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高精度新型激光加速度计，尤其是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. 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. 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. 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型腔双频激光器和气体膜盒组成。S光 和P光被一偏振分光膜分开，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、氙气等)，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。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4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 当垂直于超薄膜片方向输入的加速度为a时，超薄膜片上所受均匀载荷为q。=P。at，其中P。为超薄膜片材料的密度，t为超薄膜片的厚度。根据弹性力学知识(徐芝纶.弹性力学简明教程.北京高等教育出版社，2002. 200 203.)，对于固定边圆形平面膜片受均匀载荷q0时，超薄膜片上距离圆心r处的挠度为<formula>formula see original document page 5</formula> 其中<formula>formula see original document page 5</formula>「为超薄膜片的弯曲刚度，P为超薄膜片材料的泊松比，E为其杨氏模』-y为超薄膜片半径。发生弹性形变后的超薄膜片与其初始平面围成的几何体体积即为加速度引起的气体膜盒体积的变化。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<formula>formula see original document page 5</formula>积为<formula>formula see original document page 5</formula>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<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，k为传感气体管长，小为传感气体管直径，e工为气体膜盒的上半部分高度c由式(2)和式(3)可得，加速度a引起的传感气体的密度变化为<formula>formula see original document page 5</formula>由格拉德斯通-戴尔(Gladstone-Dale)公式-<formula>formula see original document page 5</formula>(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<formula>formula see original document page 5</formula> 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1 iV.c V =. = v0 ~t^1~^ A巧2 Wl A则传感气体的折射率变化引起谐振频率变化为"广A+vA) — (5) 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(4)代入(5)式可得，加速度a引起的谐振频率变化A v为△ V =1 A)(1-A2)vot及616五"、2 2、2乂(6) 令上式中/。=16 /i五丄',〃q、2、LSF = f。^，贝U (6)式可写为v2乂 A v = SF a (7) 其中f。仅与超薄膜片的材料有关，^与加速度计的结构及气体膜盒的参数有关，SF为单支Y型双频激光器敏感加速度的比例因子。 对加速度计中的两支Y型腔双频激光器，由于加速度引起的传感气体折射率变化趋势相反，当垂直于超薄膜片方向输入的加速度为a时，它们的拍频输出分别为AVl = a和Av2 = -SF2 a，那么加速度计的输出信号即为上下两支本文档来自技高网...

【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】

【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：43[中国|湖南]