【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光干涉式三轴加速度传感结构，具体涉及一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构及其解算方法。
技术介绍
1、当前以3轴加速度传感器为重要组成的惯性导航模块在航空领域、智能机械领域、消费电子领域等都有着广泛的应用需求。通过对运动对象的3轴向加速度的测量，进一步结合其它运动参数测量，融合解算运动对象的姿态、速度和位移等重要信息，并进一步以运动信息反馈完成运动轨迹规划、稳定控制等任务，在实现运动设备自主导航和智能控制等方面发挥着重要作用。
2、新型的基于光学测量方法的加速度传感技术具有高灵敏度、低噪声、非接触式响应等优势，尤其是结合高灵敏光干涉位移测量方法和弹性梁-质量块加速度敏感结构已经成为开发高灵敏加速度传感器的重要方向。但是相比于较为成熟的微机电系统(mems)电学加速度传感器，当前的光干涉式加速度传感器在微型化、集成化应用方面还存在差距。首先，常规的光干涉型位移测量基于在一定空间内的干涉光路和形成光路的光学元件，不易与主流硅基微敏感结构集成，因此单个加速度传感元件的集成度受到限制。另一方面，当前用于光干涉式微加速度传感器的光干涉位移测量原理均只对敏感结构的面外位移敏感，便于将加速度传感器应用于测量单一z轴方向即质量块法线方向的加速度检测，当前也有将光干涉测量方法用于敏感结构响应平面内加速度产生位移测量的研究工作，但必须将检测光路与敏感结构的垂直侧平面对准，以同样实现对面外响应位移的测量，这类方法仍然限制了传感元件的集成度。应用于单一轴向的加速度传感元件的集成度受到限制，对于实现同时测量3个轴向加速度的微
技术实现思路
1、针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构及其解算方法，可有效解决上述问题。
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、本专利技术提供一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，包括自下向上依次布置的三轴加速度同步敏感结构、阵列光栅结构和光电检测阵列结构；
4、所述三轴加速度同步敏感结构包括固定框架(1)、特异敏感弹性梁(2)、台阶式质量块(3)和反光膜(4)；其中，所述特异敏感弹性梁(2)的设置数量为四个，分别为第一特异敏感弹性梁、第二特异敏感弹性梁、第三特异敏感弹性梁和第四特异敏感弹性梁；所述反光膜(4)的设置数量为四个，分别为第一反光膜、第二反光膜、第三反光膜和第四反光膜；
5、所述固定框架(1)的内部悬挂设置所述台阶式质量块(3)，所述台阶式质量块(3)的上表面边缘x正向位点通过所述第一特异敏感弹性梁与所述固定框架(1)连接，所述台阶式质量块(3)的上表面边缘x负向位点通过所述第二特异敏感弹性梁与所述固定框架(1)连接，所述台阶式质量块(3)的上表面边缘y正向位点通过所述第三特异敏感弹性梁与所述固定框架(1)连接，所述台阶式质量块(3)的上表面边缘y负向位点通过所述第四特异敏感弹性梁与所述固定框架(1)连接；四个所述特异敏感弹性梁(2)在平面内呈正交方向分布，相对于所述台阶式质量块(3)重心在上表面的投影点中心对称；在所述台阶式质量块(3)的上表面，设置覆盖所述x正向位点周围区域的第一反光膜，覆盖所述x负向位点周围区域的第二反光膜，覆盖所述y正向位点周围区域的第三反光膜，覆盖所述y负向位点周围区域的第四反光膜；
6、所述阵列光栅结构包括光栅衬底(5)和光栅(6)；所述光栅(6)的设置数量为四个，分别为第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅；所述光栅衬底(5)固定安装于所述三轴加速度同步敏感结构的上方，所述光栅衬底(5)在面向所述三轴加速度同步敏感结构的表面，且在正朝向所述第一反光膜的表面设置所述第一光栅，在正朝向所述第二反光膜的表面设置所述第二光栅，在正朝向所述第三反光膜的表面设置所述第三光栅，在正朝向所述第四反光膜的表面设置所述第四光栅；
7、所述光电检测阵列结构包括光电基底(7)、第一激光器、第一光探测器、第二激光器、第二光探测器、第三激光器、第三光探测器、第四激光器和第四光探测器；所述光电基底(7)设置于所述光栅衬底(5)的上方，所述光电基底(7)和所述光栅衬底(5)之间形成平行空腔；在所述光电基底(7)的面向所述光栅衬底(5)的表面，且在正朝向所述第一反光膜的表面设置所述第一激光器，在所述第一光栅的衍射反射光位置设置所述第一光探测器，在正朝向所述第二反光膜的表面设置所述第二激光器，在所述第二光栅的衍射反射光位置设置所述第二光探测器，在正朝向所述第三反光膜的表面设置所述第三激光器，在所述第三光栅的衍射反射光位置设置所述第三光探测器，在正朝向所述第四反光膜的表面设置所述第四激光器，在所述第四光栅的衍射反射光位置设置所述第四光探测器。
8、优选的，每个所述特异敏感弹性梁(2)的一端与所述固定框架(1)连接固定，每个所述特异敏感弹性梁(2)的另一端与所述台阶式质量块(3)的上表面边缘对应位置连接固定。
9、优选的，所述特异敏感弹性梁(2)由两侧对称的折叠弹性梁构成，与所述台阶式质量块(3)连接处为两侧折叠弹性梁分立部位，具有两个连接点，且连接点间距不大于所述台阶式质量块(3)上表面尺寸的1/10，所述特异敏感弹性梁(2)中各段直梁的垂直方向厚度不大于宽度的1/10。
10、优选的，所述特异敏感弹性梁(2)以从与所述固定框架(1)连接处到与所述台阶式质量块(3)连接处的方向为轴向，在所述特异敏感弹性梁(2)所在平面，与轴向垂直的方向为横向；与所述特异敏感弹性梁(2)所在平面垂直方向为法向；
