光學加速度計的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種新型多軸光學加速度計，包括支撐結構、彈性梁、測試質量塊、可動光子晶體梁、固定光子晶體梁、連接光纖、可變光衰減器、光纖偏振控制器、平衡光探測器、電子頻譜分析儀；測試質量塊分別可以在X、Y軸實現加速度信號的探測。其中X、Y軸方向的加速度探測由相應的支撐結構承接的測試質量塊僅針對該平面進行加速度的雙向探測。測試質量塊的相應探測邊緣由微加工工藝制作的氮化硅光子晶體梁構成腔形結構，將加速度產生的晶體梁相對位移變化轉化為探測光信號的改變。不同方向的光子晶體腔對該方向的加速度信號探測沒有影響。本發明通過檢測模塊將探測光信號的變化轉化為測量載體的加速度，具有測量精度高、抗電磁干擾等特點。
【專利說明】光學加速度計
【技術領域】
[0001]本發明屬于慣性傳感技術、精密測量【技術領域】，涉及一種新型多軸光學加速度計，特別涉及一種可片上集成的多軸光子晶體腔加速度傳感器。
【背景技術】
[0002]加速度計是測量載體線性加速度的元件，在慣性導航、慣性制導和控制檢測設備領域有重要作用，目前廣泛應用于航空、航海、車輛、消費電子、醫療、武器制導等領域。加速度計領域經歷數十年發展已形成諸多種類。其中光學加速度計以其抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕等特點成為近年來國內外加速度計的研究熱點。而現代光纖傳感技術、微機械制造技術的發展為光學加速度計的研究提供了有利條件。
[0003]光學加速計依據其工作原理主要分為:光強調制型、相位調制型和波長調制型。對于靈敏度要求較低且便于工程實現的加速度計一般采用光強調制型。
[0004]許多實際應用需要同時檢測多軸方向的加速度信號。傳統的加速度計多為單維線性測量的單軸傳感器，需要將多個單軸加速度計組裝起來構成多軸加速度計。為此必然導致多軸正交誤差較大、體積較大、成本較高。為了實現單芯片的多軸加速度傳感器設計，現有的技術方案多利用同一個慣性敏感質量塊實現多軸加速度信號的測量，此種方案將對測量結果帶來較大的片軸誤差，同時不同軸向的測量靈敏度差異較大。實現多軸方向的多軸正交性好、靈敏度基本相同、偏軸靈敏度小的多軸加速度計是未來多軸加速度計的發展方向。
[0005]現有的光強調制型光學加速度計一般原理為:入射光由于受到被測加速度的調制，經光學變化后輸出光強受到變化，以此檢測出加速度值。此類加速度計具有結構簡單、易于實現等特點。加速度測量精度依靠已被調制的輸入光在光學變化過程中經透射、反射或偏振等光學效應后輸出光的信號提取。國內外光學加速度計的文獻資料較多，提出了諸多提高光強調制型光學加速度計測量精度的方法，雖各具特色，但由于原理和技術上均存在各自的固有缺陷，目前該領域仍有繼續深入研究的必要。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發明所要解決的技術問題是提供一種分辨率高的光學加速度計，同時還提供了一種多軸光學加速度計，該加速度計是一種可片上集成的多軸光子晶體腔加速度傳感器，分辨率高、全芯片集成、可同時測量多軸方向的新型多軸光學加速度計系統方案。
[0007]本發明的目的是這樣實現的:
[0008]本發明提供的光學加速度計，包括探測模塊和檢測模塊；所述探測模塊用于將由測量載體的加速度產生的位移變化轉化為探測光信號的改變；所述檢測模塊將探測光信號的變化轉化為測量載體的加速度。
[0009]進一步，所述探測模塊包括X軸方向加速度平面探測模塊和支撐模塊；[0010]所述支撐模塊包括支撐框、支撐質量塊、彈性梁、支撐梁剛性梁；
[0011]所述X軸方向加速度平面探測模塊包括彈性梁、測試質量塊、X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁、X軸第一固定光子晶體梁和X軸第二固定光子晶體梁；
[0012]所述X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁分別固定于測試質量塊YOZ平面表面中心位置并平行于Y軸，用于進行X軸方向加速度探測；
