CN101509772A - 光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，光源的尾纤与光电探测器的入纤分别和Y型光耦合器的一根光纤熔接，在振梁上做微镜用于反射经Y型光耦合器尾纤的透射光，光电探测器探测微镜上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光在经Y型光耦合器汇合形成的干涉条纹，光电探测器与检测与控制系统连接。本发明采用光学干涉原理，用光学位相测量方法来测量振动质量块的微小位移，从而提高了陀螺的检测灵敏度和读出精度，具有体积小、重量轻、高分辨率、低漂移、响应时间快和高的读出精度的特点，提高了陀螺的动态响应范围和检测精度，同时有利于进行数字滤波与信号传输处理，提高了系统抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及测量转动角速度的装置，具体涉及利用光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，它是在传统的硅微机电陀螺基础上融合了光纤迈克尔逊干涉技术，集光学、微机电系统(MEMS)、精密机械与电子技术于一体的传感器，可将中低精度的MEMS陀螺提升为中高精度MEMS陀螺。
背景技术
陀螺仪的原理是：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时是不会改变的，然后用多种方法读取该轴所指示的方向，它是在动态中保持相对跟踪状态的精密角度、角速度传感器。由于陀螺仪不依赖外界无线电等信息即可进行自主测量，抗电磁干扰能力强，因此它是现代国防航空、航天、航海、地下钻探、陆地导航等军事和国民经济中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的国防、国民经济等高科技的发展具有十分重要的意义。
近年来发展起来的微机电振动陀螺仪依据哥氏力原理而设计，具有体积小，重量轻、功耗低、抗过载能力强等特点，是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。
电容检测振动式微机械陀螺，它利用静电梳状驱动激励振动，用差分电容实现信号检测，其工作原理为当微机械陀螺工作时振梁在驱动方向(y方向)受静电力F作用作简谐振动，当在垂直于器件平面方向(Z方向)有角速度Ω输入时，振梁将在检测方向(x方向)受科里奥利力Fc作用作简谐振动，检测出这一振动微位移，即可检测出敏感方向角速度Ω的大小。
然而微机电陀螺通常采用的电容检测方法，该方法电容量变化非常小，达到10-18F，因此精度与灵敏度很难提高，在精度上远不及激光和光纤陀螺，只能应用于低端测角系统。同时由于存在寄生电容，使微机电陀螺输出信号的噪声较大，漂移稳定度差。
发明内容
针对现有电容式微机电振动陀螺仪存在的上述不足，本发明的目的是提供一种能大大提高检测精度、体积小、造价低的利用光学位相检测角速度的高精度硅微光机电陀螺仪。
本发明的目的是这样实现的：光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，其特征在于：它包括光源、Y型光耦合器、移相器、光电探测器、检测与控制系统和振梁式硅微机电陀螺本体。光源的尾纤和Y型光耦合器的一根光纤熔接，Y型光耦合器的另一根光纤与第二光耦合器的入纤相连，第二光耦合器的两根出纤分别与移相器和第三光耦合器相连，移相器与第四光耦合器入纤熔接，光电探测器的入纤分别与第四、第三光耦合器的出纤熔接；Y型光耦合器的尾纤固定在硅基底结构上，尾纤端面镀膜形成反射、透射面，同时在振梁上做微镜形成反射面用于反射经Y型光耦合器尾纤的透射光，光电探测器用于探测干涉条纹，该干涉条纹因微镜上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光具有不同光程，在经Y型光耦合器汇合产生干涉而形成，光电探测器信号输出端与检测与控制系统信号输入端连接。
所述检测与控制系统包括高频信号采集与位相检测电路和光源驱动电路，光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源；高频信号采集与位相检测电路按信号走向包括前置放大滤波电路、模拟放大电路、滤波电路、A/D转换器、CPU高频采样电路、位相比较器和逻辑控制电路，光电探测器输出的模拟电信号经前置放大滤波电路、模拟放大电路和滤波电路处理后在A/D转换器内转换为数字信号，经CPU高频采样和计算后输入位相比较器进行位相比较，从而得到角速度大小与方向，逻辑控制电路为数据采样提供相应的时序控制、地址译码和数据锁存。
