高精度MOEMS加速度计信号处理系统设计

摘要

本文设计搭建了一套针对高精度MOEMS加速度计的信号处理系统。MOEMS加速度计将微光学技术与微机械加工技术相结合，不仅具有体积小、响应快、可在恶劣环境中工作等优点，还具有很高的测量精度和灵敏度，成为国防军事惯性导航与制导系统中最具应用前景的加速度传感器。具有很高精度的MOEMS加速度计需要低噪声信号处理系统的配合，因此，完成低噪声、高精度信号处理系统的研制是实现高加速度测量精度的重要环节。而且为实现MOEMS加速计的集成化和小型化，选用合适的系统光源并设计相应的驱动电路是非常必要的，因此，本文采用VCSEL作为系统光源，并将其与信号调理电路集成在一起来大大提高MOEMS加速计系统的集成度。
　　本论文的主要研究内容包括以下几个方面:
　　1.简要介绍了微加速度计的测量原理、应用范围、研究现状和发展趋势，分析比较了各种微加速度计的优缺点，提出了本文的研究内容以及目标。
　　2.简要介绍了本文中基于徼结构光栅的MOEMS加速度计的位移传感机制和加速度传感机制，并说明该加速度计系统的工作原理。
　　3.总结了几种常见的信号处理方案并详细介绍了本文中相位调制-解调技术的实现过程。
　　4.搭建了MOEMS加速度计信号处理系统，包括电源设计、探测器选择、跟随器以及差分放大电路设计和带通滤波器设计。选用VCSEL作为系统光源并设计制作了相应的恒流驱动电源和恒温控制电路。
　　5.搭建了单光路位移测量装置以验证信号处理系统性能，通过实验数据得到电路板的暗电流噪声达到1.1mv，位移测量灵敏度达到了40.21859V/μm。搭建了双光路位移测量装置并设计了相应的双路信号采集系统来补偿位移装置中He-Ne激光器功率波动对系统测量精度的影响。
　　6.将本文设计的信号调理电路与DSP数据采集系统应用于仍有诸多改进空间的加速度测量系统中，得到了其加速度分辨率为42.1μg，性能与当前国内工程化应用中最高分辨率水平的加速度计相当。
　　最后对本文所涉及的研究工作进行了总结，并对未来的工作进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 微加速度计简介

1．1．1 微加速度计的测量原理

1．1．2 微加速度计的应用范围

1．2 微加速度计的研究现状

1．2．1 MEMS加速度计的研究现状

1．2．2 MOEMS加速度计的研究现状

1．3 微加速度计的发展方向

1．4 研究内容及目标

1．4．1 研究背景和目标

1．4．2 研究内容

2 MOEMS加速度计系统介绍

2．1 MOEMS加速度计的位移传感结构

2．2 MOEMS加速度计的加速度传感结构

2．3 MOEMS加速度计传感芯片

2．4 MOEMS加速度计系统的工作原理

3 MOEMS加速度计的信号处理系统

3．1 MOEMS加速度计的信号处理方案

3．1．1 时域检测法

3．1．2 频域检测法

3．1．3 时频分析法

3．1．4 基于非线性理论的检测法

3．2 相位调制-解调技术

3．2．1 相位调制的实现

3．2．2 解调过程的实现

3．3 信号调理电路设计

3．3．1 信号调理电路各个模块设计

3．3．2 单光路信号处理系统设计

3．3．3 双光路信号处理系统设计

4 MOEMS加速度计实验结果和数据分析

4．1 电源性能测试

4．2 光源VCSEL的性能测试

4．3 单光路位移实验数据与分析

4．3．1 使用探测器OP1133的实验结果与分析

4．3．2 使用探测器S8745-01的实验结果与分析

4．3．3 单光路位移测量装置系统噪声

4．4 双光路位移实验数据与分析

4．5 加速度实验数据与分析

4．5．1 加速度翻滚实验结果与数据分析

4．5．2 加速度系统调制解调实验结果与数据分析

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简介