[0013]所述X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁分別固定于支撐框YOZ平面內表面中心并平行于Y軸；
[0014]所述X軸第一可動光子晶體梁與X軸第一固定光子晶體梁形成X軸第一光子晶體腔；
[0015]所述X軸第二可動光子晶體梁與X軸第二固定光子晶體梁形成X軸第二光子晶體腔；
[0016]當垂直向所述X軸第一光子晶體腔的輸入光信號時,所述輸入光信號被X軸第一光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述X軸第一光子晶體腔的間距變化成正比關系；
[0017]當垂直向所述X軸第二光子晶體腔的輸入光信號時,所述輸入光信號被X軸第二光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述X軸第二光子晶體腔的間距變化成正比關系；
[0018]所述測試質量塊由其正下方的彈性梁支撐并同支撐質量塊保持在同一水平面且無接觸；
[0019]所述支撐梁剛性梁設置于支撐質量塊和支撐框之間用于固定支撐質量塊和支撐框的相對位置；
[0020]所述彈性梁一端固定于測試質量塊XOY平面下表面幾何中心，另一端固定于支撐質量塊XOY平面上表面幾何中心；
[0021]所述支撐模塊作為一個整體位于X軸方向加速度平面探測模塊的垂直正下方。
[0022]進一步，所述探測模塊還包括Y軸方向加速度平面探測模塊；所述Y軸方向加速度平面探測模塊包括Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁、Y軸第一固定光子晶體梁和Y軸第二固定光子晶體梁；
[0023]所述Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁分別固定于測試質量塊XOZ平面表面中心位置并平行于X軸，用于進行Y軸方向加速度探測；
[0024]所述Y軸第一固定光子晶體梁、Y軸第二固定光子晶體梁分別固定于支撐框XOZ平面內表面中心并平行于X軸；
[0025]所述Y軸第一可動光子晶體梁與Y軸第一固定光子晶體梁形成Y軸第一光子晶體腔；
[0026]所述Y軸第二可動光子晶體梁與Y軸第二固定光子晶體梁形成Y軸第二光子晶體腔；
[0027]當垂直向所述Y軸第一光子晶體腔的輸入光信號時，所述輸入光信號被Y軸第一光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述Y軸第一光子晶體腔的間距變化成正比關系；
[0028]當垂直向所述Y軸第二光子晶體腔的輸入光信號時，所述輸入光信號被Y軸第二光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述Y軸第二光子晶體腔的間距變化成正比關系。
[0029]進一步，所述檢測模塊包括激光器、分光鏡、可變光衰減器、光纖偏振控制器、光纖錐、平衡光探測器、電子頻譜分析儀；
[0030]所述激光器發射的光束通過光纖射入分光鏡，所述分光鏡將光束分成信號光和參考光；所述信號光傳輸至第一可變光衰減器后再傳入光纖偏振控制器，然后通過光纖錐對探測模塊進行測量；測量后通過光纖輸入平衡光探測器并將光信號轉化為電信號；
[0031]所述參考光經光纖傳輸至第二可變光衰減器后再傳輸至平衡光探測器將光信號轉化為電信號；
[0032]所述平衡光探測器將電信號傳輸至電子頻譜分析儀。
[0033]進一步，所述光纖錐包括X軸第一光纖錐、X軸第二光纖錐、Y軸第一光纖錐和Y軸第二光纖錐；
[0034]所述X軸第一光纖錐垂直放置于X軸第一光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合；
[0035]所述X軸第二光纖錐垂直放置于X軸第二光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合；
[0036]所述Y軸第一光纖錐垂直放置于Y軸第一光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合；
[0037]所述Y軸第二光纖錐垂直放置于Y軸第二光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合。
