塊、工作點選擇與控制模塊和信號采集與處理模塊等部分組成。光學模塊是整個加速度計的核心，由兩支對稱的Y型腔雙頻激光器和新型氣體膜盒組成。S光和P光被一偏振分光膜片分開，分別形成兩個非共用腔。氣體膜盒被一超薄膜片分成兩部分，其中均充有相同壓強的傳感氣體(如氮氣、二氧化碳、六氟化硫等)，這兩部分通過其上下兩個通氣管分別與兩支激光器中非共用腔中的一支相通，該支非共用腔稱為傳感氣體管。此處的膜片即為敏感加速度的彈性元件。為提高系統的靈敏度，在膜片中心以光膠的-->方式加入一圓柱形質量塊。工作點選擇與控制模塊用來選擇和控制加速度計的工作點，采用光強差的方法對雙頻激光器穩頻。信號采集與處理模塊用來接收兩支Y型腔雙頻激光器的輸出拍頻信號，計算出兩拍頻之差即為加速度計系統的最終輸出信號。本專利技術的基本工作過程如下：當垂直于超薄膜片方向有加速度輸入時，超薄膜片產生彈性形變，氣體膜盒的上半部分體積增大(或減小)，下半部分體積減小(或增大)，則與膜盒上半部分相連的傳感氣體管內氣體密度減小，折射率也相應減小，光學長度也隨之減小，從而引起兩段非共用腔光學長度差的改變，這樣該支雙頻激光器的輸出拍頻，亦即S光和P光的頻率差也將發生變化。同理，另外一支雙頻激光器的輸出拍頻將發生與之相反的變化。本專利技術的工作原理詳細分析如下：當垂直于膜片方向輸入的加速度為a時，膜片形變和受力分析如圖4。膜片的自身質量產生的慣性力載荷為q0＝-ρ0at，其中ρ0為膜片材料的密度，t為膜片的厚度。設圓柱形質量塊密度為ρm，直徑為dm，高度為tm，則質量塊對膜片產生的慣性力載荷為qm＝-ρmatm。設膜片上下兩部分氣體的壓強對膜片產生的載荷分別為-p1和p2。當qm＞＞q0，p1，p2，dm＜＜d(d為膜片直徑)時，該問題可簡化為平膜片中心受集中力的情況。該集中力為圖4中各力的合力F＝ma+m0a-(p2-p1)πR2??????????(1)其中，m0為膜片質量，m為質量塊的質量，R=d2]]>為膜片半徑.設膜片形變引起的膜盒上下部分的體積變化分別為ΔV，由氣體狀態方程，膜盒上下部分的壓強變化(p2-p1)為Δp=(p2-p1)=2ΔVV0p0---(2)]]>其中，ΔV為膜盒上(或下)部分氣體的體積變化，V0和p0分別為無加速度輸入時膜盒上(或下)部分氣體的體積和壓強。根據彈性力學知識，對于固定邊圓形平面膜片中心受集中力F時，膜片上距離圓心r處的撓度為[6，7]ω(r)=F8πD(12(R2-r2)+r2lnrR)---(3)]]>其中，D=Et312(1-μ2)]]>為石英膜片的彎曲剛度，μ為膜片材料的泊松比，E為其楊氏模量。發生彈性形變后的膜片與膜片的初始平面圍成的幾何體體積即為加速度引起的膜盒體積的變化。由(1)～(3)容易推導出加速度a引起的氣體膜盒上半部分的體積變化為ΔV=5128R4(m+m0)D(1+η)a---(4)]]>其中，η=564D·p0R6V0.]]>忽略氣體膜盒與傳感氣體管之間的通氣管體積，氣體膜盒和傳感氣體管初始總體積為-->V0=πR2·ϵ1+π(φ2)2·L1---(5)]]>其中，L1為傳感氣體管長，φ為傳感氣體管直徑，ε1為氣體膜盒的上半部分高度。由式(4)和式(5)可得，加速度a引起的傳感氣體的密度變化為Δρ=ρ·ΔVV0]]>由格拉德斯通—戴爾(Gladstone-Dale)公式n-1ρ=k]]>(k為格拉德斯通—戴爾常數即G-D常數)，可得加速度a引起的傳感氣體的折射率變化為Δn1=5128·kρR4(m+m0)V0D(1+η)·a---(6)]]>加速度引起傳感氣體折射率的變化稱為本專利技術的第一級敏感，氣體膜盒也稱為“第一級敏感元件”。由激光器的駐波條件，Y型腔雙頻激光器中的激光頻率須滿足諧振條件v=12·N·cn1·L1+n0·L0]]>則傳感氣體的折射率變化引起諧振頻率變化為Δv=v0L1n1·L1+n0·L0Δn1---(7)]]>氣體折射率的變化引起Y型腔雙頻激光器輸出拍頻的變化稱為本專利技術的第二級敏感，Y型腔雙頻激光器稱為“第二級敏感元件”。將(6)代入(7)式可得，加速度a引起的諧振頻率變化Δv為Δv=5128·v0L1n1L1+n0L0·kρR本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙Y型腔雙頻激光加速度計，其特征在于利用新型氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉化為氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，進而轉化為Y型腔雙頻激光器的拍頻輸出，再利用雙Y型腔結構，將兩支Y型腔雙頻激光器的拍頻差動，得到加速度計系統的最終輸出信號。

【技術特征摘要】
1.一種雙Y型腔雙頻激光加速度計，其特征在于利用新型氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉化為氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，進而轉化為Y型腔雙頻激光器的拍頻輸出，再利用雙Y型腔結構，將兩支Y型腔雙頻激光器的拍頻差動，得到加速度計系統的最終輸出信號。2.根據權利要求1所述的雙Y型腔雙頻激光加速度計，其特征在于雙Y型腔雙頻激光加速度計由光學模塊19、工作點選擇與控制模塊18和信號采集與處理模塊17組成。3.根據權利要求1所述的雙Y型腔雙頻激光加速度計，其特征在于輸入加速度與系統輸出信號之間的關系為????????????????Δv＝SF·a其中，SF＝SF1+SF2，SF1和SF2分別為單支Y型雙頻激光器敏感加速度的比例因子，SFi=5128·v0L1in1L1i+n0L0·kρR4(m+m0)D[πR2·ϵ1i+π(φ2)2·L1i](1+ηi),]]>其中ηi=564D·p0R6πR2·ϵ1i+π(φ2)2·L1i,]]>D為石英膜片的彎曲剛度，L1i為傳感氣體管長，φ為傳感氣體管直徑，ε1i為氣體膜盒分別與激光器1或2相通的盒體高度，m0為膜片質量，m為質量塊的質量，R為超薄膜片半徑，p0、ρ和n1分別為無加速度輸入時膜盒中傳感氣體的壓強、密度和折射率，k為傳感氣體的格拉德斯通-戴爾常數，v0為激光頻率，n0為增益氣體的折射率，i＝1，2表示組成加速度計的兩支Y型雙頻激光器。4.根據權利要求1和2所述的雙Y型腔雙頻激光...

【專利技術屬性】
技術研發人員：龍興武，肖光宗，張斌，
申請(專利權)人：龍興武，肖光宗，張斌，
類型：發明
國別省市：湖南;43