基于光学干涉相位检测的MEMS陀螺信号读出技术研究

摘要

MEMS陀螺作为一种新型的惯性传感器，越来越广泛地应用于军民领域中。MEMS陀螺信号检测的手段有电容检测、压电检测、压阻检测、隧道效应检测和光学检测等几种方法；目前大多采用的是电容检测，但是电容检测的精度已经基本上达到了理论极限，而高精度的MEMS陀螺在市场中很少见到；由于光学检测的方法，特别是干涉法，具有很高的检测精度，将光学干涉检测的方法与MEMS陀螺结合，能够使MEMS陀螺实现高精度、低成本，具有广阔的市场前景，而且现在国内外对这种方法研究很少，对此进行研究具有理论和实际意义；在教育部“高等学校博士学科点专项科研基金”（课题编号：20090191110010）资助下，基于发明专利“双路光干涉的精密光微机电陀螺仪”，本文对基于光学干涉检测的MEMS陀螺信号读出技术做了一些基础工作，主要研究双光干涉对微弱振动信号的检测及信号处理。
　　首先介绍了MEMS陀螺输出信号的主要检测方法和原理。然后对光学干涉的理论做了简要介绍，讨论了几种常见的光纤干涉仪的信号调制方法，并阐述了干涉信号的零差解调和外差解调两种解调方法。提出系统的整体原理，并对光学部分进行了分析。根据课题需要，对所需元器件进行了选型；设计了半导体激光器的驱动电路、光电探测器的偏置电路、放大电路、滤波电路和干涉信号细分电路，在Multisim10上对有关电路进行了仿真，并焊接成电路板，进行了调试，调试结果表明，所设计的电路能够满足要求。
　　得到两路干涉信号后需要对其进行处理。信号的处理部分包括判向、信号细分电路、单片机、上位机软件。细分电路是由五细分专用集成芯片JS0204和四倍频专用集成芯片JS0210级联组成的20细分电路，兼具判向功能，其输出脉冲信号由单片机进行检测并对脉冲信号进行计数，然后将计数的结果通过串口RS232传送到PC机上，由用VC编制的上位机软件进行处理。
　　最后在设计的电路上对信号处理做了仿真实验，实验结果表明，通过对信号进行20细分，通过光学检测的方法能够使MEMS陀螺的分辨率在理论上达到0.01°/s，如果对信号进行更高数目的细分，能够达到更高的分辨率。

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1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外发展现状

1.3 课题研究目的与意义

1.4 本文主要内容

1.5 本章小结

2 MEMS陀螺输出信号检测技术

2.1 MEMS陀螺原理

2.2 MEMS陀螺输出信号的检测方法

2.3 本章小结

3 光干涉相位检测技术

3.1 光干涉原理

3.2 全光纤干涉技术

3.3 光纤干涉信号调制方法

3.4 光纤干涉信号解调方法

3.5本章小结

4 基于光学干涉技术的MEMS陀螺信号读出系统

4.1 系统整体架构

4.2 光路分析

4.3 MEMS陀螺光学干涉检测原理

4.5 相关电路设计、仿真与调试

4.6 光纤探头

4.7 本章小结

5 振动信号数据采集与处理系统

5.1 数据采集与处理系统整体框图

5.2 滤波电路

5.3 判向与信号细分电路

5.4 基于单片机的信号处理

5.5 串口通信

5.6 基于VC的数据采集与处理系统

5.7 本章小结

6 实验结果与分析

6.1 振动信号检测系统实验平台

6.2 实验条件

6.3 实验结果

6.4 实验分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附 录