[0038]進一步，所述信號光通過光纖傳輸至接口端，所述接口端將信光號通過光纖連接至電源表。
[0039]進一步，所述支撐框、測試質量塊、支撐質量塊三者XOY平面截面均為正方形；且測試質量塊中心位置與支撐框中心位置相重合；支撐質量塊的中心位置與支撐框中心位置相重合；支撐框、支撐質量塊的中心位置處于同一垂直線且支撐框、支撐質量塊保持水平且相互平行。
[0040]進一步，所述測試質量塊的彈性梁為奇數根梁。
[0041]進一步，所述支撐框、彈性梁、支撐梁剛性梁、測試質量塊、支撐質量塊、X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁、X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁、Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁、Y軸第一固定光子晶體梁和Y軸第二固定光子晶體梁的材料為硅材料。
[0042]本發明的優點在于:本發明采用兩個獨立的測試質量塊對多軸加速度信號進行檢測，避免不同軸向的運動機械耦合；且通過光子晶體腔分別檢測到X、Y多軸的加速度信號，具有靈敏度高、多軸正交、無交叉干擾、抗電磁干擾等優點。采用大厚度的測試質量塊及多組光子晶體腔可有效降低加速度計機械噪聲、提高檢測靈敏度。利用光子晶體腔的檢測方法解決了光學加速度計成本高與單軸向測量的限制，提高了加速度計的綜合性能。相對于現有光學加速度計，本發明提供加速度計分辨率高、全芯片集成、可同時測量多軸方向的新型多軸光學加速度計系統方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0044]圖1為XY軸方向加速度平面探測模塊平面結構示意；[0045]圖2為支撐模塊結構示意圖；
[0046]圖3為新型多軸光學加速度計立體結構示意圖；
[0047]圖4為XY軸方向加速度平面探測模塊X軸方向光子晶體腔結構示意；
[0048]圖5為XY軸方向加速度平面探測模塊Y軸方向光子晶體腔結構示意；
[0049]圖6為新型多軸光學加速度計檢測模塊示意圖。
[0050]圖中，第一 X軸可動光子晶體梁1031、第二 X軸可動光子晶體梁1033、測試質量塊102、第一 Y軸可動光子晶體梁1032、第二 Y軸可動光子晶體梁1034、第一 X軸固定光子晶體梁1041、第二 X軸固定光子晶體梁1043、支撐框101、第一 Y軸固定光子晶體梁1042、第二 Y軸固定光子晶體梁1044、支撐質量塊201、彈性梁202、第一支撐梁剛性梁2031、第二支撐梁剛性梁2032、第三支撐梁剛性梁2033、第四支撐梁剛性梁2034、第一 X軸光子晶體腔1051、第二 X軸光子晶體腔1053、第一 Y軸光子晶體腔1052、第二 Y軸光子晶體腔1054 ；
[0051]激光器1、分光鏡2、第一可見光衰減器3、第二可見光衰減器4、電源表5、光纖偏振控制器6、光纖錐7、平衡光探測器8、電子頻譜分析儀9、參考臂10、信號臂11、第一光纖錐組1001、第二光纖錐組1002、第三光纖錐組1003、第四光纖錐組1004。
【具體實施方式】
[0052]以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。
[0053]實施例1
[0054]圖1為XY軸方向加速度平面探測模塊平面結構示意，圖2為支撐模塊結構示意圖，圖3為新型多軸光學加速度計立體結構示意圖，圖4為XY軸方向加速度平面探測模塊X軸方向光子晶體腔結構示意，圖5為XY軸方向加速度平面探測模塊Y軸方向光子晶體腔結構示意，圖6為新型多軸光學加速度計檢測模塊示意圖，如圖所示:本發明提供的光學加速度計，包括探測模塊和檢測模塊；所述探測模塊用于將由測量載體的加速度產生的位移變化轉化為探測光信號的改變；所述檢測模塊將探測光信號的變化轉化為測量載體的加速度。
[0055]所述探測模塊包括X軸方向加速度平面探測模塊和支撐模塊；
[0056]所述支撐模塊包括支撐框、支撐質量塊、彈性梁、支撐梁剛性梁；
