基于PSD的激光加速度测量技术研究

　　0　引言

　　加速度计广泛地应用于导弹的制导、飞机的导航、人造卫星的姿态控制、刹车控制系统、大型电器设备的振动遥测以及石油的地震勘探等多个领域。

　　目前,加速度计主要朝以下两种方向发展:一种是对现有的常规加速度计的结构和元件进行改进,以提高仪表的性能;二是研制其它非常规的新型加速度计,例如:挠性、静电、光纤、激光、固体等加速度计。

　　本文利用高灵敏度光电位置传感器PSD (Position Sensi2tive Detector)设计了一种激光加速度计。

　　1　PSD工作原理

　　PSD一般做成P+IN结构,具有一般PIN光电二极管类似的优点,即由于I区较厚而具有更高的光电转换效率,更高的灵敏度和响应速度。其基本工作原理是基于横向光电效应[1]。如图1所示,表面P+层为感光面,也是一层均匀的电阻膜,两边各有一信号输出电极。中间为I层,底层的公共电极是用来加反偏电压的。当入射光照射到光敏面上某点,产生电荷,由于存在平行于结面的横向电场作用,使光生载流子形成向两端电极流动的电流I1, I2,它们之和等于总电流I0.由于PSD面电阻是均匀的,且其阻值R1、R2远大于负载电阻RL,则R1、R2的值仅取决于光点的位置,有关系式

2　测量原理

　　加速度计的工作原理是基于经典的牛顿力学定律[2],其原理结构图如图2所示。在惯性空间设置质量为m的质量块,以感知被测件作加速度运动时产生的惯性力或位移,测量出此惯性力或位移即可测量出相应的加速度。

　　3　光路分析

　　光源发出的光经过光学系统准直后入射到质量块之间的反射面上,在两反射镜之间构成多次反射光学系统[3],通过PSD上光点的位置变化信号输出,解调出敏感质量块的位移变化量x,从而可测量出加速度。光路原理图如图3所示。

　　当加速度为0时,入射到PSD上光点在其中点处;当加速度为a时,敏感质量块的位移变化量为x,入射到PSD上光点距PSD中点的距离为d,则

　　由图4x-d关系曲线可以看出, d的变化范围受L1(PSD中点到信号电极间的距离)影响。另外,α愈大,则直线的倾角愈大,灵敏度愈高,但位移变化量x变化范围愈小。

4　动态分析

　　根据牛顿第二定律,质量块的位移x (t)与外力Fin(t)之间的微分方程为:

　　由式(7)可看出,系统的高灵敏度需要低的固有谐振频率,那么此时由外界加速度引起的敏感质量块的位移变化量则较大,这样可能导致系统的电气部分达到饱和,而无法准确测量外界加速度。所以,应该在系统中加入反馈回路,将敏感质量块包围在反馈回路中,使其位移变化量较小,从而达到精确的测量结果。