具体实施方式

正如背景技术所述，石英挠性加速度计的挠性摆片一般由石英玻璃、镀金膜层和力矩线圈组成，加速度计输出一般采用电容式检测方法，由于挠性摆片产生的位移非常微小，其电容变化也会非常小，因此电容式检测方法精度和灵敏度很难提高。电容值的变化和线圈温度变化的影响相互耦合，使得加速度计的输出误差难以分离。

为了解决上述问题，本申请的核心思想在于提供一种挠性摆片位移测试装置及测试方法，用于测试石英加速度计的挠性摆片受温度影响的位移，所述挠性摆片包括摆舌及设置于所述摆舌上的线圈，所述摆舌的部分表面覆盖有镀金膜层形成反射区。

所述挠性摆片位移测试装置包括光源、分光板、温度调节器、第一反射镜组及光电探测器，所述光源发出的平行光在所述分光板处反射及透射后分别形成第一检测光及第二检测光，所述第一检测光经所述分光板反射至所述第一反射镜组，经所述第一反射镜组反射后再次经过所述分光板，再经所述分光板透射后被所述光电探测器接收，所述第二检测光经所述分光板透射至所述反射区，经所述反射区反射后再次经过所述分光板，再经所述分光板反射后被所述光电探测器接收，所述温度调节器用于调节所述线圈的温度，根据所述光电探测器接收的光程信息获取所述挠性摆片在设定温度下的第一位移。

所述挠性摆片位移测试方法利用如上所述的挠性摆片位移测试装置测试石英加速度计的挠性摆片受温度影响的位移，包括以下步骤：

步骤S1、调整好分光板、第一反射镜组、挠性摆片及光电探测器的位置；

步骤S2、通过温度调节器设定好所述挠性摆片的线圈的温度；

步骤S3、启动所述光源，使所述光源发出的平行光在所述分光板处反射及透射后分别形成第一检测光及第二检测光，所述第一检测光经所述分光板反射至所述第一反射镜组，经所述第一反射镜组反射后再次经过所述分光板，再经所述分光板透射后被所述光电探测器接收，所述第二检测光经所述分光板透射至所述挠性摆片的反射区，经所述反射区反射后再次经过所述分光板，再经所述分光板反射后被所述光电探测器接收，根据所述光电探测器接收的光程信息获取所述挠性摆片在设定温度下的第一位移。

本申请基于光学干涉原理，考虑到摆舌的部分表面覆盖有镀金膜层，所述镀金膜层的反光性能好，可相当于反光镜，然后通过模拟所述线圈的温度变化，采用光学相位测量方法来测量所述石英加速度计的挠性摆片受温度影响的微小位移，解决了传统的电容式检测方法存在的分辨率低、噪声大、精度低以及靠时间积分导致的响应时间慢的问题，从而提高了石英加速度计的输出精度。

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。

如图1-图2所示，图1为本发明实施例提供的挠性摆片位移测试装置的示意图，图2为本发明实施例提供的挠性摆片的示意图。本实施例提供了一种挠性摆片位移测试装置，用于测试石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的位移，所述挠性摆片1包括摆舌10及设置于所述摆舌10上的线圈11，所述摆舌10的部分表面覆盖有镀金膜层形成反射区100，所述挠性摆片位移测试装置包括光源2、分光板3、温度调节器、第一反射镜组4及光电探测器5，所述光源2发出的平行光在所述分光板3处反射及透射后分别形成第一检测光及第二检测光，所述第一检测光经所述分光板3反射至所述第一反射镜组4，经所述第一反射镜组4反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3透射后被所述光电探测器5接收，所述第二检测光经所述分光板3透射至所述反射区100，经所述反射区100反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3反射后被所述光电探测器5接收，所述温度调节器用于调节所述线圈11的温度，根据所述光电探测器5接收的光程信息获取所述挠性摆片1在设定温度下的第一位移。