[0057]所述X軸方向加速度平面探測模塊包括彈性梁、測試質量塊、X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁、X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁，本實施例提供的光學加速度計通過通光光纖來進行連接，
[0058]所述X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁分別固定于測試質量塊YOZ平面表面中心位置并平行于Y軸，用于進行X軸方向加速度探測；
[0059]所述X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁分別固定于支撐框YOZ平面內表面中心并平行于Y軸；
[0060]所述X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁沿X軸方向分別固定于支撐框內壁；
[0061]所述X軸第一可動光子晶體梁與X軸第一固定光子晶體梁形成X軸第一光子晶體腔；[0062]所述X軸第二可動光子晶體梁與X軸第二固定光子晶體梁形成X軸第二光子晶體腔；
[0063]當垂直向所述X軸第一光子晶體腔的輸入光信號時,所述輸入光信號被X軸第一光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述X軸第一光子晶體腔的間距變化成正比關系；
[0064]當垂直向所述X軸第二光子晶體腔的輸入光信號時,所述輸入光信號被X軸第二光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述X軸第二光子晶體腔的間距變化成正比關系；
[0065]所述測試質量塊由其正下方的彈性梁支撐并同支撐質量塊保持在同一水平面且無接觸；
[0066]所述支撐梁剛性梁設置于支撐質量塊和支撐框之間用于固定支撐質量塊和支撐框的相對位置；
[0067]所述彈性梁一端固定于測試質量塊XOY平面下表面幾何中心，另一端固定于支撐質量塊XOY平面上表面幾何中心；
[0068]所述支撐模塊作為一個整體位于X軸方向加速度平面探測模塊的垂直正下方。
[0069]所述探測模塊還包括Y軸方向加速度平面探測模塊；所述Y軸方向加速度平面探測模塊包括Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁、Y軸第一固定光子晶體梁和Y軸第二固定光子晶體梁；
[0070]所述Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁分別固定于測試質量塊XOZ平面表面中心位置并平行于X軸，用于進行Y軸方向加速度探測；
[0071]所述Y軸第一固定光子晶體梁、Y軸第二固定光子晶體梁分別固定于支撐框XOZ平面內表面中心并平行于X軸；
[0072]所述Y軸第一可動光子晶體梁與Y軸第一固定光子晶體梁形成Y軸第一光子晶體腔；
[0073]所述Y軸第二可動光子晶體梁與Y軸第二固定光子晶體梁形成Y軸第二光子晶體腔；
[0074]當垂直向所述Y軸第一光子晶體腔的輸入光信號時，所述輸入光信號被Y軸第一光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述Y軸第一光子晶體腔的間距變化成正比關系；
[0075]當垂直向所述Y軸第二光子晶體腔的輸入光信號時，所述輸入光信號被Y軸第二光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述Y軸第二光子晶體腔的間距變化成正比關系。
[0076]所述檢測模塊包括激光器、分光鏡、可變光衰減器、光纖偏振控制器、光纖錐、平衡光探測器、電子頻譜分析儀；
[0077]所述激光器發射的光束通過光纖射入分光鏡，所述分光鏡將光束分成信號光和參考光；所述信號光傳輸至第一可變光衰減器后再傳入光纖偏振控制器，然后通過光纖錐對探測模塊進行測量；測量后通過光纖輸入平衡光探測器并將光信號轉化為電信號；
[0078]所述參考光經光纖傳輸至第二可變光衰減器后再傳輸至平衡光探測器將光信號轉化為電信號；[0079]所述平衡光探測器將電信號傳輸至電子頻譜分析儀。
[0080]所述光纖錐包括X軸第一光纖錐、X軸第二光纖錐、Y軸第一光纖錐和Y軸第二光纖錐；
