专利名称：一种新型光栅加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及加速度计领域，尤其涉及一种新型光栅加速度计。
背景技术：
目前，加速度计是一种重要的力学传感器，在交通、军事、地理探测等方面有着广 泛的应用，随着光学方法在测量微位移和微加速度上的应用，使加速度计的灵敏度摆脱了 电容的限制，得到了很大的提高。 在现有技术中，光栅加速度计是以光强型光栅位移传感器为基础，它的基本元件 为光源、光栅传感头和光电转换元件，其工作原理是当加速度作用于光栅加速度计的振动 膜片时，腔长发生改变，从而改变被检测级次的光强；然后通过对光强的测试，检测加速度。 如图1所示为现有技术中光栅加速度计的实现结构示意图，图1中在透明基底上制作导电 光栅；导电薄膜作为反射面，形成相位敏感光栅；当光束入射到导电光栅上时，导电薄膜和 导电光栅分别反射入射光，并干涉形成衍射光束，光束的强度与导电薄膜和参考梳齿的位 移成正弦或余弦关系，通过该光栅加速度计就可以实现对微小位移或加速度的检测。
但上述现有技术的结构中，由于在间隙改变的同时，反射面会发生倾斜或弯曲变 形，会影响到衍射光斑的质量，从而降低了加速度计的测量精度；同时由于需要达到很高的 灵敏度，对机械结构的灵敏度要求很高，容易造成机械结构的固有频率降低，减小了测试的 频率范围，同时还降低了机械结构的稳定性和抗冲击性，增加了加工难度。

发明内容
本发明实施例提供了一种新型光栅加速度计，能够改进加速度计的光学结构，提 高光学灵敏度，从而提高了加速度计的测量精度；并降低了对加速度计机械结构灵敏度的 要求，有利于提升机械结构的固有频率和抗冲击性，进而降低了加速度计的加工难度。
本发明实施例提供了一种新型光栅加速度计，所述加速度计的传感头光学结构部 分包括敏感质量块和光栅，其中 在所述敏感质量块底部设置有反射镜，且在所述光栅底部也设置有反射镜，以在
所述光栅间隙和两层反射镜之间形成多光束干涉。 所述在所述光栅底部也设置有反射镜，具体包括 在所述光栅的底部增加一层金属薄膜，将所述金属薄膜作为下反射镜。
所述敏感质量块采用双端固定梁结构。 在所述光栅底部设置的反射镜采用高反射率材料，以提高所述加速度计测量精度。 由上述所提供的技术方案可以看出，通过在所述敏感质量块底部设置有反射镜， 且在所述光栅底部也设置有反射镜，就可以在所述光栅间隙和两层反射镜之间形成多光束 干涉。这样通过改进加速度计的光学结构，提高了光学灵敏度，从而提高了加速度计的测量 精度；进而降低了对加速度计机械结构灵敏度的要求，有利于提升机械结构的固有频率和抗冲击性，降低了加速度计的加工难度。


图1为现有技术中光栅加速度计的实现结构示意图； 图2为本发明实施例所提供新型光栅加速度计的结构示意图； 图3为本发明实施例中反射率对光强变化影响的示意图； 图4为本发明实施例中反射率和加速度计测量精度的关系曲线示意图； 图5为本发明实施例中不同反射率时的一级光强变化曲线。
具体实施例方式
本发明实施例提供了一种新型光栅加速度计，通过对传统的光栅位移传感器的光 学结构进行改进，在所述敏感质量块底部设置有反射镜，且在所述光栅底部也设置有反射 镜，在所述光栅间隙和两层反射镜之间形成多光束干涉。这样就能够改进加速度计的光学 结构，提高光学灵敏度，从而提高了加速度计的测量精度。 为更好的描述本发明实施例，现结合附图对本发明的具体实施例进行说明，如图2 所示为本发明实施例所提供新型光栅加速度计的结构示意图，图2中 光栅加速度计的传感头光学结构部分包括有敏感质量块和光栅，其中在所述敏 感质量块底部设置有反射镜，称为上反射镜，该上反射镜为全反射镜，反射率是固定的；同 时，在所述光栅底部也设置有反射镜，称为下反射镜，该反射镜的反射率R是可变的，用以 调整加速度计的光学灵敏度；通过上述的设置，以在所述光栅间隙和两层反射镜之间形成 多光束干涉。 在具体实现过程中，在光栅底部设置反射镜的方式可以是在光栅的底部增加一层
金属薄膜，将该金属薄膜作为下反射镜，这里的金属薄膜可以是各种反射率的导电介质薄
膜，例如银箔薄膜等；另外，上述的敏感质量块可以采用双端固定梁的结构设计。 下面对如图2所示结构的加速度计的工作过程进行说明如下光源从光栅底部入
射，光束经底面反射镜后，一部分光线被光栅反射；另一部分则在下反射镜和上反射镜之间
的空隙经过多重反射；这两部分光再进行干涉，形成多级次的衍射条纹。根据薄膜光学理
论，容易得到如图2中的1区和2区对振幅的反射率分别为
+ exp(——) " =- n "
1 +exp(——) r2 = 1
4;r 九二T《 其中，R为光栅底部所设置的下反射镜的反射率，dc为空气腔腔长，A为光源波 长。 然后将多级次衍射条纹的光强分布视为缝宽分别为a和b，且光栅常数为d的两个 光栅的衍射条纹的叠加，并根据物理光学原理，得到缝宽为a、光栅常数为d的光栅在屏上 的振幅分布为
