CN101576383B - 双路光干涉的精密光微机电陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双路光干涉的精密光微机电陀螺仪，其光源经光隔离器后的输出尾纤和第一Y型光耦合器的入纤熔接，第一Y型光耦合器对该束光进行3DB分光后从两根出纤输出，两根出纤各与A路、B路Y型光耦合器的一根光纤熔接，出纤端固定在基底结构上，并分列于矩形振梁Y轴的两个对称面前，光纤另一端分别与各自的光电探测器相连，光电探测器用于探测干涉条纹，光电探测器信号输出端与检测与控制系统的信号输入端连接，经过数据采集处理即可得到振梁的微小位移；同时检测与控制电路系统与矩形振梁X轴的驱动压电片的输出连接，控制和检测矩形振梁X轴的运动。本陀螺仪通过双路光干涉形成差分信号，随温度变化小、能大大提高检测灵敏度，精度高、噪声低，体积小，造价低。

Description

双路光干涉的精密光微机电陀螺仪

技术领域

本发明涉及测量转动角速度的装置，具体涉及利用双路光干涉的精密微机电陀螺仪，它是在传统的压电微机械陀螺仪基础上融合了双路光干涉技术，光耦合分光与位相调节技术、光电转换与数字读出技术，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，可将现有低精度的压电MEMS陀螺提升为中高精度光微机电陀螺。

背景技术

压电MEMS陀螺仪具有体积小，成本低、重量轻、抗过载能力强等特点。目前，世界上许多研究机构都在结合自己的加工和信号检测手段对其展开研究。传统的压电陀螺由一根或两根力学性能完全对称的矩形振梁组成，振梁为恒弹性合金钢，并在其节点处悬挂支撑，在振梁中部位置的四个面上贴有两对压电陶瓷片，在x轴上的一对是驱动片和驱动检测片，x轴称为驱动轴；在y轴上的一对陶瓷片是读出片和阻尼片，y轴称为读出轴。压电微机械陀螺仪的工作原理是：当陀螺工作时振梁在驱动方向(x方向)受压电驱动力Fd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y方向受哥氏力Fc作用作简谐振动，即产生一个微小位移，振梁的运动通过压电转换的方法将动能转换为电能，最后输出电压值，该电压与输入角速度Ω成正例。压电检测技术检测灵敏度低、压电输出特性随温度变化明显，导致上述压电陀螺的输出信号分辨率低，参数稳定性差，随温度漂移大，一直处于低端产品行列。同时由于其检测引入的信号噪声大，在后续处理电路上需要增加复杂的滤波和信号提取电路，增加了系统的处理难度。对于两根振梁的结构形式，虽然可以抵消部分噪声和温漂，但由于加工误差使得两根振梁的各项参数无法完全一致，又带来其它误差和系统加工难度。

发明内容

针对传统压电MEMS陀螺仪存在的上述不足，本发明的目的是利用双路光干涉来检测该类MEMS陀螺仪振梁微位移，替代传统的压电效应测量方式，同时通过双路光干涉形成差分信号，提供一种能大大提高检测灵敏度、体积小、造价低、随温度变化小的低噪声中高精度的双路光干涉的精密光微机电陀螺仪。

本发明的目的是这样实现的：

所述双路光干涉的精密光微机电陀螺仪包括光源、光隔离器、Y型光耦合器、相位调节器、光电探测器、矩形振梁、基底结构、驱动压电片、检测与控制系统。光源经光隔离器后的输出尾纤和第一Y型光耦合器的入纤熔接，第一Y型光耦合器对该束光进行3dB分光后从两根出纤输出，两根出纤各与A路和B路Y型光耦合器的一根光纤熔接。A路和B路Y型光耦合器的出纤端固定在基底结构上，并分列于矩形振梁Y轴的两个对称面前，其中A路Y型光耦合器的出纤端加入相位调节器，A路和B路Y型光耦合器的光纤另一端分别与各自的光电探测器相连，光电探测器用于探测干涉条纹，该干涉条纹因振梁上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光具有不同光程，再经Y型光耦合器汇合产生干涉而形成，光电探测器的信号输出端连接到检测与控制系统的信号输入端，经过数据采集处理后得到振梁的微小位移；同时检测与控制系统与驱动轴(X轴)的压电片输入输出连接，控制和检测振梁驱动轴的运动。

