【技术实现步骤摘要】
本申请涉及传感器，尤其涉及一种光电三维加速度计。
技术介绍
1、近年来，国家越来越重视科技兴农。高光谱分辨率遥感作为一种全新的遥感探测技术，在农林、地质、生态环境甚至军事等领域都具有重要的应用价值与广阔的发展前景。为了获得精确的高光谱遥感测量数据，搭载高光谱成像设备的航拍飞行器需要借助空间加速度传感器，以向飞行器的位置姿态测量系统提供精确的三维角加速度信息。
2、目前，作为导航用加速度计，基于塞格纳克原理的光纤陀螺与基于哥氏振动原理的半球陀螺谐振子在商业上获得了较多实际应用。然而以上二者的信号解调电路均较为复杂，半球谐振陀螺的高难度制造工艺更是令低良品率与高成本问题长期难易逾越。
3、光栅传感器由于具有体积小、重量轻、带宽宽、抗干扰能力强等优点，近年来受到广泛的关注。现有的光纤三维加速度传感器包括惯性摆(传感单元)、光学系统和电子器件。惯性摆包括弹性金属薄片和通过微柔性梁固定在弹性金属薄片两个端面上的立方角棱镜。其中一个棱镜上覆盖了一个正交全息光栅。光学系统包括光源和全光纤迈克尔逊干涉。光电检测方案为拼接两块ccd传感器组成成像阵列，并切割此二者pcb基板为入射激光提供通路。光信号通过光电管转化为电子信号，再在记录由光程差引起的干涉条纹的移动数，最后通过计数电路转换为加速度数据并输出。由此，利于立方角棱镜的全反射和正交全息光栅的光谱特性，可以同时测量三维加速度的两个水平分量，而铅直分量可以通过弹性金属薄片的弹性变形来确定。
4、现有的光纤三维加速度传感器存在以下缺点：
5、1、由于
6、2、由于空间加速度的平面分量与纵向分量共用一个膜片的形变反馈，因此需要通过有限元仿真推算出三者间的耦合系数进行解耦，这种模型不利于精确获取真实飞行数据。
7、3、其中的膜梁与光栅棱镜之间通过焊接剂粘贴，加工成本高且存在冲击载荷下胶合失效的风险。光栅棱镜组合是在棱镜底面胶合二维的正交衍射光栅，其中棱镜为了减少透射率而需涂覆增反膜，正交衍射光栅由于自身全息照相工艺而较难制作和切割，因此该光学结构体积较大且成本依旧高昂。
8、4、光电检测方案为拼接两块ccd传感器组成成像阵列，并切割此二者pcb基板为入射激光提供通路，该结构的缺点如下：①入射光从光学器件正下方垂直入射，而射头的安置在纵向上无谓的增加了封装尺寸；②由于ccd难以做到无缝拼接从而造成部分区域无法获取干涉条纹、以及对pcb基板进行二次加工可能导致报废率上升；③单片正交光栅作为非标准光学器件，其上游库存水平导致自身供货周期的不稳定性，并且大幅推高了生产物料的采购成本。
技术实现思路
1、本申请的实施例提供一种光电三维加速度计，不仅膜梁结构简单、加工成本更低，可以节省一套光学系统，而且无需进行软解耦即可得到三个加速度值，有利于精确获取真实飞行数据，还提高了膜梁结合处的连接可靠性，同时具有光学结构体积较小、成本较低的优点。
2、为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种光电三维加速度计，包括三维角加速度惯性摆、激光光源、光纤分束器、光路调制组件、定向反射与衍射分光系统、马赫泽德干涉系统和光电处理系统；定向反射与衍射分光系统连接在三维角加速度惯性摆的下端中心处；定向反射与衍射分光系统包括光栅区域和位于光栅区域外周的非光栅区域；激光光源发射的激光脉冲信号经光纤分束器后分为两路，包含三维角加速度的水平向分量信息的第一路脉冲信号经光路调制组件折射后穿过光栅区域，再经立方角锥反射棱镜的全反射后，出射光折转并再次穿过光栅区域并被再次分光出两束相干光；包含三维角加速度的铅直向分量信息的第二路脉冲信号在经由分束镜后分为半反射光路脉冲信号和半透射光路脉冲信号，半反射光路脉冲信号穿过定向反射与衍射分光系统的非光栅区域再经立方角锥反射棱镜的全反射后，出射光进入马赫泽德干涉系统中；半透射光路脉冲信号进入马赫泽德干涉系统中并与半反射光路脉冲信号发生干涉；当三维角加速度惯性摆发生转动时，光电处理系统能够探测到两组干涉条纹的移动，并将其转换为三个加速度值输出。
3、进一步地，所述三维角加速度惯性摆为高弹性模量的锰铬合金材料一体加工制成的金属膜梁复合结构；金属膜梁复合结构包括顶部的圆形薄膜片、底部的圆柱配重和中间的铁木辛柯挠性微梁；金属膜梁复合结构通过车床车削加工后，再通过磨床磨削加工而成。
