双Y型腔双频激光加速度计制造技术

双Y型腔双频激光加速度计属于激光和精密测量技术领域，由光学模块、工作点选择与控制模块和信号采集与处理模块等组成。所述的光学模块由两支对称的Y型腔双频激光器和新型气体膜盒组成。利用气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，将输入的加速度变化转化为气体膜盒内传感气体的折射率变化，进而转化为Y型腔双频激光器的拍频输出，再利用双Y型腔结构，将两支Y型腔双频激光器的拍频差动，得到最终输出信号。所述的工作点选择与控制模块用来选择和控制加速度计的工作点，采用光强差的方法对双频激光器稳频。所述的信号采集与处理模块用来接收两支Y型腔双频激光器的输出拍频信号，计算出两拍频之差即为加速度计系统的最终输出信号。本发明专利技术双Y型腔双频激光加速度计是通过测量两支双频激光器的拍频之差的变化来测量载体的加速度，具有分辨率高、比例因子大、线性度好、数字式输出等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是涉及一种新型高精度激光加速度计，尤其是新型气体膜盒式双频激光加速度计，属于激光和精密测量

技术介绍
加速度计是惯性导航与制导系统中的重要元件，它将受控或被测载体沿其输入轴方向的运动加速度转化为电信号或其它形式信号。加速度计的发展已经经历了几十年的历史，种类繁多。近代激光技术、光纤传感技术、微制造技术的发展给光学加速度计的研究提供了有利条件，光学加速度计以其高灵敏度、强抗电磁干扰能力等优点逐渐成为国内外加速度计研究的热点。激光加速度计是建立在已经发展几十年的激光器理论和技术基础上的，它是将沿输入轴方向的加速度转化为激光器的输出频率变化，通过测量拍频来敏感加速度。国内外激光加速度计的专利较多，基本上可分为两大类。一是在激光器腔内置入晶体，加速度产生的应力引起晶体折射率的变化，进而引起输出频率的变化。该方案的专利较多，清华大学精密仪器国家重点实验室正在利用此方案进行研究(张书练.正交偏振激光原理[M].北京：清华大学出版社，2005.224～228)。二是利用加速度产生的惯性力，引起弹性敏感元件的形变，进而引起输出频率的变化。Jospeh P.Ficalora等人提出了利用激光器高反端镜形变引起的横模间差频变化来测量加速度的方案(Jospeh P.Ficalora，Oak Ridge，N.J.High Accuracy Laser Accelerometer：UnitedStates Patent，5456112[P].Oct.10，1995)。Litton公司的Graham J.Martin等人提出了L型腔的结构，加速度引起激光器一臂的形变进而产生左右旋偏振光的差频(Graham J.Martin，Canoga Park，Calif.Non-planar Ring Laser Accelerometer：United States Patent，4637255[P].Jan.20，1987)。总的说来，以上方案各有特色，但由于原理和技术上均存在着各自固有的缺点，目前世界上尚未有高精度激光加速度计研制成功的相关报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服以往激光加速度计方案的不足，提出了一种新型的分辨率高、比例因子大、线性度好的高精度激光加速度计系统方案—双Y型腔双频激光加速度计。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术由光学模块、工作点选择与控制模块和信号采集与处理模块等部分组成。光学模块是整个加速度计的核心，由两支对称的Y型腔双频激光器和新型气体膜盒组成。S光和P光被一偏振分光膜片分开，分别形成两个非共用腔。气体膜盒被一超薄膜片分成两部分，其中均充有相同压强的传感气体(如氮气、二氧化碳、六氟化硫等)，这两部分通过其上下两个通气管分别与两支激光器中非共用腔中的一支相通，该支非共用腔称为传感气体管。此处的膜片即为敏感加速度的弹性元件。为提高系统的灵敏度，在膜片中心以光胶的-->方式加入一圆柱形质量块。工作点选择与控制模块用来选择和控制加速度计的工作点，采用光强差的方法对双频激光器稳频。信号采集与处理模块用来接收两支Y型腔双频激光器的输出拍频信号，计算出两拍频之差即为加速度计系统的最终输出信号。本专利技术的基本工作过程如下：当垂直于超薄膜片方向有加速度输入时，超薄膜片产生弹性形变，气体膜盒的上半部分体积增大(或减小)，下半部分体积减小(或增大)，则与膜盒上半部分相连的传感气体管内气体密度减小，折射率也相应减小，光学长度也随之减小，从而引起两段非共用腔光学长度差的改变，这样该支双频激光器的输出拍频，亦即S光和P光的频率差也将发生变化。同理，另外一支双频激光器的输出拍频将发生与之相反的变化。本专利技术的工作原理详细分析如下：当垂直于膜片方向输入的加速度为a时，膜片形变和受力分析如图4。膜片的自身质量产生的惯性力载荷为q0＝-ρ0at，其中ρ0为膜片材料的密度，t为膜片的厚度。设圆柱形质量块密度为ρm，直径为dm，高度为tm，则质量块对膜片产生的惯性力载荷为qm＝-ρmatm。设膜片上下两部分气体的压强对膜片产生的载荷分别为-p1和p2。当qm＞＞q0，p1，p2，dm＜＜d(d为膜片直径)时，该问题可简化为平膜片中心受集中力的情况。该集中力为图4中各力的合力F＝ma+m0a-(p2-p1)πR2          (1)其中，m0为膜片质量，m为质量块的质量，R=d2]]>为膜片半径.设膜片形变引起的膜盒上下部分的体积变化分别为ΔV，由气体状态方程，膜盒上下部分的压强变化(p2-p1)为Δp=(p2-p1)=2ΔVV0p0---(2)]]>其中，ΔV为膜盒上(或下)部分气体的体积变化，V0和p0分别为无加速度输入时膜盒上(或下)部分气体的体积和压强。根据弹性力学知识，对于固定边圆形平面膜片中心受集中力F时，膜片上距离圆心r处的挠度为[6，7]ω(r)=F8πD(12(R2-r2)+r2lnrR)---(3)]]>其中，D=Et312(1-μ2)]]>为石英膜片的弯曲刚度，μ为膜片材料的泊松比，E为其杨氏模量。发生弹性形变后的膜片与膜片的初始平面围成的几何体体积即为加速度引起的膜盒体积的变化。由(1)～(3)容易推导出加速度a引起的气体膜盒上半部分的体积变化为ΔV=5128R4(m+m0)D(1+η)a---(4)]]>其中，η=564D·p0R6V0.]]>忽略气体膜盒与传感气体管之间的通气管体积，气体膜盒和传感气体管初始总体积为-->V0=πR2·ϵ1+π(φ2)2·L1---(5)]]>其中，L1为传感气体管长，φ为传感气体管直径，ε1为气体膜盒的上半部分高度。由式(4)和式(5)可得，加速度a引起的传感气体的密度变化为Δρ=ρ·ΔVV0]]>由格拉德斯通—戴尔(Gladstone-Dale)公式n-1ρ=k]]>(k为格拉德斯通—戴尔常数即G-D常数)，可得加速度a引起的传感气体的折射率变化为Δn1=5128·kρR4(m+m0)V0D(1+η)·a---(6)]]>加速度引起传感气体折射率的变化称为本专利技术的第一级敏感，气体膜盒也称为“第一级敏感元件”。由激光器的驻波条件，Y型腔双频激光器中的激光频率须满足谐振条件v=12·N·cn1·L1+n0·L0]]>则传感气体的折射率变化引起谐振频率变化为Δv=v0L1n1·L1+n0·L0Δn1---(7)]]>气体折射率的变化引起Y型腔双频激光器输出拍频的变化称为本专利技术的第二级敏感，Y型腔双频激光器称为“第二级敏感元件”。将(6)代入(7)式可得，加速度a引起的谐振频率变化Δv为Δv=5128·v0L1n1L1+n0L0·kρR本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于利用新型气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，将输入的加速度变化转化为气体膜盒内传感气体的折射率变化，进而转化为Y型腔双频激光器的拍频输出，再利用双Y型腔结构，将两支Y型腔双频激光器的拍频差动，得到加速度计系统的最终输出信号。

