一种基于电磁力驱动的光学加速度计的制作方法

本发明为一种基于电磁力驱动的光学加速度计，可应用于地震监测和惯性导航技术领域。

背景技术：

当前对于光学加速度计的信号控制多采用静电力驱动的方式，该方案的加速度计敏感结构如图1所示。

当相干光照射到透明介质上时，一部分入射相干光直接被微米光栅下表面反射，另一部分入射相干光穿过微米光栅被反射面反射。由微米光栅直接反射的相干光，将形成第一衍射光束。由反射面反射的相干光，再次穿过微米光栅时，形成第二衍射光束。两部分衍射光束在透明介质内部发生干涉，形成干涉场。0级次和±1级次衍射光的光强可表示为：

其中，λ为入射光波长。那么输出衍射光光强将受到间隙d改变的调制，通过检测这一光强变化，能够得知间隙d的改变，进而根据力平衡公式f＝ma＝kx便能够解算出输入加速度a的大小，其中，m是质量块的质量，k为悬臂梁的刚度，x为质量块在敏感轴的位移。在闭环控制方案中，敏感头将外界加速度变化转换为光强变化；探测器将此光强信号转换为电信号，经过调理电路变成所需的电压信号；此电压信号与最佳工作点的电压作比较，经过数字控制电路输出控制信号；控制信号作用于上、中、下电极，即静电力反馈模块，将质量块稳定在最佳工作点处。最后将反馈信号进行输出作为加速度计闭环输出信号。

整个结构中，通过静电力驱动来实现加速度计最佳工作点的设置以及后续的闭环控制技术。但由于闭环反馈电压与反馈力之间存在非线性关系，这成为了加速度计闭环控制精度无法提高的一个重要限制因素。同时，静电驱动需要较大的电压信号，系统功耗将会大幅度增加。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决静电驱动光学加速度计闭环控制技术中存在的非线性问题，提出一种基于电磁力驱动的光学加速度计方案，使得反馈力与反馈电压呈线性关系，同时具有功耗低、结构简单、检测精度高、抗干扰能力强等优点。

本发明采用的技术方案为：一种基于电磁力驱动的光学加速度计，包括敏感头和外围电路，敏感头包括轭铁、磁铁、磁极片、线圈、质量块、悬臂梁、反射面、光栅、玻璃片、光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器、u形外壳；外围电路包括跨阻放大器、a/d转换电路、fpga、d/a转换电路，在敏感头中，轭铁与u形外壳连接，使得敏感头成为一个封闭体；磁铁与轭铁下部连接，磁极片与磁铁下部连接；线圈缠绕在质量块的外表面；线圈、磁铁、轭铁和磁极片共同形成磁力矩器；质量块由悬臂梁支撑，悬臂梁与u形外壳连接；反射面置于质量块底部；玻璃片与u形外壳连接，光栅置于透明玻璃片上表面，与反射面相对；光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器与u形外壳连接，置于玻璃片下面；第一探测器、第二探测器、第三探测器最终与外围电路连接。在外围电路中，跨阻放大器将探测器输出的光电流信号转换成模拟电压信号；该模拟电压信号通过a/d转换电路转换成数字信号；再经过fpga后，通过d/a转换电路，将反馈信号施加到线圈，作用于由磁铁、轭铁和磁极片构成的磁电力驱动模块，使加速度计一直处于最佳工作点，实现加速度计的闭环控制；fpga的输出信号作为加速度计闭环输出信号。

本发明的优点在于：

(1)采用光信号对加速度进行检测，可以有效降低电磁干扰对加速度测量精度的影响，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好。

