一種光學(xué)mems加速度計中三光路信號補償系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及加速度計中的一種信號補償系統(tǒng)和方法，特別涉及光學(xué)MEMS加 速度計中一種抑制由光源本身功率波動和環(huán)境光造成的信號擾動的三光路信號補償系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 加速度計是一種測量物體加速度的傳感器，其基本測量原理是基于牛頓第二定理 的，加速度計將加速度轉(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，通過測量該位移量即可獲得輸入加速度的大小。因此加速度計通常包含機 械加速度敏感系統(tǒng)和位移測量系統(tǒng)，加速度的測量靈敏度和加速度計的噪聲由這兩個系統(tǒng) 同時決定。
[0003] 對于一個高精度的加速度計，一個能與MEMS加速度敏感結(jié)構(gòu)高度集成的高精度 位移測量系統(tǒng)是必須的。具體的說，對于光學(xué)MEMS加速度計，其MEMS加速度敏感結(jié)構(gòu)是 由一個敏感質(zhì)量塊與四個懸臂梁構(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，MEMS加速度敏感結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量塊會沿著加 速度計敏感軸方向上下移動，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，部分光會直接產(chǎn)生反射式衍射，另一 部分光穿過光柵并在質(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)生干涉后的干涉場光強會隨著質(zhì)量塊上表面和光柵的位移發(fā)生變 化，通過光電探測器檢出干涉光強的變化量即可檢測出質(zhì)量塊的位移量，從而獲得輸入加 速度值。由于干涉場光強對質(zhì)量塊位移變化量非常敏感且具有相對較低的噪聲，因此該種 光學(xué)位移測量系統(tǒng)擁有很高的測量精度，其精度可達納米級，相應(yīng)的原光學(xué)MEMS加速度計 的加速度測量精度達到10 μ g量級。
[0004] 為了進一步提高光學(xué)MEMS加速度計的加速度測量精度，光學(xué)位移測量系統(tǒng)的測 量零偏穩(wěn)定性需要提高，這時系統(tǒng)中的很多影響因素都應(yīng)被考慮。光學(xué)MEMS加速度計中的 激光器存在功率波動和頻率波動，在實際測量過程中，頻率波動會引入干涉場的相位誤差， 從而對測得的位移量和加速度值產(chǎn)生影響，對于該誤差，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會直接造成輸出信號的擾動，常見的激光器的功率波動大小為 1 %量級，選用具有高功率穩(wěn)定性的激光器會大大增加光學(xué)MEMS加速度計的成本。由于目 前的光學(xué)MEMS加速度計在計算輸入加速度值是都將輸入激光光強作為一個定值，因此激 光光源本身功率波動的存在會引入計算誤差，該誤差限制了位移測量精度和加速度測量精 度的提高。而且，實際測量環(huán)境中存在的環(huán)境光和雜散光也會使輸出信號發(fā)生擾動，影響測 量結(jié)果，在光學(xué)位移測量系統(tǒng)的精度達到納米量級時，這些影響都不能被忽略。
[0005] 因此，為了進一步提高光學(xué)MEMS加速度計的加速度測量精度，有必要提供一種減 小輸出信號擾動的信號補償系統(tǒng)和補償方法，該方法可有效減小激光光源本身功率波動和 環(huán)境光的影響，且結(jié)構(gòu)相對簡單，可與光學(xué)MEMS加速度計較好地兼容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實用新型提供一種應(yīng)用于光學(xué)MEMS加速度計中的基于三光路補償光路的信號 補償系統(tǒng)，本實用新型的目的是為了減小光學(xué)MEMS加速度計中由激光光源本身功率波動 和環(huán)境光帶來的輸出信號擾動，提高加速度計的零偏穩(wěn)定性和加速度測量精度。
