本发明涉及速度测量领域，具体涉及一种光路敏感型加速度计。
背景技术：
加速度计是一种测量物体加速度的传感器，其测量原理是基于牛顿第二定律。加速度计中的质量块的位移和受到的加速度大小有确定的关系，通过测量位移量就可以测量出相应的加速度值。微机电(microelectromechanicalsystems，简写为mems)加速度计具有体积小、重量轻、功耗低、精度高以及批量生产成本低的特点，目前主要应用于运动感知、动作识别、姿态控制、振动探测、安防报警等方面。
目前主流mems加速度计是电容式的。加速度计通过检测质量块位移引起的电容变化计算出对应的加速度。然而电容的变化量正比于位移的平方，故加速度分辨率有限，要获得高分辨率，电容基板的面积就要扩大，相应系统的尺寸就要扩大，并且电容式加速度计还会受所加电压产生的静电力干扰。而利用隧道效应设计的加速度计是与质量块的位移成指数关系的，具有尺寸小、分辨率高的优点。但由于现在隧尖是通过化学腐蚀制作的，制备工艺复杂不易控制。
许多应用需要能同时监控三维加速度的传感器，传统的加速度计主要为单轴传感器，需要将三个单轴的加速度计组装起来才能构成三维加速度计。组装方法构成的三轴加速度计会导致三轴正交性误差较大，体积大、成本高。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是：
传统电容式加速度计的分辨率有限，要获得高分辨率，电容基板的面积就要扩大，相应系统的尺寸就要扩大，而利用隧道效应设计的加速度计虽然尺寸小、分辨率高，但制备工艺复杂不易控制。另外，在需要能同时监控三维加速度的情况下，传统方法需要将三个单轴的加速度计组装起来，导致三轴正交性误差较大，体积大、成本高。
本发明通过如下技术方案达到上述目的：
第一方面，本发明提供了一种光路敏感型加速度计，包括光源2、光电探测器3、透镜4和第一mems芯片，其中，第一mems芯片包括反射镜6、支撑梁7和质量块8；所述反射镜6设置在质量块8上，所述质量块8与支撑梁7连接，在加速度作用下，所述支撑梁7使得质量块8沿z轴方向发生位移；
所述透镜4置于光源2、光电探测器3所在平面和反射镜6所在平面之间；
所述光电探测器3用于接收由光源2产生、由透镜4调整光路路径，最终由反射镜6反射回来的光。
优选的，所述反射镜6是通过在质量块8的表面镀金或镀银完成的，反射率大于等于97％。
优选的，所述反射镜6处于透镜4的焦距的位置。
优选的，所述光源2的出光口和光电探测器3的中心轴关于透镜4的中轴线成左右对称。
优选的，所述加速度计还包括外壳1和上基板9，所述上基板9固定于外壳1的内壁，所述光源2、光电探测器3和透镜4均固定在上基板9上。
优选的，所述第一mems芯片还包括下基底5，所述下基底5固定于外壳1的内壁，所述质量块8通过支撑梁7与下基底5相连。
优选的，所述第一mems芯片是一个整体，通过体硅刻蚀技术制作而成。
第二方面，本发明还提供了另一种光路敏感型加速度计，包括光源2、pd阵列10、透镜4和第二mems芯片，其中，第二mems芯片包括反射镜6、质量块8、x轴支撑梁11、y轴支撑梁12和外环13；所述反射镜6设置在质量块8上，所述质量块8通过y轴支撑梁12和外环13内侧连接，所述外环13外侧又与x轴支撑梁11相连；
当存在z方向加速度时，所述x轴支撑梁11和/或y轴支撑梁12使得质量块8沿z方向发生位移；当存在x方向加速度时，所述质量块8通过y轴支撑梁12发生旋转；当存在y方向加速度时，所述质量块8通过带动外环13整体沿着x轴支撑梁11发生旋转；
所述透镜4置于光源2、pd阵列10所在平面和反射镜6所在平面之间；
所述pd阵列10用于探测光斑的位置和/或形状。