4<formula>formula see original document page 5</formula>
以及缝宽为b，光栅常数为d的光栅在屏上的振幅分布为
<formula>formula see original document page 5</formula>其中的e为衍射角。 再将上述的衍射光进行振幅
t加，得到总的光振幅分布
<formula>formula see original document page 5</formula>以及光强分布表达式为 <formula>formula see original document page 5</formula>当光栅栅齿宽度为光栅常数d的二分之一时，光强分布表达式可简化为<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，m为衍射级次。 按照上式的光强分布表达式，设计不同反射率的下反射镜，如图3所示为本发明 实施例中反射率对光强变化影响的示意图，图3中从上到下，分别为反射率R为0. 9、0. 7， 0. 2和0时的光强曲线；由图3可以看出，反射率越高，光强变化曲线越陡峭，加速度计的灵 敏度就越高。 如图4所示为本发明实施例中反射率和加速度计测量精度的关系曲线示意图，由 图4中可知在反射率为0. 8的测量精度与反射率为0时的测量精度，提高了近20倍，大大 增加了加速度计测量的精度。 通过上述实施例所述加速度计的光学结构，就可以提高光学灵敏度，从而提高了 加速度计的测量精度；进而降低了对加速度计机械结构灵敏度的要求，有利于提升机械结 构的固有频率和抗冲击性，降低了加速度计的加工难度。 举例来说，下面以具体的操作实例来对上述新型光栅加速度计进行验证，在本具 体实例中采用JDW-3型激光器作为光源，光功率为5mw，波长为635nm，由恒定电流驱动； 光栅采用两片光栅常数为10微米的光栅，并在一片光栅底部蒸镀一层半透明金属薄膜作 为下反射镜；加速度计的可动部分由固定在微调平台上的反射镜代替；微调平台的调节精 度为0. 2667 ii m/V ;利用该微调平台调节反射镜与光栅之间的距离，利用(PHIR光功率计对 一级光强进行测试，记录数据；根据测得的光强数据，对光强变化曲线绘图，得到不同反射 率时的一级光强变化曲线，如图5所示。 通过上述的实验过程，观测到了一级光强随着腔长的改变而产生的明显变化现 象，但由于振动的影响，光强变化曲线有一定的波动。从图5中的变化曲线可知反射率R 分别为0和0. 5的光强曲线可以看出，当反射率为0. 5时，光强变化曲线比反射率为0时更 陡峭，从而提高了传感器光学结构的灵敏度，进而提高了加速度计的测量精度，验证了本发 明实施例所述新型光栅加速度计的正确性。 综上所述，本发明实施例能够改进加速度计的光学结构，提高光学灵敏度，从而提 高了加速度计的测量精度；进而降低了对加速度计机械结构灵敏度的要求，有利于提升机 械结构的固有频率和抗冲击性，降低了加速度计的加工难度。 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揭露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
权利要求
一种新型光栅加速度计，其特征在于，所述加速度计的传感头光学结构部分包括敏感质量块和光栅，其中在所述敏感质量块底部设置有反射镜，且在所述光栅底部也设置有反射镜，以在所述光栅间隙和两层反射镜之间形成多光束干涉。
2. 如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述在所述光栅底部也设置有反射镜，具体包括在所述光栅的底部增加一层金属薄膜，将所述金属薄膜作为下反射镜。
3. 如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述敏感质量块采用双端固定梁结构。
4. 如权利要求l-3其中之一所述的加速度计，其特征在于，在所述光栅底部设置的反射镜采用高反射率材料，以提高所述加速度计测量精度。
全文摘要
本发明实施例提供了一种新型光栅加速度计，具体包括通过在所述敏感质量块底部设置有反射镜，且在所述光栅底部也设置有反射镜，就可以在所述光栅间隙和两层反射镜之间形成多光束干涉。这样通过改进加速度计的光学结构，提高了光学灵敏度，从而提高了加速度计的测量精度；进而降低了对加速度计机械结构灵敏度的要求，有利于提升机械结构的固有频率和抗冲击性，降低了加速度计的加工难度。
文档编号G01P15/03GK101793909SQ20101011063
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者冯丽爽, 刘惠兰, 周震, 姚保寅, 张群雁 申请人:北京航空航天大学