[發明專利]一種電磁驅動光柵加速度計及閉環檢測方法

在審

• 申請號: 202011022201.3
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112180120A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 李爍鎧;劉元斌;占日新;蘇群
• 申請（專利權）人: 中國直升機設計研究所
• 主分類號: G01P15/093
• 分類號: G01P15/093;G01P15/08
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 王世磊

1.一種電磁驅動光柵加速度計，其特征在于，包括敏感結構和信號處理單元；

敏感結構部分包括腔體、激光器、質量塊，懸臂梁，金屬衍射光柵，透明介質層，線圈、磁鐵和反射鏡；其中：

腔體設置于透明介質層上部，金屬衍射光柵粘于透明介質上層，懸臂梁架設于所述腔體內，質量塊通過懸臂梁設置在金屬衍射光柵的上方，懸臂梁上下振動時，帶動質量塊同時振動；在質量塊底部設置有所述反射鏡，反射鏡和金屬衍射光柵之間構成F-P諧振腔結構；所述腔體頂部設置有蓋體，蓋體底部設置所述磁鐵，所述線圈纏繞在質量塊上；線圈、質量塊、磁鐵共同構成磁力矩器；激光器設置在透明介質層下部，用于向透明介質層上發射激光；

激光器產生的激光一部分透過透明介質被金屬衍射光柵反射形成衍射光線；另一部分透過金屬衍射光柵，經過質量塊底部的反射鏡反射，再次透過金屬衍射光柵形成衍射光線；兩衍射光束在透明介質中發生干涉，形成各固定級次條紋強度隨金屬衍射光柵、反射鏡間距變化的衍射干涉信號；通過信號處理單元接收所述衍射干涉信號并進行信號的解算。

2.根據權利要求1所述的電磁驅動光柵加速度計，其特征在于，所述信號處理單元包括模擬電路和數字檢測電路兩部分；模擬電路部分由光電探測器、前置放大濾波電路、線性放大電路，線性放大電路與所述線圈連接；數字檢測電路部分包括FPGA模塊，A/D轉換器、相敏檢測模塊、數字低通濾波器、控制器、D/A轉換器，其中，光電探測器、前置放大濾波電路、A/D轉換器、相敏檢測模塊依次連接，相敏檢測模塊的輸出分別連接控制器、數字低通濾波電路，數字低通濾波電路連接控制器，控制器的輸出以及FPGA模塊的輸出經過D/A轉換器、線性放大電路的處理后加載在磁力矩器上。

3.一種電磁驅動光柵加速度計的閉環檢測方法，其特征在于，包括：

經過敏感結構輸出的衍射干涉信號通過光電探測器實現光電轉換，經過前置放大濾波電路進行放大濾波后進入到數字檢測電路，經過A/D轉換器進行模數轉換之后，與FPGA模塊產生的解調信號在相敏檢測模塊中實現相敏解調，再通過數字低通濾波器濾除噪聲和背景雜散光干擾，得到提純后的閉環誤差信號；將提純后的閉環誤差信號送入控制器進行PID控制調節，得到反饋信號U_f，反饋信號U_f一方面作為輸出，另一方面與FPGA模塊產生的調制信號U_m經過D/A轉換器進行轉換、線性放大電路進行信號放大后，加載在敏感結構的磁力矩器上，通過改變質量塊與磁鐵的吸附作用以進行懸臂梁的相位調制，實現伺服平衡。

4.根據權利要求3所述的電磁驅動光柵加速度計的閉環檢測方法，其特征在于，所述FPGA模塊產生兩路信號，一路為調制信號U_m，另一路為解調信號，解調信號與調制信號具有相同的頻率但相位不同；其中調制信號U_m為正弦信號。

5.根據權利要求3所述的電磁驅動光柵加速度計的閉環檢測方法，其特征在于，衍射干涉信號通過光電探測器PD實現光電轉換，經過前置放大濾波電路進行放大濾波后產生的信號U_0p(t)進入數字檢測電路，與FPGA模塊產生的解調信號Bcos(ω₀Tk)相乘實現相敏解調。

6.根據權利要求3所述的電磁驅動光柵加速度計的閉環檢測方法，其特征在于，相敏解調后的信號表示為：

其中，U_0p(k)為U_0p(t)進入數字檢測電路后的表示，k_qd、k_ad分別是前置放大濾波電路和A/D轉換器的增益，B為解調信號的幅度，T為采樣周期，R為光電探測器的跨阻增益；J_n代表第一類貝塞爾函數的n階次系數，n＝0,1,2,3……，ω₀為調制信號的角頻率，I_noise為雜散光噪聲和探測器散粒噪聲，I_in表示激光器的輸出光強，α表示光路損耗系數，d₀'為質量塊與金屬衍射光柵的初始間距，β＝4π/λ，A表示調制信號的幅度，ω₁為Δx(t)變化的角頻率，Δx(t)為閉環誤差信號導致的位移。