优选的，所述反射镜6处于透镜4的焦点位置。
优选的，所述pd阵列10的中心轴和光源2的出光口关于透镜4的中轴线成左右对称。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种光路敏感型加速度计，利用质量块上反射镜的轴向位移引起的光路损耗，由光电探测器接收的光功率变化反向解调出加速度值。与传统电容式的mems加速度计相比，该新型加速度计设计结构简单、体积小、容易加工、成本低，而且由于光电探测器接收的光功率对光路的变化特别敏感，相对电容式加速度计测量分辨率明显提高。
同时，本发明还在此基础上改进制成了另一种可同时监控三维加速度的光路敏感型加速度计，利用质量块旋转和位移导致的光路位置和光斑形状发生变化，通过pd阵列探测来分析加速度的方向和大小。相比传统的三维电容式加速度计，该加速度计的芯片设计简单、分辨率高，对加速度的角向改变极其敏感，避免了传统设计中正交性误差大的缺点，并且单独一个mems芯片就实现了加速度角向和大小的测量，避免了传统通过组装三个单轴加速度计的体积大的缺点。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光路敏感型加速度计的正视图；
图2为本发明实施例提供的一种光路敏感型加速度计中mems芯片的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种光路敏感型加速度计中反射镜轴向位移变化时的光路原理图；
图4为本发明实施例提供的另一种光路敏感型加速度计的正视图；
图5为本发明实施例提供的另一种光路敏感型加速度计中mems芯片的俯视图；
图6为本发明实施例提供的另一种光路敏感型加速度计中pd阵列的示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种光路敏感型加速度计中反射镜角度变化的光路原理图；
图8为本发明实施例提供的另一种光路敏感型加速度计中pd阵列上光斑位置的变化示意图；
图9为本发明实施例提供的另一种光路敏感型加速度计中反射镜轴向位移变化时的光路原理图；
图10为本发明实施例提供的另一种光路敏感型加速度计中pd阵列上光斑形状的变化示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
实施例1：
本发明实施例1提供了一种光路敏感型加速度计，包括光源2、光电探测器3、透镜4和第一mems芯片，其中，第一mems芯片包括反射镜6、支撑梁7和质量块8；所述反射镜6设置在质量块8上，所述质量块8与支撑梁7连接，在加速度作用下，所述支撑梁7使得质量块8沿z轴方向发生位移；
所述透镜4置于光源2、光电探测器3所在平面和反射镜6所在平面之间；
所述光电探测器3用于接收由光源2产生、由透镜4调整光路路径，最终由反射镜6反射回来的光。
本发明提供的一种光路敏感型加速度计，利用质量块上反射镜的轴向位移引起的光路损耗，由光电探测器接收的光功率变化反向解调出加速度值。与传统电容式的mems加速度计相比，该新型加速度计设计结构简单、体积小、容易加工、成本低，而且由于光电探测器接收的光功率对光路的变化特别敏感，相对电容式加速度计测量分辨率明显提高。
通常，一个完整的加速度计还包括一些其他的部件。本实施例1所提供的一种光路敏感型加速度计如图1所示，包括外壳1、光源2、光电探测器3、透镜4、上基板9和第一mems芯片，其中，所述第一mems芯片包括下基底5、反射镜6、支撑梁7和质量块8。
