基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

　　加速度计是惯性导航系统和惯性制导系统的重要器件,用来测量运动物体的加速度和线性位移.已有的加速度计种类繁多,而且能够满足现有的绝大多数应用领域的要求,但随着应用需求的变化,要求惯性器件同时具备精度高、体积小、重量轻、耗能低、经济以及易于批量生产等特点,已有的加速度计却很难同时满足这些变化.

　　微型光机电加速度计MOEMS (或OpticMEMS)加速度计,是一种基于微光学技术和基于MEMS制造技术的新型加速度[1].与传统加速度计相比,MOEMS加速度计除了具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、在恶劣环境下使用的无与伦比的独特优点外,还具有体小质轻、动态范围宽、响应快、精度高等优点,因此,引起国内外研究者极大的研究兴趣.根据工作原理,MOEMS加速度计主要有3大类:光强调制型[2,3]、相位调制型和波长调制型.其中,相位调制型MOEMS加速度计研究得最多,利用了Michlson干涉法[4]、M-Z干涉法[5]或Fabry-Perot干涉法[6],以干涉光的相位变化来感知加速度.

　　本文提出一种闭环反馈差动式双FP腔的MOEMS加速度计———DFPI(双路Fabry-Perot干涉)静电伺服硅微加速度计.结合某使用背景优化了设计参数,并对所设计的加速度计重要参数指标———灵敏度、敏感头受载、固有频率等进行了详细计算和分析.

　　1　系统原理及构成设计

　　加速度计惯性敏感单元的基本力学模型是一个质量-弹簧-阻尼系统,加速度通过敏感质量形成惯性力作用于系统.加速度计是一个典型的二阶连续时间系统.根据牛顿第二定律,对于该力学模型,可写出二阶微分方程:

式中,m,υ,k分别为质量、粘性阻尼系数及弹性刚度;x(t)为质量相对壳体的位移;a(t)为输入加速度.

　　如果将加速度计的壳体固定在载体上,只要能把敏感质量在敏感轴方向相对壳体的位移x测出来,便可以把它作为加速度a的间接度量.本文设计的加速度计利用Fabry-Perot干涉法测量敏感质量的位移,利用差动式双FP腔方案是为了提高加速度计的温度环境下的稳定性,闭环反馈目的是提高加速度计的动态范围.

　　1.1　系统设计

　　图1和图2分别是所设计DFPI静电伺服硅微加速度计的结构简图和系统框图.整个系统由惯性敏感单元、干涉测量单元、信号处理单元和静电伺服单元4个部分构成.

　　惯性敏感单元质量块感受到图示方向的加速度,产生位移.这一位移被检测单元的Fabry-Perot干涉仪感知并转变成光强信号,再经探测器转变成电流信号.信号处理单元对该信号进行滤波、放大等处理,得到与输入加速度成线性关系的电压信号.该电压即为输出信号,该输出信号同时被反馈到静电伺服单元的差动电容的动极板上,形成一个与惯性力矩相平衡的反馈力矩,使质量块回到零位,实现闭环反馈控制.