4、进一步地，所述定向反射与衍射分光系统包括外螺纹套筒支架以及依次设置在外螺纹套筒支架内的光学树脂透镜和立方角锥反射棱镜；光学树脂透镜内依次设有第一一维衍射光栅片和第二一维衍射光栅片；第一一维衍射光栅片与第二一维衍射光栅片的光学参数相同且光栅刻线方向相互垂直；第一一维衍射光栅片与第一一维衍射光栅片和立方角锥反射棱镜之间均设有矩形垫圈；第一一维衍射光栅片与第二一维衍射光栅片的面积均小于立方角锥反射棱镜的底面积。
5、进一步地，所述外螺纹套筒支架采用轻质铝合金加工而成；其上下端面上分别开设上锥孔和下锥孔；上锥孔用于对所述立方角锥反射棱镜的锥顶进行限位，下锥孔用于给穿过所述第一一维衍射光栅片和第二一维衍射光栅片的光束提供入射和出射光路。
6、进一步地，所述光学树脂透镜为中心设有方形安装槽的盘状结构；所述第一一维衍射光栅片、第二一维衍射光栅和矩形垫圈均安装在方形安装槽内。
7、进一步地，所述光学树脂透镜的方形安装槽内部区域形成所述光栅区域，外部区域形成所述非光栅区域。
8、进一步地，所述圆柱配重与所述外螺纹套筒支架之间通过螺纹连接。
9、进一步地，所述马赫泽德干涉系统包括分束镜、补偿镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和合束镜；分束镜与补偿镜、第一平面反射镜的光心同轴；第二平面反射镜与合束镜的光心同轴，且两组同轴透镜组分别配置于上下两个平行的水平面上。
10、进一步地，所述光电处理系统包括四象限光敏二极管、ccd探测器和干涉条纹计数电路；干涉条纹计数电路与四象限光敏二极管和ccd探测器均通信连接；四象限光敏二极管位于圆板玻璃支架的下方，且其光敏单元中心与所述立方角椎反射棱镜的底面圆心同轴；ccd探测器位于所述合束镜的光输出侧，且其光敏单元中心与所述第二平面反射镜和所述合束镜的镜心同轴；干涉条纹计数电路能够将四象限光敏二极管、ccd探测器探测到光信号转换为三个方向的加速度值。
11、进一步地，所述光路调制组件包括直角反射镜和圆板玻璃支架；直角反射镜设置在圆板玻璃支架上，且位于光学树脂透镜光心的正下方；直角反射镜的斜面上镀有半透半反膜。
12、本申请相比现有技术具有以下有益效果：
13、1、本申请实施例利用金属膜梁复合结构自身高刚度所带来的小惯性角特性，通过限制两个一维衍射光栅片的面积，使它们与光学树脂透镜将立本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光电三维加速度计，其特征在于，包括三维角加速度惯性摆、激光光源、光纤分束器、光路调制组件、定向反射与衍射分光系统、马赫泽德干涉系统和光电处理系统；
2.根据权利要求1所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述三维角加速度惯性摆为高弹性模量的锰铬合金材料一体加工制成的金属膜梁复合结构；金属膜梁复合结构包括顶部的圆形薄膜片、底部的圆柱配重和中间的铁木辛柯挠性微梁；金属膜梁复合结构通过车床车削加工后，再通过磨床磨削加工而成。
3.根据权利要求2所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述定向反射与衍射分光系统包括外螺纹套筒支架以及依次设置在外螺纹套筒支架内的光学树脂透镜和立方角锥反射棱镜；光学树脂透镜内依次设有第一一维衍射光栅片和第二一维衍射光栅片；第一一维衍射光栅片与第二一维衍射光栅片的光学参数相同且光栅刻线方向相互垂直；第一一维衍射光栅片与第一一维衍射光栅片和立方角锥反射棱镜之间均设有矩形垫圈；第一一维衍射光栅片与第二一维衍射光栅片的面积均小于立方角锥反射棱镜的底面积。
4.根据权利要求3所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述外螺纹套筒支架采
5.根据权利要求4所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述光学树脂透镜为中心设有方形安装槽的盘状结构；所述第一一维衍射光栅片、第二一维衍射光栅和矩形垫圈均安装在方形安装槽内。