在所述第一mems芯片中，所述质量块8的上表面设置有反射镜6，其中，反射镜6是通过蒸镀或溅射工艺，在质量块8的上表面镀金或银来制作完成的，以此来提高反射率，反射镜6的反射率大于等于97％。反射镜6的制作大小由光斑的束腰尺寸和加速度计的测试量程决定，测试量程越大，质量块8的位移越大，需要反射镜6的尺寸也就越大；反射镜6的形状可以制作成圆形、方形或其他任何合适的形状。
所述下基底5固定于外壳1的内壁上，所述质量块8的前、后、左、右四个侧面分别通过四个支撑梁7与下基底5相连，如图2所示。在本实施例1的基础上，所述加速度计还可以去掉下基底5这一部件，使所述质量块8通过四个支撑梁7直接与外壳1相连。另外，本实施例中采用了两对支撑梁7，除此以外还可以采用一对、三对或四对等。
本实施例1中，所述上基板9呈“u”型设计，其尺寸与外壳1相匹配，能够刚好安装固定于外壳1内壁上，所述光源2和光电探测器3均粘接在上基板9的顶面上，透镜4粘接在“u”型上基板9的两端面上，并且粘接时所述光源2的出光口和光电探测器3的中心轴关于透镜4的中轴线成左右对称。在本实施例1的基础上，所述上基板9还可以设计成其他便于连接的形状，或者，所述加速度计还可以去掉上基板9这一部件，使所述光源2、光电探测器3和透镜4均直接与外壳1的内壁固定。
所述透镜4位于光源2、光电探测器3所在平面和反射镜6所在平面之间，所述光源2发射激光到透镜4上，经过透镜4会聚到质量块8上的反射镜6上，反射镜6将入射光反射，再经过透镜4折射到光电探测器3上；其中，反射镜6处于透镜4的焦距的位置，使得光斑的束腰位置处于质量块8的反射镜6上，从而使得在没有加速度的时候，光电探测器3接收的光最强；所述光电探测器3用于探测反射镜6返回光的功率变化，并将探测到的光信息转化为电信号，在本实施例1中，将光电探测器3的探测面积设计为和光斑的尺寸一致，即通光孔径和光斑的大小基本一致，这就使得光斑偏移后会产生明显光路损耗，更便于测量，并经过后续算法计算出对应的加速度值。在本实施例的基础上，还可以采用光电二极管(photodiode，简写为pd)阵列作为探测部件。
所述第一mems芯片是一个整体，通过体硅刻蚀技术制作而成，制作工艺简单，且整体尺寸较小。
本实施例1提供的一种光路敏感型加速度计主要用于单轴方向上加速度的测量，在实施例中描述为z方向，所述加速度计利用质量块8的位移来感知外界的加速度，质量块8的微小位移将引起光路的大幅变化，最终导致光电探测器3接收的光功率随之改变。其具体测量及使用方法如下：在没有加速度的时候，光电探测器3接收的光最强；当外界存在z方向上的加速度时，所述支撑梁7使得质量块8沿z轴方向发生位移，则相应地，反射镜6也产生轴向位移，如图3所示。当反射镜6向透镜4靠近，移动到位置14，或者远离透镜4移动到位置15时，都会出现光路损耗，导致光路的大幅度变化，从而导致光功率的变化，通过光电探测器3可以探测反射镜6返回光的功率变化，然后将探测到的光信息转化为电信号，从而反向解调出质量块8位移量的大小，最终根据力学分析得到相应的加速度值。相应的力学分析为本领域公知的技术内容，并且可以通过多次实验矫正得到一组可工业使用映射值，因此，在此不再赘述。
实施例2：
许多应用场合下需要同时监控三维加速度，传统的加速度计主要为单轴传感器，需要将三个单轴的加速度计组装起来才能构成三维加速度计，会导致三轴正交性误差较大，体积大、成本高。为了克服这种技术问题，本实施例2在实施例1的基础上做了一些改进，使其不仅可以通过质量块8的位移测量z方向加速度，还可以通过质量块8的旋转测量x和y方向的加速度，即不需组装就可同时监控三维加速度。与实施例1的主要区别在于，实施例2中使用pd阵列10取代了原来的光电探测器3，用于检测光斑的位置和形状；同时mems芯片中增加x轴支撑梁11、y轴支撑梁12和外环13，取代了原来的支撑梁7，用于实现x、y方向的旋转。
