[發(fā)明專利]激光自混合型加速度傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110410557.9
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102411065A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂亮;俞本立;朱軍;曹志剛;翟龍華;楊竟宇;趙云鶴;杜正婷
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種慣性參數(shù)測量裝置，特別涉及一種光學(xué)加速度傳感器。

背景技術(shù)

加速度信號測量通常是利用慣性原理響應(yīng)加速度矢量信息。加速度傳感器作為一種重要的力學(xué)傳感器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、汽車安全與檢測以及地震測試、軍事和空間系統(tǒng)等領(lǐng)域。在進(jìn)行加速度傳感時(shí)，將加速度傳感器的外殼固定在待測物體上，加速度使傳感器外殼和慣性質(zhì)量體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，通過對這個(gè)相對運(yùn)動(dòng)的測量就可以測得待測物體加速度。

理想情況下，加速度傳感器等價(jià)于如圖1所示的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，其由慣性質(zhì)量m、彈性體K和阻尼器c組成的二階單自由度系統(tǒng)。

當(dāng)傳感器感應(yīng)到加速度時(shí)，敏感質(zhì)量塊受慣性力作用而發(fā)生位移，位移變化量與輸入加速度的大小有確定的對應(yīng)關(guān)系。由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可得：

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

式(1)中，m為慣性體質(zhì)量，K為彈性體彈簧剛度，c為系統(tǒng)阻尼系數(shù)，x_m為敏感質(zhì)量塊的位移，x_s為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主體的位移。當(dāng)加速度傳感器系統(tǒng)感受到外界加速度時(shí)，由于彈性體的存在，敏感質(zhì)量塊和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)間存在相對位移，也表現(xiàn)為彈性體的形變，定義為Δx(t)：

Δx(t)＝x_m(t)-x_s(t)????(2)

通過對Δx(t)的測量，可獲得加速度傳感器所感知的加速度信號。

目前傳統(tǒng)機(jī)電型加速度傳感器一般采用壓電、超聲等技術(shù)測量質(zhì)量塊的慣性力或位移進(jìn)而獲的待測物體加速度。但這類傳感器普遍存在動(dòng)態(tài)范圍小，工作頻帶窄，易受電磁干擾等問題。

光學(xué)型加速度傳感器一般對光波的強(qiáng)度和相位進(jìn)行檢測，因此具有抗電磁干擾、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、易復(fù)用、可應(yīng)用于高溫高壓、易燃易爆等惡劣環(huán)境等優(yōu)勢，可充分解決傳統(tǒng)機(jī)電型加速度傳感器所存在的主要問題。

但是，目前的光學(xué)型加速度傳感器一般需多光路設(shè)計(jì)，相對傳統(tǒng)壓電型加速度傳感器往往又存在造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的劣勢，無法大范圍取代現(xiàn)存的傳統(tǒng)壓電性加速度傳感器。

半導(dǎo)體激光器作為光源的激光自混合干涉原理如圖2所示。干涉系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器和外部反射物體組成。反饋光存在的時(shí)候可以通過改變激光器腔內(nèi)的載流子密度造成激光介質(zhì)折射率發(fā)生變化進(jìn)而調(diào)制激光器本身的頻率和強(qiáng)度，形成了自混合干涉。

圖2中半導(dǎo)體激光器長度為L₀，它的端面反射系數(shù)分別為r₁和r₂，外腔反射系數(shù)為r₃，L_ext為激光器外腔長度，n為激光介質(zhì)的折射率。初始的光場為E₀，自混合干涉后的光場E(t)：