CN109839514A - 一种具有自调零功能的高精度光学加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自调零功能的高精度加速度计，由拾振单元和感测单元构成；拾振单元由至少两片铍铜簧片利用中心固定板和外圈压环成串设置为竖向弹性支承，并利用外圈压环固定安装在环状顶盖上，在底部铍铜簧片的下表面中心位置上固定设置质量块，在质量块的底面设置第一平面反射镜；感测单元中激光器的出射光依次经由第二平面反射镜和第一平面反射镜的反射后，入射至CMOS传感器的感光面；以CMOS传感器的输出信号为加速度计的检测输出信号。本发明能够实现高灵敏度的低频振动检测，具有装调方便，成本低，适应性强等优势。

Description

一种具有自调零功能的高精度光学加速度计

技术领域

本发明涉及振动检测领域，更具体地说是一种可应用于微小振动检测的具有自调零功能的高精度光学加速度计。

背景技术

包括微纳米三坐标测量机、原子力显微镜以及高精度激光干涉仪等在内的精密测量仪器在工作中会受到外界干扰的影响，微小振动是主要干扰因素之一。比如，路面驶过一辆车、有人走过、声音等引起的微小振动都会对精密仪器的使用造成干扰。因此，需要研制高精度的微振动测量系统以实现主动隔振，系统检测的振幅的分辨率需要达到微米级，并能够进行实时高精度测量。

现有技术中的加速度计，如PZT加速度计，其灵敏度较低，灵敏度普遍在mV/g的水准；应变式加速度计因存在温漂不适用于精密测量；FBG加速度计的检测精度取决于其调制解调的精度，达到高精度所需的成本较高；MEMS加速度计需要采用微加工技术，加工成本高，此外MEMS加速度计的输出信号较弱。这些加速度计无法满足微小振动的检测的需要。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可应用于微小振动检测的具有自调零功能的高精度光学加速度计，以期获得高精度的微小振动检测进而实现低频微小振动的精确抑制，同时具有适应性强、可改装性较强、成本低、免调节和装调方便等优势。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明具有自调零功能的高精度加速度计的特点是由拾振单元和感测单元构成；

所述拾振单元，由至少两片铍铜簧片利用中心固定板和外圈压环成串设置为竖向弹性支承，所述竖向弹性支承利用外圈压环固定安装在环状顶盖上，在底部铍铜簧片的下表面中心位置上固定设置质量块，在所述质量块的底面设置第一平面反射镜；

所述感测单元，由底板和直立在底板上的支撑侧板构成检测器容腔，在所述检测容腔内分别设置激光器、CMOS传感器和第二平面反射镜；所述环状顶盖固定设置在所述支撑侧板的顶部，拾振单元中的第一平面反射镜处在所述检测容腔的顶面，所述第一平面反射镜的反射面水平向下；所述激光器的出射光依次经由第二平面反射镜和第一平面反射镜的反射后，入射至CMOS传感器的感光面上；以CMOS传感器的输出信号为加速度计的检测输出信号。

本发明具有自调零功能的高精度加速度计的特点也在于：所述铍铜簧片采用双圆环十字对称构型，具有中心盘，内环以及外环，在所述中心盘与内环之间由呈十字分布的四个内道弹性梁相连接，在所述内环与外环之间由呈十字分布的四个外道弹性梁相连接，所述内道弹性梁与外道弹性梁之间错开布置；所述中心固定板和质量块是处在中心盘所在位置，所述外圈压环是处在铍铜簧片的外环所在位置上。

本发明具有自调零功能的高精度加速度计的特点也在于：

在所述拾振单元中设置两片铍铜簧片，分别是第一铍铜簧片和第二铍铜簧片；

所述拾振单元的内圈从上到下依次为：由螺钉沿轴向固定的第一中心固定板、第一铍铜簧片的中心盘、第二中心固定板、第二铍铜簧片的中心盘、质量块和第一平面反射镜；

所述拾振单元的外圈从上到下依次为：由螺钉沿轴向固定的第一压环、第一铍铜簧片的外环、第二压环和第二铍铜簧片的外环。

本发明具有自调零功能的高精度加速度计的特点也在于：所述感测单元中的所述激光器的出射光以45°角入射到第二平面反射镜，由所述第二平面反射镜反射的反射光同样以45°角入射到第一平面反射镜，由所述第一平面反射镜反射的反射光垂直入射至CMOS传感器的感光面。

本发明具有自调零功能的高精度加速度计的特点也在于：所述CMOS传感器包括传感器本体和感光面；当外界温度变化或者其他因素影响使初始入射到感光面上的光点发生偏移时，根据CMOS传感器的输出信号确定感光面上的光点当前位置，并以所述光点当前位置作为坐标零点进行数据处理，实现自调零功能。