[0007] 為了達到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下：
[0008] -種光學(xué)MEMS加速度計中三光路信號補償系統(tǒng)包含由各光學(xué)元件組成的三光路 補償光路和信號處理系統(tǒng)；三光路補償光路與信號處理系統(tǒng)相連，且信號處理系統(tǒng)中的輸 入信號為從三光路補償光路中輸出的光強信號；
[0009] 所述的三光路補償光路包含信號光路、參考光路和環(huán)境光檢測光路三個光路，信 號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)一級干涉衍射光束出射方向上的信號光路光電探測器；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，一個可調(diào)衰減器，以及一個與信號光路光電探測器臨近放 置的參考光路光電探測器；環(huán)境光檢測光路包含一個與上述兩個探測器相鄰放置的環(huán)境光 路光電探測器；
[0010] 所述信號處理系統(tǒng)包含由DSP實現(xiàn)的AD轉(zhuǎn)換模塊，兩個減法器、一個除法器、一個 乘法器，以及一個數(shù)據(jù)存儲求和平均模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊接受探測器的信號，并與兩個減法器 相連，這兩個減法器又作為除法器的輸入，且其中一個減法器的輸出信號還是數(shù)據(jù)采集、存 儲和平均模塊的輸入信號，除法器和數(shù)據(jù)存儲求和平均模塊又同時與一個乘法器相連，所 述信號處理系統(tǒng)與原光學(xué)MEMS加速度計的信號處理系統(tǒng)集成在一起，在完成信號補償后 可進行后續(xù)信號處理。
[0011] 三光路補償光路中三個光電探測器的受光面與從光柵出射的一級衍射光垂直，且 三者放置間距小于5mm。
[0012] 所述光學(xué)MEMS加速度計中光柵的一級衍射角為Θ，三光路補償光路中參考路上 放置的平面反射鏡與分光棱鏡出射光的夾角為45° - Θ，放置距離調(diào)整至參考路反射光與 信號光間距小于5mm且不會遮擋信號光。
[0013] 所述補償系統(tǒng)的三光路信號補償修正方法包括以下步驟：
[0014] 步驟一、VCSEL激光器發(fā)出一束激光，激光頻率為670nm，經(jīng)過準(zhǔn)直和衰減后的激 光束通過光隔離器入射到微型分光棱鏡上；
[0015] 步驟二、激光束經(jīng)過微型分光棱鏡后分為測量光束和參考光束，測量光束進入信 號光路，參考光束進入?yún)⒖脊饴罚?br>[0016] 步驟三、測量光束經(jīng)過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)入射到 信號光路光電探測器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后形成輸出信號A ;
[0017] 步驟四、參考光束經(jīng)微型平面反射鏡反射后，通過可調(diào)衰減器調(diào)整將其光強調(diào)整 為合適值，入射到參考光路光電探測器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后形成參考信號B ;
[0018] 步驟五、在測量過程中利用環(huán)境光路光電探測器實時探測環(huán)境光和雜散光強，經(jīng) 光電轉(zhuǎn)換后形成環(huán)境光信號C ;
[0019] 步驟六、將輸入信號A、參考信號B和環(huán)境光信號C輸入到基于DSP的補償信號處 理系統(tǒng)中；
[0020] 步驟七、利用補償信號處理系統(tǒng)對上述三個信號進行AD轉(zhuǎn)換；
[0021 ] 步驟八、分別將AD轉(zhuǎn)換后的輸入信號A、參考信號B與環(huán)境光信號C通過減法器進 行差分運算；
[0022] 步驟九、利用除法器對兩路差分信號進行除法運算并且利用數(shù)據(jù)存儲求和平均模 塊對參考信號B與環(huán)境光信號C的差分信號進行時間積分和平均運算；