[0081]所述X軸第一光纖錐垂直放置于X軸第一光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合；
[0082]所述X軸第二光纖錐垂直放置于X軸第二光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合；
[0083]所述Y軸第一光纖錐垂直放置于Y軸第一光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合；
[0084]所述Y軸第二光纖錐垂直放置于Y軸第二光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合。
[0085]所述信號光通過光纖傳輸至接口端，所述接口端將信光號通過光纖連接至電源表。
[0086]所述支撐框、測試質量塊、支撐質量塊三者XOY平面截面均為正方形；且測試質量塊中心位置與支撐框中心位置相重合；支撐質量塊的中心位置與支撐框中心位置相重合；支撐框、支撐質量塊的中心位置處于同一垂直線且支撐框、支撐質量塊保持水平且相互平行。
[0087]所述測試質量塊的彈性梁為奇數根梁。
[0088]所述支撐框、彈性梁、支撐梁剛性梁、測試質量塊、支撐質量塊、X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁、X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁、Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁、Y軸第一固定光子晶體梁和Y軸第二固定光子晶體梁的材料為硅材料。
[0089]實施例2
[0090]本實施例與實施例1的區別僅在于:
[0091]本發明提供的多軸光學加速度計，包括探測模塊和檢測模塊；其中探測模塊由X、Y軸方向加速度平面探測模塊及支撐模塊組成；其中XY軸方向加速度平面探測模塊中，第
一X軸可動光子晶體梁1031、第二 X軸可動光子晶體梁1033分別固定于測試質量塊102Y0Z平面表面中心位置并平行于Y軸，用于進行X軸方向加速度探測；第一 Y軸可動光子晶體梁1032、第二 Y軸可動光子晶體梁1034分別固定于測試質量塊102X0Z平面表面中心位置并平行于X軸，用于進行Y軸方向加速度探測；第一 X軸固定光子晶體梁1041、第二 X軸固定光子晶體梁1043分別固定于支撐框101Y0Z平面內表面中心并平行于Y軸；第一Y軸固定光子晶體梁1042、第二 Y軸固定光子晶體梁1044分別固定于支撐框101X0Z平面內表面中心并平行于X軸；測試質量塊102由其正下方的一根彈性梁202支撐并同支撐質量塊201保持在同一水平面且無接觸；其中支撐模塊由支撐質量塊201、彈性梁202、支撐梁剛性梁一共由四個組成，分別為第一支撐梁剛性梁2031、第二支撐梁剛性梁2032、第三支撐梁剛性梁2033、第四支撐梁剛性梁2034，其整體位于XY軸方向加速度平面探測模塊垂直正下方，其中一根彈性梁202 —端固定于測試質量塊102X0Y平面下表面幾何中心，另一端固定于支撐質量塊20IXOY平面上表面幾何中心。
[0092]當輸入敏感水平方向X軸加速度信號，由固定于支撐質量塊201的彈性梁202帶動測試質量塊102產生相對位移變化，則固定于測試質量塊102的第一 X軸可動光子晶體梁1031、第二 X軸可動光子晶體梁1033分別同固定于支撐框101內表面的第一 X軸固定光子晶體梁1041、第二 X軸固定光子晶體梁1043產生相對位移變化；此時第一 X軸可動光子晶體梁1031與第一 X軸固定光子晶體梁1041形成第一 X軸光子晶體腔1051，第二 X軸可動光子晶體梁1033與第二 X軸固定光子晶體梁1043形成第二 X軸光子晶體腔1053，當垂直晶體腔輸入光信號時輸入光將被晶體腔調制，輸入光頻率變化將同晶體腔間距變化成正比關系。將晶體腔調制后的輸入光傳輸進入檢測模塊，經過檢測模塊后續處理讀出輸入光的頻率變化值，從而計算得出兩晶體腔第一 X軸光子晶體腔1051、第二 X軸光子晶體腔1053產生間距的間距變化，最后得出此時X軸方向的加速度值。