本发明测量与角速度成比例的振动质量块(振梁)的微小位移。采用具有光程差的两束光信号的干涉原理，通过测量光学位相来检测振梁的微位移，该微小位移与陀螺转动角速度成比例从而实现对角速度的精确测量，由于采用光学干涉位相检测方法可以测量0～λ/2之间的精确的纳米级位移，从而在性能上大大提高了硅微机电陀螺的测量精度。
本发明的创新点在于：
1.采用光学干涉原理，用光学位相测量方法来测量振动质量块的微小位移，从而提高了陀螺的检测灵敏度和读出精度；解决了原硅微机械陀螺经电容检测存在的分辨率低、噪声大、精度低、靠时间积分，响应时间慢的缺点，使该光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪具有体积小、重量轻、高分辨率、低漂移、响应时间快和高的读出精度的特点。
2.采用高频位相信号读出与干涉条纹计数相结合的精—粗检测方式，提高了陀螺的动态响应范围和检测精度(对微小振幅检测可精确到数十纳米)，同时有利于进行数字滤波与信号传输处理，提高了系统抗干扰能力。
3.结构组成简单、成本低、工艺简单，适合批量生产。
附图说明
图1是本发明组成原理方框图；
图2是本发明的激光传播光路示意图；
图3是本发明位相检测与恒流控制电路原理框图；
图4由光电探测器转换得到的干涉光强与位相输出。
具体实施方式
以下结合实施例详细介绍本发明。
本发明的光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪结构如图1所示，它包括带尾纤的半导体激光器(LD)形成的光源、Y型光耦合器、第二、第三、第四光耦合器、移相器、光电探测器、检测与控制系统和振梁式硅微机电陀螺本体，图1中只表示出了振梁式硅微机电陀螺本体的振梁部分以代表陀螺本体。光源的尾纤和Y型光耦合器的一根光纤熔接，Y型光耦合器的另一根光纤与第二光耦合器的入纤熔接，第二光耦合器的两根出纤分别与移相器和第三光耦合器入纤熔接，移相器与第四光耦合器入纤熔接，光电探测器的入纤分别与第四、第三光耦合器的出纤熔接，Y型光耦合器的尾纤固定在硅基结构上。LD发出的光从Y型光耦合器的一端进入，在Y型光耦合器的尾纤端面镀膜形成反射镜，使出射光在该端面发生部分反射和透射。在振梁上通过微加工镀膜形成微镜，透射光照到微镜经反射后进入光纤中，在Y型光耦合器的尾纤端面反射和微镜上反射的两束反射光因具有不同光程，在经Y型光耦合器汇合产生干涉，形成干涉条纹，被光电探测器探测，由光电探测器转换为电信号输出，光电探测器信号输出端与检测与控制系统信号输入端连接。Y型光耦合器的尾纤端面如果不镀膜也能自然形成反射，只是反射量很少，不到4％；镀膜的目的是增加和控制反射量，使微镜上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光强度相当(这可以通过镀膜调节反射率来控制)，因此将呈现良好的干涉条纹。
所述检测与控制系统见图3方框部分，它包括高频信号采集与位相检测电路和光源驱动电路，光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源；高频信号采集与位相检测电路按信号走向包括前置放大滤波电路、模拟放大电路、滤波电路、A/D转换器、CPU高频采样电路、位相比较器和逻辑控制电路，光电探测器输出的模拟电信号经前置放大滤波电路、模拟放大电路和滤波电路处理后在A/D转换器内转换为数字信号，经CPU高频采样和解调计算后输入位相比较器进行位相比较，从而得到角速度大小与方向，逻辑控制电路为数据采样提供相应的时序控制、地址译码和数据锁存。
Y型光耦合器的另一根光纤与光电探测器的入纤之间通过设置第二光耦合器、第三光耦合器、移相器和第四光耦合器，可得到位相差为90°的信号，用于对信号噪声进行抑制，并增加计算信息量，由此提高信号检测精度。
本发明工作过程和原理如下：
光源发出的光S1经Y型光耦合器后，部分在尾纤端面反射，部分透射到振梁上的微镜。在尾纤端面的反射光为S1′，微镜上的反射光为S2′，S2′射入到尾纤端面，形成另一束反射光S2″。两束反射光(S1′和S2″)经不同光程后经Y型光耦合器汇合产生干涉，形成干涉条纹，光路传播如图2所示。
经耦合器耦合的上述干涉光信号由光电探测器接收，转换为模拟电压信号(如图4所示)，信号被输入检测与控制系统，在检测与控制系统的高频信号采集与位相检测电路中，上述电信号首先通过一级前置放大滤波电路，然后再经过模拟放大、滤波后接到A/D转换器，在A/D转换器内转换为数字信号，由CPU进行高频采样，采样频率不小于10KHz，经高频采集的信号经过CPU解调计算、位相比较，从而得到陀螺敏感轴相对于惯性坐标系输入的角速度大小与方向；逻辑控制电路主要为数据采集提供相应的时序控制、地址译码和数据锁存等。同时，检测与控制系统的光源驱动电路输出稳定的电流对光源进行控制。本发明位相检测与恒流控制电路原理见图3。