本发明实施例2提供的另一种光路敏感型加速度计，包括光源2、pd阵列10、透镜4和第二mems芯片，其中，第二mems芯片包括反射镜6、质量块8、x轴支撑梁11、y轴支撑梁12和外环13；所述反射镜6设置在质量块8上，所述质量块8通过y轴支撑梁12和外环13内侧连接，所述外环13外侧又与x轴支撑梁11相连；
当存在z方向加速度时，所述x轴支撑梁11和/或y轴支撑梁12使得质量块8沿z方向发生位移；当存在x方向加速度时，所述质量块8通过y轴支撑梁12发生旋转；当存在y方向加速度时，所述质量块8通过带动外环13整体沿着x轴支撑梁11发生旋转；
所述透镜4置于光源2、pd阵列10所在平面和反射镜6所在平面之间；
所述pd阵列10用于探测光斑的位置和/或形状。
本发明所提供的另一种可同时监控三维加速度的光路敏感型加速度计，可以通过pd阵列10接收的光斑位置和形状，解调质量块8的旋转角度和位移量，进而得出待测的加速度方向和大小。相比传统的三维电容式加速度计，该加速度计的芯片设计简单、分辨率高，对加速度的角向改变极其敏感，避免了传统设计中正交性误差大的缺点，并且单独一个mems芯片就实现了加速度角向和大小的测量，避免了传统通过组装三个单轴加速度计的体积大的缺点。
通常，一个完整的加速度计还包括一些其他的部件。本实施例2所提供的另一种光路敏感型加速度计如图4所示，包括外壳1、光源2、pd阵列10、透镜4、上基板9和第二mems芯片，其中，所述第二mems芯片包括下基底5、反射镜6、质量块8、x轴支撑梁11、y轴支撑梁12和外环13。
在所述第二mems芯片中，所述质量块8的上表面设置有反射镜6，其中，反射镜6是通过蒸镀或溅射工艺，在质量块8的上表面镀金或银来制作完成的，以此来提高反射率，反射镜6的反射率大于等于97％。反射镜6的大小由光斑的束腰尺寸和加速度计的测试量程决定，测试量程越大，质量块8的转动和位移越大，需要反射镜6的尺寸也就越大；反射镜6的形状可以制作成圆形、方形或其他任何合适的形状。
所述下基底5固定于外壳1的内壁上，所述质量块8通过两个y轴支撑梁12与外环13内侧连接，外环13的外侧又通过两个x轴支撑梁11与下基底5相连，如图5所示，质量块8在外力的作用下可以绕x轴支撑梁11和y轴支撑梁12转动，并且可以在x轴支撑梁11的作用下沿z方向发生位移。在本实施例1的基础上，所述加速度计还可以去掉下基底5这一部件，使所述外环13通过两个x轴支撑梁11直接与外壳1相连。
本实施例2中，所述上基板9呈“u”型设计，其尺寸与外壳1相匹配，能够刚好安装固定于外壳1内壁上，所述光源2和pd阵列10均粘接在上基板9的顶面上，透镜4粘接在“u”型上基板9的两端面上，并且粘接时所述光源2的出光口和pd阵列10的中心轴关于透镜4的中轴线成左右对称，从而使没有加速度时，反射的光斑位于pd阵列10的正中心。在本实施例1的基础上，所述上基板9还可以设计成其他便于连接的形状，或者，所述加速度计还可以去掉上基板9这一部件，使所述光源2、pd阵列10和透镜4均直接与外壳1的内壁固定。
所述透镜4位于光源2、pd阵列10所在平面和反射镜6所在平面之间，所述光源2发射激光到透镜4上，经过透镜4会聚到质量块8上的反射镜6上，反射镜6将入射光反射，再经过透镜4折射到pd阵列10上，质量块8的旋转和位移会导致反射光的位置和光斑形状发生变化，进而导致被pd阵列10接收的光斑位置和光斑的形状发生变化；其中，所述反射镜6处于透镜4下方的焦平面上，这样光斑的束腰位置就会处于质量块8的反射镜6上；所述pd阵列10用于探测反射镜6返回的光斑，将探测到的光斑位置和形状信息转化为电信号，经过后续算法计算出对应的加速度方向和大小。在本实施例中，所述pd阵列10是一个方形的n×n阵列，由n×n个pd等距的排列组成，如图6所示，除此以外还可以选择矩形的m×n阵列；pd阵列的选型要求单个pd的感光面积在合适的范围内要尽量小，单个pd的感光面积越小，加速度计的分辨率越高。