【技术特征摘要】
1.一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于利用新型气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，将输入的加速度变化转化为气体膜盒内传感气体的折射率变化，进而转化为Y型腔双频激光器的拍频输出，再利用双Y型腔结构，将两支Y型腔双频激光器的拍频差动，得到加速度计系统的最终输出信号。2.根据权利要求1所述的双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于双Y型腔双频激光加速度计由光学模块19、工作点选择与控制模块18和信号采集与处理模块17组成。3.根据权利要求1所述的双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于输入加速度与系统输出信号之间的关系为                Δv＝SF·a其中，SF＝SF1+SF2，SF1和SF2分别为单支Y型双频激光器敏感加速度的比例因子，SFi=5128·v0L1in1L1i+n0L0·kρR4(m+m0)D[πR2·ϵ1i+π(φ2)2·L1i](1+ηi),]]>其中ηi=564D·p0R6πR2·ϵ1i+π(φ2)2·L1i,]]>D为石英膜片的弯曲刚度，L1i为传感气体管长，φ为传感气体管直径，ε1i为气体膜盒分别与激光器1或2相通的盒体高度，m0为膜片质量，m为质量块的质量，R为超薄膜片半径，p0、ρ和n1分别为无加速度输入时膜盒中传感气体的压强、密度和折射率，k为传感气体的格拉德斯通-戴尔常数，v0为激光频率，n0为增益气体的折射率，i＝1，2表示组成加速度计的两支Y型双频激光器。4.根据权利要求1和2所述的双Y型腔双频激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙兴武，肖光宗，张斌，
申请(专利权)人：龙兴武，肖光宗，张斌，
类型：发明
国别省市：湖南;43