[0023] 步驟十、利用乘法器將從除法器和數(shù)據(jù)存儲求和平均模塊中輸出的兩路信號進行 相乘，得到最終的補償修正信號。
[0024] 測量過程中需要聯(lián)調(diào)可調(diào)衰減器使得入射到原有MEMS加速度計的入射光強與探 測器檢測到的參考光強相同。
[0025] 設(shè)輸入信號A為V1= Γ I ，Γ為光電探測器的前置放大倍率，參考信號B為 V^= FI參考$際，環(huán)境光彳目號C為V3= Γ I環(huán)境3,在忽略彳目號增侃的情況下，補償修正彳目號可 以表達為：
[0027] 經(jīng)過補償修正的信號被輸入到原光學(xué)MEMS加速度計中的信號處理系統(tǒng)中進行后 續(xù)的處理得到修正后的加速度輸出。該補償信號消除了激光光源本身功率波動和環(huán)境光對 于信號擾動的影響，提高了光學(xué)MEMS加速度計的零偏穩(wěn)定性和加速度測量精度。
[0028] 本實用新型的有益效果是：
[0029] 1、針對高精度光學(xué)MEMS加速計設(shè)計了三光路補償光路和相應(yīng)補償算法，大幅減 小了激光光源本身功率波動和測量過程中存在的環(huán)境光對輸出信號的影響，提高了加速度 計的零偏穩(wěn)定性、位移測量精度和加速度測量精度。
[0030] 2、設(shè)計的三光路補償光路結(jié)構(gòu)簡單，可以與原有光學(xué)MEMS加速度計兼容，采用微 型光學(xué)元件后可以做到高度集成；相對于采用具有高功率穩(wěn)定性的激光光源的方案還具有 成本較低的優(yōu)點。
[0031] 3、設(shè)計的補償信號處理系統(tǒng)可以由一個DSP實現(xiàn)，方便與原有光學(xué)MEMS加速度計 的信號處理系統(tǒng)連接與集成。
【附圖說明】
[0032] 圖1是原有光學(xué)MEMS加速度計結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2是增加了本實用新型提供的三光路信號補償系統(tǒng)的光學(xué)MEMS加速度計結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0034] 圖3是三光路信號補償修正流程示意圖；
[0035] 圖4是原光學(xué)MEMS加速度計的初始信號及其擾動波形圖；
[0036] 圖5是經(jīng)過補償修正后的輸出信號擾動波形圖。
[0037] 圖中包含VCSEL激光器1、衍射光柵2、反射金屬膜3、敏感質(zhì)量塊4、懸臂梁5、基 底6、壓電陶瓷7、封裝外殼8、入射激光束9、一級衍射干涉信號光10、光隔離器11、微型分 光棱鏡12、微型平面反射鏡13、可調(diào)衰減器14、參考光路光電探測器15、環(huán)境光路光電探測 器16、信號光路光電探測器17、三光路補償光路18、參考光19、信號光20、基于DSP的三光 路補償信號處理系統(tǒng)21、AD轉(zhuǎn)換模塊22、減法器23、除法器24、數(shù)據(jù)存儲求和平均模塊25、 乘法器26、輸出補償修正信號27。
【具體實施方式】
[0038] 以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實用新型完成信號補償修正的實施方法。
[0039] 本實用新型提供的三光路信號補償系統(tǒng)和補償方法是應(yīng)用于一個光學(xué)MEMS加速 度計的，目的是減小其由激光光源本身功率和環(huán)境光造成的輸出信號擾動，從而提高零偏 穩(wěn)定性和加速度測量的精度。如圖1所示，該光學(xué)MEMS加速度計包含VCSEL激光器1、衍射 光柵2、由鍍在質(zhì)量塊上表面的金屬組成的反射鏡3、敏感質(zhì)量塊4、懸臂梁5、基底6、壓電陶 瓷7和封裝外殼8。激光器1用于提供測量用的670nm的激光束9, 一級衍射干涉信號光10 中包含了質(zhì)量塊4與光柵2之間位移量的變化值d信息和外界輸入加速度值信息。該光學(xué) MEMS加速度計的工作原理如下：VCSEL激光器1發(fā)射出一束激光9,該激光垂直入射到衍射 光