[實(shí)用新型]一種光學(xué)MEMS加速度計(jì)中三光路信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201520368026.1
• 申請(qǐng)日: 2015-05-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN204832242U
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧乾波;婁樹(shù)旗;焦旭芬;白劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/093
• 分類號(hào): G01P15/093
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及加速度計(jì)中的一種信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)和方法，特別涉及光學(xué)MEMS加速度計(jì)中一種抑制由光源本身功率波動(dòng)和環(huán)境光造成的信號(hào)擾動(dòng)的三光路信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)。

背景技術(shù)

加速度計(jì)是一種測(cè)量物體加速度的傳感器，其基本測(cè)量原理是基于牛頓第二定理的，加速度計(jì)將加速度轉(zhuǎn)化為彈性結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊的位移量，該位移量與輸入加速度大小有著確定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量該位移量即可獲得輸入加速度的大小。因此加速度計(jì)通常包含機(jī)械加速度敏感系統(tǒng)和位移測(cè)量系統(tǒng)，加速度的測(cè)量靈敏度和加速度計(jì)的噪聲由這兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)決定。

對(duì)于一個(gè)高精度的加速度計(jì)，一個(gè)能與MEMS加速度敏感結(jié)構(gòu)高度集成的高精度位移測(cè)量系統(tǒng)是必須的。具體的說(shuō)，對(duì)于光學(xué)MEMS加速度計(jì)，其MEMS加速度敏感結(jié)構(gòu)是由一個(gè)敏感質(zhì)量塊與四個(gè)懸臂梁構(gòu)成的彈性元件，質(zhì)量塊上表面鍍高反射的金膜充當(dāng)反射鏡；位移測(cè)量系統(tǒng)是由激光光源(VCSEL激光器)、鍍金膜的質(zhì)量塊上表面和置于質(zhì)量塊上方的衍射光柵構(gòu)成的。當(dāng)有外界加速度輸入時(shí)，MEMS加速度敏感結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量塊會(huì)沿著加速度計(jì)敏感軸方向上下移動(dòng)，產(chǎn)生的位移量與輸入加速度大小成正比；在保證光柵和質(zhì)量塊上表面平行的情況下，沿光柵法線方向入射激光束，部分光會(huì)直接產(chǎn)生反射式衍射，另一部分光穿過(guò)光柵并在質(zhì)量塊上表面發(fā)生反射，回到光柵后發(fā)生透射式衍射，兩種衍射光束衍射角相同，兩衍射光發(fā)生干涉后的干涉場(chǎng)光強(qiáng)會(huì)隨著質(zhì)量塊上表面和光柵的位移發(fā)生變化，通過(guò)光電探測(cè)器檢出干涉光強(qiáng)的變化量即可檢測(cè)出質(zhì)量塊的位移量，從而獲得輸入加速度值。由于干涉場(chǎng)光強(qiáng)對(duì)質(zhì)量塊位移變化量非常敏感且具有相對(duì)較低的噪聲，因此該種光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)擁有很高的測(cè)量精度，其精度可達(dá)納米級(jí)，相應(yīng)的原光學(xué)MEMS加速度計(jì)的加速度測(cè)量精度達(dá)到10μg量級(jí)。

為了進(jìn)一步提高光學(xué)MEMS加速度計(jì)的加速度測(cè)量精度，光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量零偏穩(wěn)定性需要提高，這時(shí)系統(tǒng)中的很多影響因素都應(yīng)被考慮。光學(xué)MEMS加速度計(jì)中的激光器存在功率波動(dòng)和頻率波動(dòng)，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，頻率波動(dòng)會(huì)引入干涉場(chǎng)的相位誤差，從而對(duì)測(cè)得的位移量和加速度值產(chǎn)生影響，對(duì)于該誤差，可以選取穩(wěn)頻激光器以消除和避免；激光器本身的功率波動(dòng)會(huì)直接造成輸出信號(hào)的擾動(dòng)，常見(jiàn)的激光器的功率波動(dòng)大小為1％量級(jí)，選用具有高功率穩(wěn)定性的激光器會(huì)大大增加光學(xué)MEMS加速度計(jì)的成本。由于目前的光學(xué)MEMS加速度計(jì)在計(jì)算輸入加速度值是都將輸入激光光強(qiáng)作為一個(gè)定值，因此激光光源本身功率波動(dòng)的存在會(huì)引入計(jì)算誤差，該誤差限制了位移測(cè)量精度和加速度測(cè)量精度的提高。而且，實(shí)際測(cè)量環(huán)境中存在的環(huán)境光和雜散光也會(huì)使輸出信號(hào)發(fā)生擾動(dòng)，影響測(cè)量結(jié)果，在光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)的精度達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，這些影響都不能被忽略。

因此，為了進(jìn)一步提高光學(xué)MEMS加速度計(jì)的加速度測(cè)量精度，有必要提供一種減小輸出信號(hào)擾動(dòng)的信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)和補(bǔ)償方法，該方法可有效減小激光光源本身功率波動(dòng)和環(huán)境光的影響，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可與光學(xué)MEMS加速度計(jì)較好地兼容。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型提供一種應(yīng)用于光學(xué)MEMS加速度計(jì)中的基于三光路補(bǔ)償光路的信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)，本實(shí)用新型的目的是為了減小光學(xué)MEMS加速度計(jì)中由激光光源本身功率波動(dòng)和環(huán)境光帶來(lái)的輸出信號(hào)擾動(dòng)，提高加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性和加速度測(cè)量精度。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種光學(xué)MEMS加速度計(jì)中三光路信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)包含由各光學(xué)元件組成的三光路補(bǔ)償光路和信號(hào)處理系統(tǒng)；三光路補(bǔ)償光路與信號(hào)處理系統(tǒng)相連，且信號(hào)處理系統(tǒng)中的輸入信號(hào)為從三光路補(bǔ)償光路中輸出的光強(qiáng)信號(hào)；

所述的三光路補(bǔ)償光路包含信號(hào)光路、參考光路和環(huán)境光檢測(cè)光路三個(gè)光路，信號(hào)光路包含順次放置的垂直腔表面發(fā)射激光器、激光準(zhǔn)直模塊、光隔離器、微型分光棱鏡和可調(diào)衰減器，由衍射光柵和反射金屬膜構(gòu)成的光學(xué)位移傳感系統(tǒng)，以及放置于光學(xué)位移傳感系統(tǒng)一級(jí)干涉衍射光束出射方向上的信號(hào)光路光電探測(cè)器；參考光路同樣包含順次放置的垂直腔表面發(fā)射激光器、激光準(zhǔn)直模塊、光隔離器、微型分光棱鏡，以及放置于分光棱鏡反射光軸上的微型平面反射鏡，一個(gè)可調(diào)衰減器，以及一個(gè)與信號(hào)光路光電探測(cè)器臨近放置的參考光路光電探測(cè)器；環(huán)境光檢測(cè)光路包含一個(gè)與上述兩個(gè)探測(cè)器相鄰放置的環(huán)境光路光電探測(cè)器；