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基于光学干涉相位检测的MEMS陀螺信号读出技术研究

罗浩菱  
【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Multisim 10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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