所述第二mems芯片是一个整体，通过体硅刻蚀技术制作而成，制作工艺简单，且整体尺寸较小。
实施例3：
为便于更好地理解本发明所述光路敏感型加速度计的原理，在实施例2的基础上，本实施例3给出了一种上述加速度计的具体使用和测量方法。本实施例2提供的一种光路敏感型加速度计，采用的是pd阵列接收反射光，光斑移动的路径和光斑的大小都可以被探测，主要用于三维方向上加速度的同时测量，即x、y、z方向。其中，质量块8在沿x、y的旋转会导致光斑的位置发生变化，而光斑的形状基本不变；质量块8沿z方向的位移会导致反射镜6偏离透镜4的焦平面，进而反射到pd阵列10上的光斑大小发生变化。
实施例2中所述加速度计的测量及使用方法具体如下：在没有加速度时，反射镜6处于透镜4的焦平面处，反射光路如图7和图9中实线所示，反射的光斑位于pd阵列10的正中心，如图8和图10中实线处所示；当有x方向加速度分量的时候，质量块8会相对外环13发生沿y轴支撑梁12的转动，直到扭转力和外界加速度力平衡，则反射镜6会随着质量块8发生相应地转动，偏离透镜4的焦平面一定角度，如图7中16处位置所示，此时的反射光路如图7中虚线处所示，pd阵列10上检测到的光斑位置在x方向上发生一定的偏移，而光斑大小基本不变，如图8中a虚线处所示；同样地，当有y方向加速度分量时，外环13和质量块8整体沿x轴支撑梁11发生旋转，直到扭转力和外界加速度力平衡，反射镜6也会偏离透镜4的焦平面一定角度，此时pd阵列10上检测到的光斑位置在y方向上发生一定的偏移，而光斑大小基本不变，如图8中b虚线处所示。
当存在z方向加速度分量时，所述x轴支撑梁11使得质量块8沿z方向发生位移，反射镜6相应地在z方向移动，偏离透镜4的焦平面处。当反射镜6向透镜4靠近移动至图9中14处所示位置时，pd阵列10上检测到的光斑形状变小，光斑位置基本不变，如图10所示，光斑由实线圆处变为图中虚线d处；当反射镜6远离透镜4移动至图9中15处所示位置时，pd阵列10上检测到的光斑形状变大，光斑位置基本不变，如图10所示，光斑由实线圆处变为图中虚线c处。
所述pd阵列10探测光斑完成后，通过光斑的形状大小变化可确定质量块8沿z轴的位移变化量，再根据光斑移动的路径，即光斑位置变化来确定质量块8相对于z轴的转角，最后根据扭转力和外界加速度导致的力的关系，计算出外界加速度的方向和大小。优选的，质量块8沿z轴位移的测定除了利用光斑形状变化，还可以如实施例1中一样，通过探测返回光的功率变化，然后将探测到的光信息转化为电信号，反向解调出质量块8位移量的大小。
结合本实施例所述测量方法，还存在一种优选的方案，在进行加速度的实际测量之前，可提前进行一系列测试，将此测试结果作为后期进行实际测量的参照。首先，可测试多组光斑大小变化图及对应的质量块8沿z轴位移变化量，生成参照图表，或者，通过多组测试结果，拟合位移变化量z与光斑半径大小变化δr间的关系，得到拟合关系式z＝f(δr)，实际测量时，通过对照参照图表或带入拟合公式计算，即可得到质量块8沿z轴的位移变化量；同时，还可测试多组光斑位置变化图及对应的质量块8转角，生成参照图表，或者，通过多组测试结果，拟合质量块8转角α与光斑位置偏移δx、δy间的关系，得到拟合关系式α＝h(δx，δy)，实际测量时，通过对照参照图表或带入拟合公式计算，即可得到质量块8的转角。该测试方式也同样可以适用于实施例1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。