11、针对法向弯曲变形，两侧的折叠弹性梁并联，构成的所述特异敏感弹性梁(2)呈现一定的弯曲刚度；
12、针对横向弯曲变形，两侧的折叠弹性梁本身对横向弯曲不敏感，构成的所述特异敏感弹性梁(2)在常规载荷下可忽略横向弯曲变形；
13、针对扭转变形，两侧的折叠弹性梁串联，且由于各自与所述台阶式质量块(3)的分立连接点间距小，构成的所述特异敏感弹性梁(2)相对于扭转角的扭转刚度极小；
14、针对轴向变形，由于折叠弹性梁中各段直梁的厚度远小于宽度，本身的法向弯曲刚度远小于横向弯曲刚度，构成的所述特异敏感弹性梁(2)的轴向变形刚度远大于法向弯曲刚度。
15、优选的，所述台阶式质量块(3)由上至下依次包括反光面加强台阶(301)、连接台阶(302)和下沉台阶(303)；
16、所述反光面加强台阶(301)的上表面与所述特异敏感弹性梁(2)连接，具有一定厚度以在受到所述特异敏感弹性梁(2)的作用力时保证连接点区域表面平坦；
17、所述连接台阶(302)的水平截面尺寸，小于所述反光面加强台阶(301)和所述下沉台阶(303)；
18、所述下沉台阶(303)的水平截面尺寸，大于所述反光面加强台阶(301)。
19、优选的，所述台阶式质量块(3)的平面形状为相对于4个所述特异敏感弹性梁(2)的正交方向均呈轴对称的形状。
20、优选的，所述固定本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，包括自下向上依次布置的三轴加速度同步敏感结构、阵列光栅结构和光电检测阵列结构；
2.根据权利要求1所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，每个所述特异敏感弹性梁(2)的一端与所述固定框架(1)连接固定，每个所述特异敏感弹性梁(2)的另一端与所述台阶式质量块(3)的上表面边缘对应位置连接固定。
3.根据权利要求1所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述特异敏感弹性梁(2)由两侧对称的折叠弹性梁构成，与所述台阶式质量块(3)连接处为两侧折叠弹性梁分立部位，具有两个连接点，且连接点间距不大于所述台阶式质量块(3)上表面尺寸的1/10，所述特异敏感弹性梁(2)中各段直梁的垂直方向厚度不大于宽度的1/10。
4.根据权利要求3所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述特异敏感弹性梁(2)以从与所述固定框架(1)连接处到与所述台阶式质量块(3)连接处的方向为轴向，在所述特异敏感弹性梁(2)所在平面，与轴向垂直的方向为横向；与所述特异敏感弹性梁(2)所
5.根据权利要求1所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述台阶式质量块(3)由上至下依次包括反光面加强台阶(301)、连接台阶(302)和下沉台阶(303)；
6.根据权利要求5所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述台阶式质量块(3)的平面形状为相对于4个所述特异敏感弹性梁(2)的正交方向均呈轴对称的形状。
7.根据权利要求5所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述固定框架(1)、所述特异敏感弹性梁(2)和所述台阶式质量块(3)中的所述反光面加强台阶(301)，为在同一基底上加工制作的一体化结构，材料为弹性材料。
8.根据权利要求1所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述光栅衬底(5)为透光底板，所述光栅(6)为一维光栅；所述第一光栅、所述第二光栅、所述第三光栅和所述第四光栅的光栅条纹错开一定角度。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构的解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，包括自下向上依次布置的三轴加速度同步敏感结构、阵列光栅结构和光电检测阵列结构；
2.根据权利要求1所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，每个所述特异敏感弹性梁(2)的一端与所述固定框架(1)连接固定，每个所述特异敏感弹性梁(2)的另一端与所述台阶式质量块(3)的上表面边缘对应位置连接固定。
3.根据权利要求1所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述特异敏感弹性梁(2)由两侧对称的折叠弹性梁构成，与所述台阶式质量块(3)连接处为两侧折叠弹性梁分立部位，具有两个连接点，且连接点间距不大于所述台阶式质量块(3)上表面尺寸的1/10，所述特异敏感弹性梁(2)中各段直梁的垂直方向厚度不大于宽度的1/10。
4.根据权利要求3所述的一种光干涉式微集成三轴加速度传感结构，其特征在于，所述特异敏感弹性梁(2)以从与所述固定框架(1)连接处到与所述台阶式质量块(3)连接处的方向为轴向，在所述特异敏感弹性梁(2)所在平面，与轴向垂直的方向为横向；与所述特异敏感弹性梁(2)...
【专利技术属性】
技术研发人员：张萌颖，宋仙钊，王超，赵全亮，何广平，袁俊杰，赵磊，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：
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