[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

本發明公開了一種電磁驅動光柵加速度計及閉環檢測方法，包括：經過加速度計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，反饋信號一方面作為輸出，另一方面與FPGA模塊產生的調制信號經過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。

技術領域

本發明涉及慣性導航、光學加速度計領域，具體涉及一種電磁驅動光柵加速度計及閉環檢測方法。

背景技術

加速度計是慣性導航系統中關鍵的組成部分之一，廣泛應用于國民生產生活的各個領域。傳統的加速度計都是電容效應、壓阻效應或者隧道電子效應，這種傳感方式有著一些固有缺點，比如易受環境溫度影響和受電磁干擾的交叉靈敏度影響。相比傳統的加速度計來說，所屬MOMES類的微米光柵加速度計抗電磁干擾能力強，體積小精度高，有更好的靈敏度和線性度，有著更好的前景和應用價值。加速度計的線性度和檢測精度是評估加速度計性能的重要指標，而在加速度計的設計過程中，同時提升線性度和動態檢測范圍也是當前本領域的研究難點和熱點之一。

為了提高微米光柵加速度計的檢測精度，現有技術中通過設定壓電陶瓷的震動頻率來對光柵和檢測質量塊之間的距離進行調制，再通過放大濾波和相敏檢調處理，來抑制光功率波動、探測器噪聲和系統電路噪聲對該微弱信號的影響，從而提升敏感加速度信號的檢測分辨率。實驗表明該檢測方式的等效分辨率提升到3ug，但它仍屬于一種開環檢測的方式，無法解決光學干涉非線性的影響，使得它的線性檢測量程小于1mg難以實現工程化應用。

為了提升微米光柵加速度計的線性度和動態檢測范圍，現有技術中進行了多種探索，例如采用靜電驅動的靜電力反饋方法。理論上的動態檢測范圍不再有限制，但由于靜電電壓與極板間距實際的輸入輸出關系符合二階非線性函數，當較大的加速度輸入時，需要更大的反饋電壓可能造成極板的吸附和擊穿效應。且引入2階非線性環節，線性度并沒有實質上的提升,檢測精度反而有所下降。

發明內容

本發明的目的是提供一種電磁驅動光柵加速度計及閉環檢測方法，在滿足線性度和檢測精度的前提下，使加速度計的動態檢測范圍也能更好地滿足工程化應用的需求。

為了實現上述任務，本發明采用以下技術方案：

一種電磁驅動光柵加速度計，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。