(2)基于电磁力驱动的闭环控制技术，使反馈力与反馈电压呈线性关系，在简化闭环控制算法的同时，提高了光学加速度计的闭环检测精度。

(3)在电磁力驱动方案中，充分利用磁体磁场，大幅降低系统的闭环驱动功耗。

(4)采用光机电一体化集成方法，通过对光源和探测器芯片的集成技术，提高了光机耦合效率，并易于实现小型化。

附图说明

图1为常用的静电驱动光学加速度计方案示意图；

图2为基于电磁力驱动的光学加速度计的结构示意图；

图中：

1.轭铁2.磁铁3.磁极片

4.线圈5.质量块6.悬臂梁

7.反射面8.光栅9.玻璃片

10.光源11.第一探测器12.第二探测器

13.第三探测器14.u形外壳15.跨阻放大器

16.a/d转换电路17.fpga18.d/a转换电路

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明是一种基于电磁力驱动的光学加速度计，包括敏感头和外围电路。敏感头包括轭铁1、磁铁2、磁极片3、线圈4、质量块5、悬臂梁6、反射面7、光栅8、玻璃片9、光源10、第一探测器11、第二探测器12、第三探测器13、u形外壳14；外围电路包括跨阻放大器15、a/d转换电路16、fpga17、d/a转换电路18。

在敏感头中，轭铁1与u形外壳14连接，使得敏感头成为一个封闭体；磁铁2与轭铁1下部连接，磁极片3与磁铁2下部连接；线圈4缠绕在质量块5的外表面；线圈4、磁铁2、轭铁1和磁极片3共同形成磁力矩器；质量块5由悬臂梁6支撑，悬臂梁6与u形外壳14连接；反射面7置于质量块5底部；玻璃片9与u形外壳14连接，光栅8置于透明玻璃片9上表面，与反射面7相对；光源10、第一探测器11、第二探测器12、第三探测器13与u形外壳14连接，置于玻璃片9下面；第一探测器11、第二探测器12、第三探测器13最终与外围电路连接。在外围电路中，跨阻放大器15将探测器输出的光电流信号转换成模拟电压信号；该模拟电压信号通过a/d转换电路16转换成数字信号；再经过fpga17后，通过d/a转换电路18，将反馈信号施加到线圈4，作用于由磁铁2、轭铁1和磁极片3构成的磁电力驱动模块，使加速度计一直处于最佳工作点，实现加速度计的闭环控制；fpga17的输出信号作为加速度计闭环输出信号。

本发明装置测试加速度的原理：

当光源10照射到玻璃片9上时，一部分入射相干光直接被光栅8下表面反射，另一部分入射相干光穿过光栅8被反射面7反射。由光栅8直接反射的相干光，将形成第一衍射光束。由反射面7反射的相干光，再次穿过光栅8时，形成第二衍射光束。两部分衍射光束在玻璃片内部发生干涉，形成衍射干涉场。0级次和±1级次衍射光的光强如公式(1)所示，因此，输出衍射光光强将受到间隙d改变的影响，当有外界加速度输入时，通过检测衍射光光强变化，能够得知间隙d的改变，进而根据力平衡公式f＝ma＝kx便能够解算出输入加速度的大小。在闭环控制方案中，敏感头将外界加速度变化转化为光强变化；第一探测器11、第二探测器12、第三探测器13将此光强信号转化为电流信号，经过跨阻放大器15变成电压信号；在fpga17中，此电压信号与最佳工作点的电压作比较，经过数字控制电路输出控制信号；控制信号作用于线圈4，通电线圈4在磁场中会产生电磁力，将质量块5稳定在最佳工作点处。最后将反馈信号输出作为加速度计闭环输出信号。

具体实施中，关键结构的尺寸及参数可以设置为：

悬臂梁6：材料为铍青铜，长度为3～5mm，宽度为1～2mm，高度为0.1～0.5mm；

质量块5：材料为铝，半径为5～7mm，高度为8～10mm；

光栅8：材料为金或者铝，周期4μm，占空比0.5；

反射面7：材料为金或者铝，面积与质量块底面相同；

磁铁2：材料为铬铁镍合金或者钐钴合金；

u型外壳14：材料为铝。

综上所述，本发明提出一种基于电磁力驱动的光学加速度计结构，由于采用光信号对加速度进行检测，可以有效降低电磁干扰对加速度测量精度的影响，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好。基于电磁力驱动的闭环控制技术，使反馈力与反馈电压呈线性关系，在简化闭环控制算法的同时，提高了光学加速度计的闭环检测精度。同时电磁力驱动模块充分利用了磁体磁场，大幅降低系统的闭环驱动功耗。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。