以下说明高频采样位相判别工作过程。
本发明的光学位相干涉与检测原理是：两束同频单色光经过不同的光程，经反射回到耦合器汇聚并形成干涉，干涉信号会随光程差的变化而变化，即当振梁发生振动产生微小位移时，两束光的光程差会随之变化，由探测器接收，其输出光强的表达式为：
其中
为两束光的位相差，两束光的光程差为ΔL＝r2-r1。
由合成光强公式可知，光强与相位差的余弦函数有直接联系，所以光干涉相位检测原理能够测量数十纳米级位移，比直接测量周期条纹获得的精度更高，同时比用电容检测电荷变化的方式精度更高。
两束反射光(S1′，S2″)经不同光程后经光耦合器汇合产生干涉，形成干涉条纹，被光电探测器探测，由光电探测器转换为电信号输出，光电探测器信号输出端与控制系统信号输入端连接。假设振梁镀膜形成的反射面与固定Y型光耦合器的光纤尾端端面距离为l0。当敏感轴方向没有角速度输入时，光程差是
ΔL＝2l0 (2)
两束光初相位相同，那么相位差
当敏感轴有角速度输入时，振动梁微镜反射将改变光强的输出，此时光程差将产生变化，则由角速度引起的位相变化为：
其中，Qy为检测模态的品质因子，x方向最大振幅Xmax，ωy为y方向的固有频率，ωd为驱动频率。由此可通过位相变化的测量值计算得到相应角速度的大小Ω(Ω为系统敏感方向的输入角速度)。
光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪技术是结合光学与MEMS技术优势发展形成的一项新型技术。从技术发展角度，该型陀螺以光学理论为基础，有效地结合了光学陀螺的全固态和硅微机电陀螺的微小型结构的优点，是一种新型的角速度传感器，同时是微纳技术在惯性技术领域的重要应用。
Claims (5)
1、光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，其特征在于：它包括光源、Y型光耦合器、光电探测器、检测与控制系统和振梁式硅微机电陀螺本体，光源的尾纤和Y型光耦合器的一根光纤熔接，Y型光耦合器的另一根光纤与光电探测器的入纤熔接，Y型光耦合器的尾纤固定，在振梁上做微镜形成反射面用于反射经Y型光耦合器尾纤的透射光，光电探测器用于探测干涉条纹，该干涉条纹因微镜上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光具有不同光程差，在经Y型光耦合器汇合产生干涉而形成，光电探测器信号输出端与检测与控制系统信号输入端连接。
2、根据权利要求1所述的光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，其特征在于：所述检测与控制系统包括高频信号采集与位相检测电路和光源驱动电路，光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源。
3、根据权利要求2所述的光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，其特征在于：所述高频信号采集与位相检测电路按信号走向包括前置放大滤波电路、模拟放大电路、滤波电路、A/D转换器、CPU高频采样电路、位相比较器和逻辑控制电路，光电探测器输出的模拟电信号经前置放大滤波电路、模拟放大电路和滤波电路处理后在A/D转换器内转换为数字信号，经CPU高频采样和计算后输入位相比较器进行位相比较，从而得到角速度大小与方向，逻辑控制电路为数据采样提供相应的时序控制、地址译码和数据锁存。
4、根据权利要求1或2或3所述的光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，其特征在于：在Y型光耦合器的另一根光纤与光电探测器的入纤之间还设有第二光耦合器、第三光耦合器、移相器和第四光耦合器，Y型光耦合器的另一根光纤与第二光耦合器的入纤熔接，第二光耦合器的两根出纤分别与移相器和第三光耦合器入纤熔接，移相器与第四光耦合器入纤熔接，光电探测器的入纤分别与第三光耦合器和第四光耦合器的出纤熔接。
5、根据权利要求4所述的光学位相检测的高精度硅微机电陀螺仪，其特征在于：所述Y型光耦合器的尾纤端面镀膜以控制反射量，使微镜上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光强度相当。
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