具体的，请参照图2，所述挠性摆片1通常包括摆舌10、线圈11、挠性梁12及外环13，所述摆舌10的材质通常为石英玻璃，所述线圈11固定于所述摆舌10上，所述外环13环绕设置于所述摆舌10外，所述摆舌10通过所述挠性梁12与所述外环13连接，当所述线圈11通电时(即温度发生时)，会引起所述摆舌10相对所述外环13摆动，即产生微小的位移，故本申请对于所述挠性摆片1的位移测试实质上是对所述摆舌10的微小位移进行测试。

当所述线圈11温度发生变化时，所述挠性摆片1产生微小位移，所述第一检测光与所述第二检测光因具有不同光程汇合产生干涉，形成干涉条纹被所述光学光电探测器5探测，故可根据所述光电探测器5中观察到的光程变化计算得到所述挠性摆片1受温度影响的位移。例如，当所述挠性摆片1产生的微小位移使所述第二检测光的光路距离减小，若观察到的是等厚条纹，则条纹向膜的较厚的方向移动；若观察的是等倾条纹，这时条纹向中心收缩。每移动一个条纹，所述挠性摆片1产生的微小位移是λ/2。因此，利用光学相位检测便可以将石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的位移与平行光的波长λ联系起来，其表达式为：

Δh₁＝Nλ/2

其中，Δh₁为所述挠性摆片1在所述设定温度下的第一位移，N为所述光电探测器5中视场中心移动条纹的数目，λ为所述光源2发出的平行光的波长。

本实施例中，所述光源2可采用氦氖激光器21，氦氖激光器21发射的激光与普通光源2相比具有更好的单色性、高定向性、相干性及高亮度性，氦氖激光器21发射出的激光存在一定的发散角，配合扩束镜组22可得到平行的单色光即平行光，所述氦氖激光器21的波长已知，例如为632.8nm。

所述温度调节器用于调节所述线圈11的温度，模拟石英加速度计测量加速度时线圈11通电产生的温度变化，以便于测试所述挠性摆片1受温度影响的位移，所述温度调节器例如为恒温箱，所述挠性摆片1放置于所述恒温箱内。当然，所述温度调节器也可以采用其他能够调节所述线圈11温度变化的设备，例如对所述线圈11通电的设备。

分光板3属于反射棱镜，是一种复合棱镜，它是将一块镀有中性分光膜的直角陵镜与另一块尺寸相同的直角棱镜胶合在一起，可以将一束光分成任意光强比的两束光。我们所使用的分光镜能够将入射的平行光一半反射一半透射，即半反半透镜，所述平行光的光强被减弱一定程度后被所述光电探测器5接收。

本实施例中，所述光电探测器5例如是CCD。CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成，它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。在CCD中，电荷包是由于入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的，因此CCD具有良好的光电转换特性。同时，CCD还具有良好的光谱效应，当所述第一检测光及所述第二检测光被所述CCD接收后，产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，使得光谱响应曲线出现若干个波峰和波谷，即发生起伏，然后可通过电信号输入视场中心移动条纹的数目。

进一步的，所述挠性摆片位移测试装置还包括会聚镜组6，所述第一检测光及所述第二检测光经所述会聚镜组6会聚后被所述光电探测器接收。

本实施例中，所述分光板3与所述平行光的入射方向呈45°设置，所述第一反射镜组4平行于所述平行光的入射方向，所述挠性摆片1垂直于所述平行光的入射方向。

进一步的，由于所述摆舌10的材质为石英玻璃，石英玻璃的透光性能较好，为了提高对挠性摆片1受温度影响的位移的计算精度，本申请还考虑了线圈11温度变化引起的挠性摆片1的热膨胀误差。

