本发明专利技术公开了一种光学MEMS加速度计中三光路信号补偿系统及其方法，包括三光路补偿光路和后续信号处理系统；其中三光路补偿光路包含光隔离器、微型分光棱镜、平面反射镜、可调衰减器、光电探测器；补偿信号处理系统包含三个模数转换AD转换模块，减法器，除法器，数据存储求和平均模块、乘法器，以上模块均由一个可编程数字信号处理器实现。本发明专利技术结构相对简单，可有效降低由于光源自身功率波动和环境光对输出信号的影响，相比采用具有很高功率稳定性激光器的方案可以有效降低光学MEMS加速度计的成本。而且该系统和方法能够有效应用于光学MEMS加速度计中，减小其输出信号的扰动，最终提高加速度测量零偏稳定性和精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及加速度计中的一种信号补偿系统和方法，特别设及光学MEMS加速度 计中一种抑制由光源本身功率波动和环境光造成的信号扰动的=光路信号补偿系统及其 补偿方法。
技术介绍
加速度计是一种测量物体加速度的传感器，其基本测量原理是基于牛顿第二定理 的，加速度计将加速度转化为弹性结构中质量块的位移量，该位移量与输入加速度大小有 着确定的关系，通过测量该位移量即可获得输入加速度的大小。因此加速度计通常包含机 械加速度敏感系统和位移测量系统，加速度的测量灵敏度和加速度计的噪声由运两个系统 同时决定。 对于一个高精度的加速度计，一个能与MEMS加速度敏感结构高度集成的高精度 位移测量系统是必须的。具体的说，对于光学MEMS加速度计，其MEMS加速度敏感结构是 由一个敏感质量块与四个悬臂梁构成的弹性元件，质量块上表面锻高反射的金膜充当反射 镜；位移测量系统是由激光光源（VCSEL激光器）、锻金膜的质量块上表面和置于质量块上 方的衍射光栅构成的。当有外界加速度输入时，MEMS加速度敏感结构中的质量块会沿着加 速度计敏感轴方向上下移动，产生的位移量与输入加速度大小成正比；在保证光栅和质量 块上表面平行的情况下，沿光栅法线方向入射激光束，部分光会直接产生反射式衍射，另一 部分光穿过光栅并在质量块上表面发生反射，回到光栅后发生透射式衍射，两种衍射光束 衍射角相同，两衍射光发生干设后的干设场光强会随着质量块上表面和光栅的位移发生变 化，通过光电探测器检出干设光强的变化量即可检测出质量块的位移量，从而获得输入加 速度值。由于干设场光强对质量块位移变化量非常敏感且具有相对较低的噪声，因此该种 光学位移测量系统拥有很高的测量精度，其精度可达纳米级，相应的原光学MEMS加速度计 的加速度测量精度达到10yg量级。 为了进一步提高光学MEMS加速度计的加速度测量精度，光学位移测量系统的测 量零偏稳定性需要提高，运时系统中的很多影响因素都应被考虑。光学MEMS加速度计中的 激光器存在功率波动和频率波动，在实际测量过程中，频率波动会引入干设场的相位误差， 从而对测得的位移量和加速度值产生影响，对于该误差，可W选取稳频激光器W消除和避 免；激光器本身的功率波动会直接造成输出信号的扰动，常见的激光器的功率波动大小为 1 %量级，选用具有高功率稳定性的激光器会大大增加光学MEMS加速度计的成本。由于目 前的光学MEMS加速度计在计算输入加速度值是都将输入激光光强作为一个定值，因此激 光光源本身功率波动的存在会引入计算误差，该误差限制了位移测量精度和加速度测量精 度的提高。而且，实际测量环境中存在的环境光和杂散光也会使输出信号发生扰动，影响测 量结果，在光学位移测量系统的精度达到纳米量级时，运些影响都不能被忽略。 阳0化]因此，为了进一步提高光学MEMS加速度计的加速度测量精度，有必要提供一种减 小输出信号扰动的信号补偿系统和补偿方法，该方法可有效减小激光光源本身功率波动和 环境光的影响，且结构相对简单，可与光学MEMS加速度计较好地兼容。
技术实现思路
本专利技术提供一种应用于光学MEMS加速度计中的基于=光路补偿光路的信号补偿 系统及其补偿方法，本专利技术的目的是为了减小光学MEMS加速度计中由激光光源本身功率 波动和环境光带来的输出信号扰动，提高加速度计的零偏稳定性和加速度测量精度。 为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下： 阳00引一种光学MEMS加速度计中S光路信号补偿系统包含由各光学元件组成的S光路 补偿光路和信号处理系统；=光路补偿光路与信号处理系统相连，且信号处理系统中的输 入信号为从=光路补偿光路中输出的光强信号； 所述的=光路补偿光路包含信号光路、参考光路和环境光检测光路=个光路，信 号光路包含顺次放置的垂直腔表面发射激光器、激光准直模块、光隔离器、微型分光棱镜和 可调衰减器，由衍射光栅和反射金属膜构成的光学位移传感系统，W及放置于光学位移传 感系统一级干设衍射光束出射方向上的信号光路光电探测器；参考光路同样包含顺次放置 的垂直腔表面发射激光器、激光准直模块、光隔离器、微型分光棱镜，W及放置于分光棱镜 反射光轴上的微型平面反射镜，一个可调衰减器，W及一个与信号光路光电探测器临近放 置的参考光路光电探测器；环境光检测光路包含一个与上述两个探测器相邻放置的环境光 路光电探测器； 所述信号处理系统包含由DSP实现的AD转换模块，两个减法器、一个除法器、一个 乘法器，W及一个数据存储求和平均模块，AD转换模块接受探测器的信号，并与两个减法器 相连，运两个减法器又作为除法器的输入，且其中一个减法器的输出信号还是数据采集、存 储和平均模块的输入信号，除法器和数据存储求和平均模块又同时与一个乘法器相连，所 述信号处理系统与原光学MEMS加速度计的信号处理系统集成在一起，在完成信号补偿后 可进行后续信号处理。 =光路补偿光路中=个光电探测器的受光面与从光栅出射的一级衍射光垂直，且 S者放置间距小于5mm。 所述光学MEMS加速度计中光栅的一级衍射角为0，S光路补偿光路中参考路上 放置的平面反射镜与分光棱镜出射光的夹角为45° - 0，放置距离调整至参考路反射光与 信号光间距小于5mm且不会遮挡信号光。 所述补偿系统的=光路信号补偿修正方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤一、VCS化激光器发出一束激光，激光频率为670皿，经过准直和衰减后的激 光束通过光隔离器入射到微型分光棱镜上； 步骤二、激光束经过微型分光棱镜后分为测量光束和参考光束，测量光束进入信 号光路，参考光束进入参考光路； 步骤=、测量光束经过由衍射光栅和反射金属膜构成的光学位移传感系统入射到 信号光路光电探测器上，经过光电转换后形成输出信号A; 步骤四、参考光束经微型平面反射镜反射后，通过可调衰减器调整将其光强调整 为合适值，入射到参考光路光电探测器上，经过光电转换后形成参考信号B; 步骤五、在测量过程中利用环境光路光电探测器实时探测环境光和杂散光强，经 光电转换后形成环境光信号c; 步骤六、将输入信号A、参考信号B和环境光信号C输入到基于DSP的补偿信号处 理系统中； 步骤屯、利用补偿信号处理系统对上述S个信号进行AD转换； 步骤八、分别将AD转换后的输入信号A、参考信号B与环境光信号C通过减法器进 行差分运算； 步骤九、利用除法器对两路差分信号进行除法运算并且利用数据存储求和平均模 块对参考信号B与环境光信号C的差分信号进行时间积分和平均运算； 步骤十、利用乘法器将从除法器和数据存储求和平均模块中输出的两路信号进行 相乘，得到最终的补偿修正信号。 测量过程中需要联调可调衰减器使得入射到原有MEMS加速度计的入射光强与探 测器检测到的参考光强相同。设输入信号A为Vi= r I，r为光电探测器的前置放大倍率，参考信号B为 V2= ri参考实际，环境光信号C为V3= ri环境3,在忽略信号增益的情况下，补偿修正信号可 W表达为： 经过补偿修正的信号被输入到原光学MEMS加速度计中的信当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光学MEMS加速度计中三光路信号补偿系统，其特征在于，包含由各光学元件组成的三光路补偿光路和信号处理系统；三光路补偿光路与信号处理系统相连，且信号处理系统中的输入信号为从三光路补偿光路中输出的光强信号；所述的三光路补偿光路包含信号光路、参考光路和环境光检测光路三个光路，信号光路包含顺次放置的垂直腔表面发射激光器（1）、激光准直模块、光隔离器（11）、微型分光棱镜（12）和可调衰减器（14），由衍射光栅（2）和反射金属膜（3）构成的光学位移传感系统，以及放置于光学位移传感系统一级干涉衍射光束出射方向上的信号光路光电探测器（17）；参考光路同样包含顺次放置的垂直腔表面发射激光器（1）、激光准直模块、光隔离器（11）、微型分光棱镜（12），以及放置于分光棱镜反射光轴上的微型平面反射镜（13），一个可调衰减器（14），以及一个与信号光路光电探测器（17）临近放置的参考光路光电探测器（15）；环境光检测光路包含一个与上述两个探测器相邻放置的环境光路光电探测器（16）；所述信号处理系统包含由DSP实现的AD转换模块（22），两个减法器（23）、一个除法器（24）、一个乘法器（26），以及一个数据存储求和平均模块（25），AD转换模块（22）接受探测器的信号，并与两个减法器（23）相连，这两个减法器（23）又作为除法器（24）的输入，且其中一个减法器的输出信号还是数据采集、存储和平均模块（25）的输入信号，除法器（24）和数据存储求和平均模块（25）又同时与一个乘法器（26）相连，所述信号处理系统与原光学MEMS加速度计的信号处理系统集成在一起，在完成信号补偿后可进行后续信号处理。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：卢乾波，娄树旗，焦旭芬，白剑，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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