所述检测与控制系统包括驱动轴控制与检测电路、高频信号采集与位相检测电路和光源驱动电路。驱动轴控制与检测电路主要是在陀螺工作时驱动振梁在x方向作简谐振动并同时检测振梁运动状况；光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源以保证其稳定性；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；所述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、计算后进行位相比较，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。

本发明的关键点是采用两路光干涉的方式，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正比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压电MEMS陀螺的精度和测量灵敏度。

本发明的优点如下：

1.采用光学位相测量方法来测量振梁的微小位移，从而提高了陀螺的检测灵敏度(对微小振幅检测可精确到数十纳米)和读出精度；解决了传统压电陀螺由压电陶瓷片检测存在的分辨率低、噪声大、精度低、温漂大的缺点，双路光干涉的精密光微机电陀螺仪具有体积小、分辨率高、低温漂、响应时间快和高的读出精度的特点。

2.采用双路光干涉的方法，只需要一根振梁，振梁对称面形成两路差分检测信号，快速实现信号检测与振动微位移方向判别，使陀螺输出信号的稳定性和一致性得到有效保证，降低了信号输出噪声，提高了陀螺的精度和抗干扰能力。

3.本发明的光反射均采用光纤和振梁对光的自然反射与透射特性，无须增加反射镜，结构、工艺简单、成本低，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的A/B路光传播光路示意图；

图3是本发明的检测与控制系统电路原理框图；

具体实施方式

以下结合实施例详细介绍本发明。

本发明的双路光干涉的精密光微机电陀螺仪构成原理如图1所示，它包括带尾纤的半导体激光器(LD)形成的光源、光隔离器、三个Y型光耦合器、相位调节器、光电探测器、矩形振梁、基底结构、驱动压电片和检测与控制系统。光源经光隔离器后的输出尾纤和第一Y型光耦合器的入纤熔接，Y型光耦合器对该束光进行3DB分光后从两根出纤输出，两根出纤各与A路和B路Y型光耦合器的一根光纤熔接。A路和B路Y型光耦合器的出纤端固定在基底结构上，并分列于矩形振梁Y轴的两个对称面旁，A路和B路Y型光耦合器的光纤另一端分别与各自的光电探测器相连，光电探测器用于探测干涉条纹，该干涉条纹因振梁上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光具有不同光程，在经各自的Y型光耦合器汇合产生干涉而形成，光电探测器的信号输出端连接到检测与控制系统的信号输入端，经过数据采集处理后得到振梁的微小位移；同时检测与控制系统与驱动轴(X轴)的驱动压电片输入输出连接，控制和检测振梁驱动轴的运动。

本发明设计A、B两路对称放置的干涉光路，形成差分检测形式，用于对微位移的方向判别和信号噪声进行抑制，由此提高信号检测精度，且只需要一根振梁。同时可在A路Y型光耦合器的一根光纤与振梁Y轴B面之间设置相位调节器，可获得位相差为90°的另一路光干涉信号，有利于避开正余弦信号变化较缓的区域，进一步提高检测精度。

所述检测与控制系统见图3所示，所述检测与控制系统包括驱动轴控制与检测电路、光源驱动和高频信号采集电路与位相检测电路。驱动轴控制与检测电路主要是在陀螺工作时驱动振梁在x方向作简谐振动并同时检测振梁运动状况，光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源以保证其稳定性；高频信号采集与位相检测电路按信号走向包括放大滤波电路、A/D转换器、DSP高频采样、位相比较算法和逻辑控制电路，光电探测器输出的模拟电信号经放大滤波电路处理后在A/D转换器内转换为数字信号，经CPU高频采样、计算后进行位相比较，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。