具体的，请参照图3，图3为本发明实施例提供的热膨胀误差的测试示意图，所述摆舌10上未覆盖所述镀金薄膜的区域为透射区110，所述挠性摆片位移测试装置还包括第二反射镜组7，所述光源2发出的平行光在所述分光板3处反射及透射后分别形成第三检测光及第四检测光，所述第三检测光经所述分光板3反射至所述第一反射镜组4，经所述第一反射镜组4反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3透射后被所述光电探测器5接收，所述第四检测光经所述分光板3透射至所述透射区110，经所述透射区110透射至所述第二反射镜组7，经所述第二反射镜组7反射至所述透射区110，经所述透射区110透射至所述分光板3，再经所述分光板3反射后被所述光电探测器5接收，根据所述光电探测器5接收的光程信息获取所述挠性摆片1在设定温度下的热膨胀误差，根据所述挠性摆片1的第一位移及所述热膨胀误差得到所述挠性摆片1的第二位移。

所述摆舌10上未覆盖所述镀金薄膜的区域相当于透射镜，所述第三检测光与所述第四检测光因具有不同光程汇合产生干涉，形成干涉条纹被所述光学光电探测器5探测，所述线圈11的温度发生变化时，由于热传导使得所述摆舌10发生热膨胀，使得光学光电探测器5观察到的光程差也有所变化，所述由于所述石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的位移本身就极小，故在所述第一位移的基础上剔除所述热膨胀误差能够得到更为精确的第二位移。具体计算时，通过所述第一位移减去所述热膨胀误差即可得到设定温度下的第二位移。

例如，当所述挠性摆片1产生的热膨胀误差使所述第二检测光的光路距离减小，若观察到的是等厚条纹，则条纹向膜的较厚的方向移动；若观察的是等倾条纹，这时条纹向中心收缩。每移动一个条纹，所述挠性摆片1产生的热膨胀误差是入/2。因此，利用光学相位检测便可以将石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的热膨胀误差与平行光的波长λ联系起来，其表达式为：

Δh₂＝Nλ/2

其中，Δh₂为所述挠性摆片1在所述设定温度下的热膨胀误差，N为所述光电探测器5中视场中心移动条纹的数目，λ为所述光源2发出的平行光的波长。

通过计算得到所述挠性摆片1在所述设定温度下的第一位移为Δh₁，以及所述挠性摆片1在所述设定温度下的热膨胀误差Δh₂，则所述挠性摆片1在所述设定温度下的第二位移Δh₃＝Δh₁-Δh₂。

请继续参照图1及图3，所述挠性摆片位移测试装置还包括两个相同的固定器8，所述固定器8包括可移动的固定底座81、可调节高度的支撑架82及空心圆环83，所述支撑架82连接所述固定底座81及所述空心圆环83，所述外环13夹设于两个所述固定器8的空心圆环83之间。所述固定器8用于固定所述挠性摆片1，同时，通过移动所述固定底座81，以及调节所述支撑架82的高度，能够改变所述第二检测光打在所述反射区100的位置。由于所述摆舌10的下端相对所述摆舌10的上端(固定端)摆动，故所述反射区100上不同位置的测试点到所述摆舌10的固定端的竖向距离并非完全相同的，故不同位置的所述测试点计算得到的第一位移及第二位移也并非完全相同的。

通过对所述第二检测光打在所述反射区100上的不同测试点进行多次实验，根据所述光电探测器5接收的光程信息能够获取各个测试点在设定温度下的第一位移，进而得到各个测试点在设定温度下的第二位移，再对所有测试点对应的第二位移的数据进行最小二乘拟合，即可剔除线圈11温度变化引起挠性摆片1产生的非线性误差，进而得到所述挠性摆片1的第三位移，如此配置，使得最终得到的挠性摆片1受温度影响的位移的计算精度更高。

基于所述的挠性摆片位移测试装置，请结合图1-图2，本申请还提供了一种挠性摆片位移测试方法，用于测试石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的位移，包括以下步骤：