[0093]當輸入敏感水平方向Y軸加速度信號，由固定于支撐質量塊201的彈性梁202帶動測試質量塊102產生相對位移變化，則固定于測試質量塊102的第一 Y軸可動光子晶體梁1032、第二 Y軸可動光子晶體梁1034分別同固定于支撐框101內表面的第一 Y軸固定光子晶體梁1042、第二 Y軸固定光子晶體梁1044產生相對位移變化；此時第一 Y軸可動光子晶體梁1032與第一 Y軸固定光子晶體梁1042形成第一 Y軸光子晶體腔1052，第二 Y軸可動光子晶體梁1034與第二 Y軸固定光子晶體梁1044形成第二 Y軸光子晶體腔1054，當垂直晶體腔輸入光信號時輸入光將被晶體腔調制，輸入光頻率變化將同晶體腔間距變化成正比關系；將晶體腔調制后的輸入光傳輸進入檢測模塊，經過檢測模塊后續處理讀出輸入光的頻率變化值，從而計算得出第一 Y軸光子晶體腔1052、第二 Y軸光子晶體腔1054產生間距的間距變化，最后得出此時Y軸方向的加速度值。
[0094]其中檢測模塊工作過程如下:激光器I發射的光束通過第一段光纖射入分光鏡2,由分光鏡2分成兩束并分別進入光纖段形成信號光、參考光，并形成信號臂11、參考臂10 ；分光鏡2的信號光由光纖段傳輸至接口端，接口端將光信號分別傳輸至光纖段，其中經光纖段連接至電源表5 ;經光纖段將光信號傳輸至可變光衰減器4 ;光信號由可變光衰減器4傳出經光纖段傳入光纖偏振控制器6，經過信號變化后進入光纖錐7對探測模塊進行測量；測量后由光纖段輸入平衡光探測器8將光信號轉化為電信號；激光器I發射的光束由分光鏡2產生的參考光經光纖段傳輸至可變光衰減器3，并經光纖段傳輸至平衡光探測器8將光信號轉化為電信號，最后共同傳輸至電子頻譜分析儀9。
[0095]XY軸采用雙端固支彈性梁202連接測試質量塊102與支撐質量塊201，支撐質量塊201由雙端固支支撐剛性梁即第一支撐梁剛性梁2031、第二支撐梁剛性梁2032、第三支撐梁剛性梁2033、第四支撐梁剛性梁2034連接支撐框101保證支撐質量塊201同支撐框101保持相對固定；通過對彈性梁202的參數設計實現僅對XOY平面方向敏感。
[0096]支撐框101、測試質量塊102、支撐質量塊201三者XOY平面截面均為正方形；且XY軸方向平面加速度探測模塊的測試質量塊102中心位置同支撐框201中心位置相重合；XY軸方向測試質量塊102的支撐模塊中支撐質量塊201的中心位置同支撐框101中心位置相重合；支撐框101、支撐質量塊201的中心位置處于同一垂直線且支撐框101、支撐質量塊201保持水平且相互平行。
[0097]XY軸方向平面加速度探測模塊的測試質量塊102的下方設計奇數根梁，一般可以采用I個或3個，也可以采用5個。
[0098]其中激光器1、分光鏡2、第一可見光衰減器3、第二可見光衰減器4、電源表5、光纖偏振控制器6、平衡光探測器8、電子頻譜分析儀9及其連接光纖封裝位置無多余要求；而光纖錐7的具體位置有要求如下:光纖錐7有四組，分別為第一光纖錐組1001、第二光纖錐組1002、第三光纖錐組1003、第四光纖錐組1004 ;分別需垂直放置于第一 X軸光子晶體腔1051、第二 X軸光子晶體腔1053、第一 Y軸光子晶體腔1052、第二 Y軸光子晶體腔1054正上方以進行光學頻率耦合后進行信號的放大處理。
[0099]本實施例的光纖錐的具體位置如圖3所示，光纖錐垂直放置于探測平面X0Y，探測X軸方向加速度的第一光纖錐位于第一組光子晶體腔正上方，其開口方向垂直向上，中心點同晶體腔中心點垂直方向在Z軸重合；光纖錐以兩端平行于第一光子晶體腔為準，即方向平行于Y軸。其他光纖錐位置設置同理與此。
[0100]光纖錐按以下方式連接，如圖6所示，光纖錐一端連接光纖偏振控制器6，一端連接平衡光探測器8 ;因為共有四個光纖錐，此處考慮可以將同時探測X軸的兩組光纖錐接入同一套光纖偏振控制器6和平衡光探測器8中，方便數據整合對比，并減少檢測模塊的測量體積。當然在實際應用中可以根據具體情況選擇儀器數量。
[0101]所有支撐框、彈性梁、剛性梁、測試質量塊、支撐質量塊、光子晶體梁的材料為硅材料。
[0102]實施例3
[0103]本實施例與實施例1的區別僅在于:
[0104]下面結合附圖對本發明的一個實施示例作詳細說明如下:
[0105]如圖3所示，一種新型多軸光學加速度計由探測模塊和檢測模塊組成。其中如圖1所示，探測模塊由支撐框101、測試質量塊102、第一 X軸可動光子晶體梁1031、第二 X軸可動光子晶體梁1033、第一 Y軸可動光子晶體梁1032、第二 Y軸可動光子晶體梁1034、第一 X軸固定光子晶體梁1041、第二 X軸固定光子晶體梁1043、第一 Y軸固定光子晶體梁1042、第二 Y軸固定光子晶體梁1044、支撐質量塊201、彈性梁202、支撐梁剛性梁一共由四個組成，分別為第一支撐梁剛性梁2031、第二支撐梁剛性梁2032、第三支撐梁剛性梁2033、第四支撐梁剛性梁2034。探測模塊中測試質量塊102分別可以在X、Y多軸實現加速度信號的探測。如圖2所示，其中X、Y軸方向的加速度探測由相應的支撐模塊支撐的測試質量塊102僅針對該平面進行加速度探測。如圖4、圖5所示，測試質量塊102的相應探測邊緣由微加工工藝制作的氮化硅光子晶體梁構成腔形結構，將加速度產生的晶體梁相對位移變化轉化為探測光信號的改變。不同于測試方向的光子晶體腔對測試方向的加速度信號探測沒有影響。
[0106]如圖6所示，一種新型多軸光學加速度計，檢測模塊由第一可見光衰減器3、第二可見光衰減器4、電源表5、光纖偏振控制器6、平衡光探測器8、電子頻譜分析儀9及連接光纖構成。由激光器I發射的光束通過第一段光纖射入分光鏡2,由分光鏡2分成兩束并分別進入光纖段形成信號光、參考光，并形成信號臂11、參考臂10。信號光由光纖段傳輸至接口端，接口端將光信號分別傳輸至光纖段，其中經光纖段連接至電源表5 ;經光纖段將光信號傳輸至可變光衰減器4。光信號由可變光衰減器4傳出經光纖段傳入光纖偏振控制器6，經過信號變化后進入光纖錐7對探測模塊進行測量。測量后由光纖段輸入平衡光探測器8將光信號轉化為電信號。激光器I發射的光束由分光鏡2產生的參考光經光纖段傳輸至可變光衰減器3，并經光纖段傳輸至平衡光探測器8將光信號轉化為電信號，最后共同傳輸至電子頻譜分析儀9。
[0107]本發明的工作原理詳細分析如下:
[0108]諧振器的易感性遵從如下差分方程:
[0109]
【權利要求】
1.光學加速度計，其特征在于:包括探測模塊和檢測模塊；所述探測模塊用于將由測量載體的加速度產生的位移變化轉化為探測光信號的改變；所述檢測模塊將探測光信號的變化轉化為測量載體的加速度。
2.根據權利要求1所述的光學加速度計，其特征在于:所述探測模塊包括X軸方向加速度平面探測模塊和支撐模塊；所述支撐模塊包括支撐框、支撐質量塊、彈性梁和支撐梁剛性梁；所述X軸方向加速度平面探測模塊包括彈性梁、測試質量塊、X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁、X軸第一固定光子晶體梁和X軸第二固定光子晶體梁； 所述X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁分別固定于測試質量塊YOZ平面表面中心位置并平行于Y軸，用于進行X軸方向加速度探測； 所述X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁分別固定于支撐框YOZ平面內表面中心并平行于Y軸；所述X軸第一可動光子晶體梁與X軸第一固定光子晶體梁形成X軸第一光子晶體腔；所述X軸第二可動光子晶體梁與X軸第二固定光子晶體梁形成X軸第二光子晶體腔；當垂直向所述X軸第一光子晶體腔的輸入光信號時,所述輸入光信號被X軸第一光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述X軸第一光子晶體腔的間距變化成正比關系； 當垂直向所述X軸第二光子晶體腔的輸入光信號時，所述輸入光信號被X軸第二光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述X軸第二光子晶體腔的間距變化成正比關系； 所述測試質 量塊由其正下方的彈性梁支撐并同支撐質量塊保持在同一水平面且無接觸； 所述支撐梁剛性梁設置于支撐質量塊和支撐框之間用于固定支撐質量塊和支撐框的相對位置； 所述彈性梁一端固定于測試質量塊XOY平面下表面幾何中心，另一端固定于支撐質量塊XOY平面上表面幾何中心； 所述支撐模塊作為一個整體位于X軸方向加速度平面探測模塊的垂直正下方。
