[实用新型]一种光学MEMS加速度计中三光路信号补偿系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及加速度计中的一种信号补偿系统和方法，特别涉及光学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三光路信号补偿系统。

背景技术

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这两个系统同时决定。

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，质量块上表面镀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)、镀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，两衍射光发生干涉后的干涉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涉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。由于干涉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10μg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，这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，频率波动会引入干涉场的相位误差，从而对测得的位移量和加速度值产生影响，对于该误差，可以选取稳频激光器以消除和避免；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，这些影响都不能被忽略。

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。

发明内容

本实用新型提供一种应用于光学MEMS加速度计中的基于三光路补偿光路的信号补偿系统，本实用新型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，本实用新型的技术方案如下：

一种光学MEMS加速度计中三光路信号补偿系统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、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，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；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，以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，以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；