步骤S1、调整好分光板3、第一反射镜组4、挠性摆片1及光电探测器5的位置；

步骤S2、通过温度调节器设定好所述挠性摆片1的线圈11的温度；

步骤S3、启动所述光源2，使所述光源2发出的平行光在所述分光板3处反射及透射后分别形成第一检测光及第二检测光，所述第一检测光经所述分光板3反射至所述第一反射镜组4，经所述第一反射镜组4反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3透射后被所述光电探测器5接收，所述第二检测光经所述分光板3透射至所述挠性摆片1的反射区100，经所述反射区100反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3反射后被所述光电探测器5接收，根据所述光电探测器5接收的光程信息获取所述挠性摆片1在设定温度下的第一位移。

首先，执行步骤S1，调整好分光板3、第一反射镜组4、挠性摆片1及光电探测器5的位置。本实施例中，所述分光板3与所述平行光的入射方向呈45°设置，所述第一反射镜组4平行于所述平行光的入射方向，所述挠性摆片1垂直于所述平行光的入射方向。

然后执行步骤S2，通过温度调节器设定好所述挠性摆片1的线圈11的温度。所述温度调节器用于石英加速度计测量加速度时线圈11通电产生的温度变化，以便于测试所述挠性摆片1受温度影响的位移，所述温度调节器例如为恒温箱，所述挠性摆片1放置于所述恒温箱内。当然，所述温度调节器也可以采用其他能够调节所述线圈11温度变化的设备，例如对所述线圈11通电的设备。

请结合图3，所述挠性摆片位移测试装置还包括第二反射镜组7，在执行所述步骤S2之后且执行所述步骤S3之前，所述挠性摆片位移测试方法还包括：

启动所述光源2，使所述光源2发出的平行光在所述分光板3处反射及透射后分别形成第三检测光及第四检测光，所述第三检测光经所述分光板3反射至所述第一反射镜组4，经所述第一反射镜组4反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3透射后被所述光电探测器5接收，所述第四检测光经所述分光板3透射至所述透射区110，经所述透射区110透射至所述第二反射镜组7，经所述第二反射镜组7反射至所述透射区110，经所述透射区110透射至所述分光板3，再经所述分光板3反射后被所述光电探测器5接收，根据所述光电探测器5接收的光程信息获取所述挠性摆片1在所述设定温度下的热膨胀误差。

在此过程中，所述摆舌10上未覆盖所述镀金薄膜的区域相当于透射镜，所述第三检测光与所述第四检测光因具有不同光程汇合产生干涉，形成干涉条纹被所述光学光电探测器5探测，所述线圈11的温度发生变化时，由于热传导使得所述摆舌10发生热膨胀，使得光学光电探测器5观察到的光程差也有所变化，所述由于所述石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的位移本身就极小，故在所述第一位移的基础上剔除所述热膨胀误差能够得到更为精确的第二位移。

例如，当所述挠性摆片1产生的热膨胀误差使所述第二检测光的光路距离减小，若观察到的是等厚条纹，则条纹向膜的较厚的方向移动；若观察的是等倾条纹，这时条纹向中心收缩。每移动一个条纹，所述挠性摆片1产生的热膨胀误差是入/2。因此，利用光学相位检测便可以将石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的热膨胀误差与平行光的波长λ联系起来，其表达式为：

Δh₂＝Nλ/2

其中，Δh₂为所述挠性摆片1在所述设定温度下的热膨胀误差，N为所述光电探测器5中视场中心移动条纹的数目，λ为所述光源2发出的平行光的波长。

然后再执行步骤S3，启动所述光源2，使所述光源2发出的平行光在所述分光板3处反射及透射后分别形成第一检测光及第二检测光，所述第一检测光经所述分光板3反射至所述第一反射镜组4，经所述第一反射镜组4反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3透射后被所述光电探测器5接收，所述第二检测光经所述分光板3透射至所述挠性摆片1的反射区100，经所述反射区100反射后再次经过所述分光板3，再经所述分光板3反射后被所述光电探测器5接收，根据所述光电探测器5接收的光程信息获取所述挠性摆片1在设定温度下的第一位移。