本发明具有自调零功能的高精度加速度计的特点也在于：所述拾振单元是通过更换不同厚度的铍铜簧片以及不同质量的质量块，从而实现不同的频率检测范围，拓宽其应用范围。

本发明具有自调零功能的高精度加速度计的特点也在于：将所述CMOS传感器替换为四象限光电感测器QPD或位置敏感检测器PSD。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明可以实现微小振动检测；

2、本发明采用双铍铜簧片构成竖向弹性支承，能够有效抑制质量块的水平摆动，有效提高加速度计的检测精度；

3、本发明采用CMOS传感器作为感测器件，光路简单、检测精度高；

4、本发明采用CMOS传感器作为感测器件，通过后处理系统能实现自动调零，因此无需设置调零机构，提高了加速度计的稳定性。

附图说明

图1为本发明外形示意图；

图2为本发明内部结构示意图；

图3为本发明中拾振器组件结构示意图；

图4为本发明中拾振器组件分解示意图；

图5为本发明中簧片形状示意图；

图6为本发明中CMOS传感器示意图；

图7为本发明中CMOS传感器自调零功能示意图；

图8为本发明中光路示意图；

图中标号：1拾振单元，1a第一中心固定板，1b第一压环，1c第一铍铜簧片，1d第二中心固定板，1e第二压环，1f第二铍铜簧片，1g质量块，1h第一平面反射镜，2环状顶盖，3感测单元，4支撑侧板，5为CMOS传感器，5b感光面，5c光点，6底板，7第二平面反射镜，8激光器，11中心盘，12内环，13外环，14内道弹性梁，15外道弹性梁。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中具有自调零功能的高精度加速度计是由拾振单元1和感测单元3构成。

如图3和图4所示，拾振单元1由至少两片铍铜簧片利用中心固定板和外圈压环成串设置为竖向弹性支承，竖向弹性支承利用外圈压环固定安装在环状顶盖2上，在底部铍铜簧片的下表面中心位置上固定设置质量块1g，在质量块1g的底面设置第一平面反射镜1h；

如图2所示，感测单元3由底板6和直立在底板6上的支撑侧板4构成检测器容腔，在检测容腔内分别设置激光器8、CMOS传感器5和第二平面反射镜7；环状顶盖2固定设置在支撑侧板4的顶部，拾振单元1中的第一平面反射镜1h处在检测容腔的顶面，第一平面反射镜的反射面水平向下；激光器8的出射光依次经由第二平面反射镜和第一平面反射镜的反射后，入射至CMOS传感器5的感光面5b上；以CMOS传感器5的输出信号为加速度计的检测输出信号。

具体实施中，如图4和图5所示，铍铜簧片采用双圆环十字对称构型，具有中心盘11，内环12以及外环13，在中心盘11与内环12之间由呈十字分布的四个内道弹性梁14相连接，在内环12与外环13之间由呈十字分布的四个外道弹性梁15相连接，内道弹性梁14与外道弹性梁15之间错开布置；中心固定板和质量块是处在中心盘11所在位置，外圈压环是处在铍铜簧片的外环所在位置上。

本实施例中在拾振单元设置两片铍铜簧片，为第一铍铜簧片1c和第二铍铜簧片1f；拾振单元1的内圈从上到下依次为：由螺钉沿轴向固定的第一中心固定板1a、第一铍铜簧片1c的中心盘、第二中心固定板1d、第二铍铜簧片1f的中心盘、质量块1g和第一平面反射镜1h；拾振单元1的外圈从上到下依次为：由螺钉沿轴向固定的第一压环1b、第一铍铜簧片1c的外环、第二压环1e和第二铍铜簧片1f的外环，设置双铍铜簧片的结构形式，提高了拾振单元的竖直向刚度，抑制了质量块的水平向摆动的影响，提高了加速度计的检测精度。

参见图8，综合考虑加速度计灵敏度和加工难度，设置感测单元3中的激光器8的出射光以45°角入射到第二平面反射镜7，由第二平面反射镜7反射的反射光同样以45°角入射到第一平面反射镜1h，由第一平面反射镜1h反射的反射光垂直入射至CMOS传感器的感光面5b。

参见图6和图7，本实施例中采用CMOS传感器作为核心传感元件，对于一个确定的CCD敏感面尺寸，可以确定合适的光斑直径，以确保光斑不会因为漂移而跑出CCD的敏感面，通过后处理软件实现自定标调零，使加速度计实现免调节使用，提高了加速度计的可靠性；CMOS传感器5包括传感器本体5a和感光面5b；当外界温度变化或者其他因素影响使初始入射到感光面5b上的光点5c发生偏移时，根据CMOS传感器5的输出信号确定感光面5b上的光点当前位置，并以光点当前位置作为坐标零点进行数据处理，实现自调零功能。