6.根据权利要求5所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述光学树脂透镜的方形安装槽内部区域形成所述光栅区域，外部区域形成所述非光栅区域。
7.根据权利要求6所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述圆柱配重与所述外螺纹套筒支架之间通过螺纹连接。
8.根据权利要求7所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述马赫泽德干涉系统包括分束镜、补偿镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和合束镜；分束镜与补偿镜、第一平面反射镜的光心同轴；第二平面反射镜与合束镜的光心同轴，且两组同轴透镜组分别配置于上下两个平行的水平面上。
9.根据权利要求8所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述光电处理系统包括四象限光敏二极管、CCD探测器和干涉条纹计数电路；干涉条纹计数电路与四象限光敏二极管和CCD探测器均通信连接；四象限光敏二极管位于圆板玻璃支架的下方，且其光敏单元中心与所述立方角椎反射棱镜的底面圆心同轴；CCD探测器位于所述合束镜的光输出侧，且其光敏单元中心与所述第二平面反射镜和所述合束镜的镜心同轴；干涉条纹计数电路能够将四象限光敏二极管、CCD探测器探测到光信号转换为三个方向的加速度值。
10.根据权利要求9所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述光路调制组件包括直角反射镜和圆板玻璃支架；直角反射镜设置在圆板玻璃支架上，且位于光学树脂透镜光心的正下方；直角反射镜的斜面上镀有半透半反膜。
...【技术特征摘要】
1.一种光电三维加速度计，其特征在于，包括三维角加速度惯性摆、激光光源、光纤分束器、光路调制组件、定向反射与衍射分光系统、马赫泽德干涉系统和光电处理系统；
2.根据权利要求1所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述三维角加速度惯性摆为高弹性模量的锰铬合金材料一体加工制成的金属膜梁复合结构；金属膜梁复合结构包括顶部的圆形薄膜片、底部的圆柱配重和中间的铁木辛柯挠性微梁；金属膜梁复合结构通过车床车削加工后，再通过磨床磨削加工而成。
3.根据权利要求2所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述定向反射与衍射分光系统包括外螺纹套筒支架以及依次设置在外螺纹套筒支架内的光学树脂透镜和立方角锥反射棱镜；光学树脂透镜内依次设有第一一维衍射光栅片和第二一维衍射光栅片；第一一维衍射光栅片与第二一维衍射光栅片的光学参数相同且光栅刻线方向相互垂直；第一一维衍射光栅片与第一一维衍射光栅片和立方角锥反射棱镜之间均设有矩形垫圈；第一一维衍射光栅片与第二一维衍射光栅片的面积均小于立方角锥反射棱镜的底面积。
4.根据权利要求3所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述外螺纹套筒支架采用轻质铝合金加工而成；其上下端面上分别开设上锥孔和下锥孔；上锥孔用于对所述立方角锥反射棱镜的锥顶进行限位，下锥孔用于给穿过所述第一一维衍射光栅片和第二一维衍射光栅片的光束提供入射和出射光路。
5.根据权利要求4所述的光电三维加速度计，其特征在于，所述光学树脂透镜为中心设有方形安装槽的盘状结构；所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈月娥，杨震，鲁杰，郑相峰，文桂林，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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