当所述线圈11温度发生变化时，所述挠性摆片1产生微小位移，所述第一检测光与所述第二检测光因具有不同光程汇合产生干涉，形成干涉条纹被所述光学光电探测器5探测，故可根据所述光电探测器5中观察到的光程变化计算得到所述挠性摆片1受温度影响的位移。例如，当所述挠性摆片1产生的微小位移使所述第二检测光的光路距离减小，若观察到的是等厚条纹，则条纹向膜的较厚的方向移动；若观察的是等倾条纹，这时条纹向中心收缩。每移动一个条纹，所述挠性摆片1产生的微小位移是λ/2。因此，利用光学相位检测便可以将石英加速度计的挠性摆片1受温度影响的位移与平行光的波长λ联系起来，其表达式为：

Δh₁＝Nλ/2

其中，Δh₁为所述挠性摆片1在所述设定温度下的第一位移，N为所述光电探测器5中视场中心移动条纹的数目，λ为所述光源2发出的平行光的波长。

执行所述步骤S3之后，所述挠性摆片位移测试方法还包括：

步骤S4、根据所述挠性摆片1的第一位移及所述热膨胀误差得到所述挠性摆片1的第二位移，此步骤是为了剔除所述热膨胀误差的影响。

本实施例中，所述挠性摆片1在所述设定温度下的第一位移及热膨胀误差的计算公式如下：

Δh＝Nλ/2

其中，Δh为所述挠性摆片1在所述设定温度下的第一位移或热膨胀误差，N为所述光电探测器5中视场中心移动条纹的数目，λ为所述光源2发出的平行光的波长。

结合前文所述，通过计算得到所述挠性摆片1在所述设定温度下的第一位移为Δh₁，所述挠性摆片1在所述设定温度下的热膨胀误差Δh₂，则所述挠性摆片1在所述设定温度下的第二位移Δh₃＝Δh₁-Δh₂。

执行完所述步骤S4之后，所述挠性摆片位移测试方法还包括：

步骤S5、调整所述挠性摆片1的位置，以使所述第二检测光射在所述反射区100的不同位置的测试点上，各个所述测试点到所述摆舌10的固定端的竖向距离不同；

步骤S6、重复步骤S3-S4，得到不同的所述测试点对应的第二位移；

步骤S7、对所有测试点对应的第二位移的数据进行最小二乘拟合，得到所述挠性摆片1的第三位移。

请参照图4，图4为本发明实施例提供的测试点的分布示意图。应当理解的是，由于所述摆舌10的下端相对所述摆舌10的上端(固定端)摆动，故所述反射区100上不同位置的测试点200到所述摆舌10的固定端的竖向距离并非完全相同的，故不同位置的所述测试点计算得到的第一位移及第二位移也并非完全相同的。此处所指的竖向距离为所述测试点200与所述摆舌10的固定端沿竖直方向的距离，竖直方向即图4所示的上下方向。

较佳的，由于所述线圈11固定于所述摆舌10的中心部分，故可绕所述线圈11选取一定数量的测试点200。

步骤S5可通过前后左右移动固定器8的固定底座81，以及调节支撑架82的高度实现。

再执行步骤S6，得到不同的所述测试点对应的第二位移，以及执行步骤S7，对所有测试点对应的第二位移的数据进行最小二乘拟合，得到所述挠性摆片1的第三位移，使得最终得到的挠性摆片1受温度影响的位移的计算精度更高。

进一步的，所述挠性摆片位移测试方法还包括：

通过温度调节器调节所述挠性摆片1的线圈11的温度，然后重复上述步骤，即可得到所述挠性摆片1在不同线圈11温度下的第一位移、第二位移及第三位移。

综上，本发明实施例提供了一种挠性摆片位移测试装置及测试方法，通过模拟所述线圈的温度变化，采用光学相位测量方法来测量所述石英加速度计的挠性摆片受温度影响的微小位移，解决了传统的电容式检测方法存在的分辨率低、噪声大、精度低以及靠时间积分导致的响应时间慢的问题，从而提高了石英加速度计的输出精度。

此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。