本发明工作过程和原理如下：

在陀螺工作时，检测与控制系统的驱动轴控制与检测单元驱动振梁在x方向作简谐振动并同时检测振梁运动状况，光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源以保证光波长的稳定性。光路传播如图2所示，光源发出的光S1经第一Y型光耦合器分光后得到两束特性相同的光，分别接至A路和B路Y型光耦合器的光纤一端，光在A路和B路Y型光耦合器的光纤一输出端自然形成反射(4％)和透射(96％)，透射光分别照到振梁Y轴A、B面经反射后重新进入光纤中，部分在尾纤端面反射，部分透射到振梁A、B面上。以A路为例，在尾纤端面的反射光为S1₁′，振梁A面上的反射光为S2₁′，S2₁′射入到尾纤端面，形成另一束反射光S2₁″。两束反射光(S1₁′和S2₁″)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，被光电探测器探测，由光电探测器转换为模拟电压信号，信号进入检测与控制系统(如图3所示)，在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。

以下说明双路光干涉信号检测的工作过程与特点。

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I的表达式为：

$I=I_1+I_2-2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\φ}---\left(1\right)$

其中

为两束光的位相差，I₁、I₂分别为两束光的输出光强。

在实际系统中，(1)式右边应包含噪声信号n₀，为此，本发明在振梁A、B面各设计一路光干涉信号，因此两个光电探测器转换得到A、B两路信号为

$I_A=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\φ}+n_0---\left(2\right)$

$I_B=I_1+I_2-2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\φ}+n_0---\left(3\right)$

两路信号做差分运算，可有效降低输出噪声，同时判断方向。

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。当敏感轴有角速度输入时，振梁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，Q_y为检测模态的品质因子，Xmax为x方向最大振幅，ω_y为y方向的固有频率，ω_d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)。

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，同时比用压电陶瓷检测振梁振动变化的方式精度更高、稳定性更好。光学位相检测的高精度压电微机械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微机电陀螺的微小型结构的优点，同时精密的光电探测及数据处理技术可有效抑制噪声，实现微纳量度的精确传感与测量，是一种新型的精密角速度传感器。

Claims (2)

1.双路光干涉的精密光微机电陀螺仪，它包括矩形振梁、固定有矩形振梁的基底结构和安装在矩形振梁X轴上的驱动压电片；其特征在于：它还包括光源、光纤、光隔离器、Y型光耦合器、相位调节器、光电探测器和检测与控制系统；采用双路光干涉的方式，所述光源经光隔离器后的输出尾纤和第一Y型光耦合器的入纤熔接，第一Y型光耦合器对该束光进行3DB分光后从两根出纤输出，两根出纤各与A路、B路Y型光耦合器的一根光纤熔接；A路和B路Y型光耦合器的出纤端固定在基底结构上，并分列于矩形振梁Y轴的两个对称面旁，A路和B路Y型光耦合器的光纤另一端分别与各自的光电探测器相连，光电探测器用于探测干涉条纹，该干涉条纹因振梁上的反射光与Y型光耦合器尾纤端面的反射光具有不同光程，再经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的信号输入端连接，经过数据采集处理即可得到振梁的微小位移；同时检测与控制电路系统与矩形振梁X

轴的驱动压电片的输出连接，控制和检测矩形振梁X轴的运动；

所述检测与控制系统包括驱动轴控制与检测电路、高频信号采集与位相检测电路和光源驱动电路；驱动轴控制与检测电路主要是在陀螺工作时驱动振梁在x方向作简谐振动并同时检测振梁运动状况；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；所述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。

2.根据权利要求1所述的双光干涉的精密光微机电陀螺仪，其特征在于：所述A路Y型光耦合器的出纤端加入相位调节器，使光通过相位调节后照射到振梁的对称面。

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