采用GRIN透镜的数字式光纤加速度计系统的设计

　　1引言

　　近年来，用于测量各种物理量的强度调制型光纤加速度计的研究非常活跃。利用GRIN透镜在1/4波节处具有入射光线与出射光线成中心对称的特性llj，制成了一种光纤加速度计，其原理结构图如图1所示。

　　其工作原理为:当有加速度a存在时，敏感质量m上将产生惯性力ma，从而使与质量

　　块m相连的GRIN透镜产生微位移x。微位移x是指GRIN的光轴偏离了发射、接收光纤之对称中心。

　　光传输理论证明川:微位移的变化会引起接受光纤中祸合光功率T(x)的变化。因此利用测量输出光功率则可以测量出加速度的值。为提高光纤加速度计的测量性能，研制中采用具有反馈回路的数字式系统设计。一般的模拟式加速度计系统与惯导机载计算机的输入一输出通道接口需要模数转换装置，在数字式加速度计系统中则可以不用，同时由于采用了负反馈技术，在回路内转换比在回路外模数转换所产生的误差小。数字式加速度计系统还改善了系统的线性度。

　　2数字式加速度计系统

　　本文所研制的表头Go(s)误差信号处理器调宽脉冲加速度计系统(参见图2)由表头(包括光纤传感器、摆组件、力矩器)、误差信号处理器(光电检测、信号放大器、带通滤波器、解调器、补偿网络)、脉宽调制器(PWM)(比较器、保持器)、恒流源、极性开关和显示器等组成。

　　2.1加速度计的表头传递函数

　　根据牛顿第二定律，质量块(摆组件)的位移x与外力矩T之间微分方程为:

　　2.2GRIN透镜加速度计系统的线性度

　　假设光纤加速度计在垂直于GRIN透镜轴线方向上有加速度输入，当GRIN透镜的轴线相对于入射和出射光纤对有微位移x，光纤的直径为d时，根据光线在GRn，透镜中传播路径的光线矩阵分析川，可以获得光功率传递函数T(x)，此时出射光斑与接收光纤的测量原理图如图5，它的传递函数可表示为:

　　由图6可看出:输入输出的线性范围从卜0.6，刃.11到[0.1，0.6]的单位为七心，光功率输出的线性范围比较宽。

　　2.3脉冲调宽再平衡回路的精度

　　由加速度计的传递函数的分析可知，具有脉冲再平衡回路的加速度计，其测量方程为:

　　3二元调宽脉冲回路的设计

　　3.1工作原理

　　加速度计系统调宽脉冲再平衡回路，本质上是一个非线性强迫振荡系统。在设计中，严格控制强迫振荡的摆幅，使其极限环的摆幅小到可以忽略不计的程度，以致于可以近似地将整个系统看作线性系统。其系统方框图如图7所示。