具体实施中，拾振单元3是通过更换不同厚度的铍铜簧片以及不同质量的质量块，从而实现不同的频率检测范围，拓宽其应用范围；也可以将CMOS传感器5替换为四象限光电感测器QPD、位置敏感检测器PSD或其它光电传感器，在不改变光路的情况下，可以实现更高的检测精度或者更宽范围的加速度检测，拓宽其应用范围。

本实施例中选用的CMOS传感器的型号为：Basler acA4600-10uc(Basler Co.)，表1所示为Basler acA4600-10uc型CMOS传感器的性能参数，表2所示为本发明所能实现的性能参数。

表1

靶面尺寸	1/2.3寸
		水平/垂直分辨率	4608×3288
分辨率	14MP
		帧速率	10fps

表2

最小可检测频率	0.4Hz
		灵敏度	17.4V/g
最小可检测加速度	3×10<sup>-4</sup>g
		噪声等效加速度	16μg(Hz)<sup>-1/2</sup>

本发明通过采用高精度的CMOS传感器，配合具有高灵敏和高稳定性的拾振器，由基于DSP芯片的高精度外部处理电路、图像采集卡以及自调零数据检测，可以实现频率0.4Hz，加速度低至3×10^-4g的微小振动检测，加速度计的灵敏度为17.4V/g，精确实现微小振动的检测。

Claims (7)

1.一种具有自调零功能的高精度加速度计，其特征是由拾振单元(1)和感测单元(3)构成；

所述拾振单元(1)，由至少两片铍铜簧片利用中心固定板和外圈压环成串设置为竖向弹性支承，所述竖向弹性支承利用外圈压环固定安装在环状顶盖(2)上，在底部铍铜簧片的下表面中心位置上固定设置质量块(1g)，在所述质量块(1g)的底面设置第一平面反射镜(1h)；

所述感测单元(3)，由底板(6)和直立在底板(6)上的支撑侧板(4)构成检测器容腔，在所述检测容腔内分别设置激光器(8)、CMOS传感器(5)和第二平面反射镜(7)；所述环状顶盖(2)固定设置在所述支撑侧板(4)的顶部，拾振单元(1)中的第一平面反射镜(1h)处在所述检测容腔的顶面，所述第一平面反射镜的反射面水平向下；所述激光器(8)的出射光依次经由第二平面反射镜和第一平面反射镜的反射后，入射至CMOS传感器(5)的感光面(5b)上；以CMOS传感器(5)的输出信号为加速度计的检测输出信号。

2.根据权利要求1所述的具有自调零功能的高精度加速度计，其特征是：所述铍铜簧片采用双圆环十字对称构型，具有中心盘，内环以及外环，在所述中心盘与内环之间由呈十字分布的四个内道弹性梁相连接，在所述内环与外环之间由呈十字分布的四个外道弹性梁相连接，所述内道弹性梁与外道弹性梁之间错开布置；所述中心固定板和质量块是处在中心盘所在位置，所述外圈压环是处在铍铜簧片的外环所在位置上。

3.根据权利要求2所述的具有自调零功能的高精度加速度计，其特征是：

在所述拾振单元中设置两片铍铜簧片，分别是第一铍铜簧片(1c)和第二铍铜簧片(1f)；

所述拾振单元(1)的内圈从上到下依次为：由螺钉沿轴向固定的第一中心固定板(1a)、第一铍铜簧片(1c)的中心盘、第二中心固定板(1d)、第二铍铜簧片(1f)的中心盘、质量块(1g)和第一平面反射镜(1h)；

所述拾振单元(1)的外圈从上到下依次为：由螺钉沿轴向固定的第一压环(1b)、第一铍铜簧片(1c)的外环、第二压环(1e)和第二铍铜簧片(1f)的外环。

4.根据权利要求1所述的具有自调零功能的高精度加速度计，其特征是：所述感测单元(3)中的所述激光器(8)的出射光以45°角入射到第二平面反射镜(7)，由所述第二平面反射镜(7)反射的反射光同样以45°角入射到第一平面反射镜(1h)，由所述第一平面反射镜(1h)反射的反射光垂直入射至CMOS传感器的感光面(5b)。

5.根据权利要求4所述的具有自调零功能的高精度加速度计，其特征是：所述CMOS传感器(5)包括传感器本体(5a)和感光面(5b)；当外界温度变化或者其他因素影响使初始入射到感光面(5b)上的光点(5c)发生偏移时，根据CMOS传感器(5)的输出信号确定感光面(5b)上的光点当前位置，并以所述光点当前位置作为坐标零点进行数据处理，实现自调零功能。

6.根据权利要求1所述的具有自调零功能的高精度加速度计，其特征是：所述拾振单元(3)是通过更换不同厚度的铍铜簧片以及不同质量的质量块，从而实现不同的频率检测范围，拓宽其应用范围。

7.根据权利要求1所述的具有自调零功能的高精度加速度计，其特征是：将所述CMOS传感器(5)替换为四象限光电感测器QPD或位置敏感检测器PSD。