3.根據權利要求2所述的光學加速度計，其特征在于:所述探測模塊還包括Y軸方向加速度平面探測模塊；所述Y軸方向加速度平面探測模塊包括Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁、Y軸第一固定光子晶體梁和Y軸第二固定光子晶體梁； 所述Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁分別固定于測試質量塊XOZ平面表面中心位置并平行于X軸，用于進行Y軸方向加速度探測； 所述Y軸第一固定光子晶體梁、Y軸第二固定光子晶體梁分別固定于支撐框XOZ平面內表面中心并平行于X軸；所述Y軸第一可動光子晶體梁與Y軸第一固定光子晶體梁形成Y軸第一光子晶體腔；所述Y軸第二可動光子晶體梁與Y軸第二固定光子晶體梁形成Y軸第二光子晶體腔；當垂直向所述Y軸第一光子晶體腔的輸入光信號時，所述輸入光信號被Y軸第一光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述Y軸第一光子晶體腔的間距變化成正比關系； 當垂直向所述Y軸第二光子晶體腔的輸入光信號時，所述輸入光信號被Y軸第二光子晶體腔調制形成調制輸出光，所述輸入光信號與調制輸出光的頻率變化量與所述Y軸第二光子晶體腔的間距變化成正比關系。
4.根據權利要求1所述的光學加速度計，其特征在于:所述檢測模塊包括激光器、分光鏡、可變光衰減器、光纖偏振控制器、光纖錐、平衡光探測器和電子頻譜分析儀； 所述激光器發射的光束通過光纖射入分光鏡，所述分光鏡將光束分成信號光和參考光；所述信號光傳輸至第一可變光衰減器后再傳入光纖偏振控制器，然后通過光纖錐對探測模塊進行測量；測量后通過光纖輸入平衡光探測器并將光信號轉化為電信號； 所述參考光經光纖傳輸至第二可變光衰減器后再傳輸至平衡光探測器將光信號轉化為電信號； 所述平衡光探測器將電信號傳輸至電子頻譜分析儀。
5.根據權利要求4所述的光學加速度計，其特征在于:所述光纖錐包括X軸第一光纖錐、X軸第二光纖錐、Y軸第一光纖錐和Y軸第二光纖錐； 所述X軸第一光纖錐垂直放置于X軸第一光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合； 所述X軸第二光纖錐垂直放置于X軸第二光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合； 所述Y軸第一光纖錐垂直放置于Y軸第一光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合； 所述Y軸第二光纖錐垂直放置于Y軸第二光子晶體腔正上方進行光學頻率耦合。
6.根據權利要求4所述的光學加速度計，其特征在于:所述信號光通過光纖傳輸至接口端，所述接口端將信光號通過光纖連接至電源表。
7.根據權利要求2所述 的光學加速度計，其特征在于:所述支撐框、測試質量塊和支撐質量塊三者XOY平面截面均為正方形；且測試質量塊中心位置與支撐框中心位置相重合；支撐質量塊的中心位置與支撐框中心位置相重合；支撐框、支撐質量塊的中心位置處于同一垂直線且支撐框、支撐質量塊保持水平且相互平行。
8.根據權利要求2所述的光學加速度計，其特征在于:所述測試質量塊的彈性梁為奇數根梁。
9.根據權利要求2所述的光學加速度計，其特征在于:所述支撐框、彈性梁、支撐梁剛性梁、測試質量塊、支撐質量塊、X軸第一可動光子晶體梁、X軸第二可動光子晶體梁、X軸第一固定光子晶體梁、X軸第二固定光子晶體梁、Y軸第一可動光子晶體梁、Y軸第二可動光子晶體梁、Y軸第一固定光子晶體梁和Y軸第二固定光子晶體梁的材料為硅材料。
【文檔編號】G01P15/093GK103439530SQ201310375287
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月26日 優先權日:2013年8月26日
【發明者】劉宇, 劉聰, 劉期烈, 劉申, 方針, 吳英, 何曉艷, 陳燕蘋, 王伊冰, 王樂, 江宏毅, 劉松 申請人:重慶郵電大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
