集成光学加速度计及测试系统的设计

发布时间：2017-08-04 16:40

  本文关键词：集成光学加速度计及测试系统的设计

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【摘要】：加速度计是惯性导航、制导和控制系统的重要测试元件,广泛应用于导弹制导、飞机导航、人造卫星的姿态控制、刹车系统控制、大型电器设备的振动测量以及石油地震勘探等领域。近年来,随着微机械加工技术和集成光学技术的发展,兼具微机械加速度计集成化、微型化与光学加速度计高精度、抗电磁干扰等显著优势的微光机电(MOEMS)加速度计得到了国内外广泛研究。与传统机械式、光纤加速度计性能参数的表征不同,MOEMS加速度计的性能表征涉及光学、电学与材料力学等各项性能参数,因此设计合理的MOEMS加速度计测试系统就显得尤为重要。本文主要研究了一种基于马赫一曾德尔(Mach-Zehnder, MZ)干涉式光波导结构的MOEMS加速度计和创新性提出的一种基于Fano谐振式光波导结构的高精度MOEMS加速度计,包括光波导的结构设计、仿真分析与工艺制备,并针对这两种MOEMS加速度计设计了信号检测系统,建立了加速度计动态测试分析平台,测试了两种加速度计的传感性能。本文的主要研究内容具体包括以下几个方面：1、详细推导了基于MZ干涉式/Fano谐振式光波导加速度计传感模型,得到了光波导结构的传输函数和灵敏度公式,并分析了悬臂梁结构参数和波导结构参数对加速度灵敏度的影响。2、根据所推导的光强与加速度关系式,仿真分析了加速度灵敏度的各个影响因素。仿真结果表明加速度灵敏度主要受悬臂梁的厚度和杨氏模量、传输损耗、耦合系数参数影响；Fano谐振式加速度计的理论灵敏度是MZ干涉式加速度计灵敏度的393倍,加速度计理论灵敏度分别为111.75mW/g、0.28 mW/g。3、针对两种加速度结构进行了实验研究。分别用两种不同折射率的氟化聚酯材料作为芯层进行了波导结构和工艺流程的优化设计,得到了具有良好的通光效果和柔韧性的传感芯片。4、设计了基于集成光学加速度计信号检测系统,完成了信号调理电路的硬件设计,调理电路最小可检测光功率为-30 dBm,信号调理电路的输出电压与光功率具有良好的线性关系。编写了ADC采样程序和LCD液晶屏显示程序,调试了信号检测系统的软件,实现了调理电路的信号采集,最后在LCD液晶屏上完成了采样信号的波形显示。5、搭建了集成光学加速度计动态测试分析平台,对所制备的MZ干涉式加速度传感芯片进行了动态加速度性能测试,测试结果表明MZ干涉式加速度传感器的灵敏度为192.31 mV/g,传感芯片的输出电压与基准加速度的线性度非常好。加速度传感芯片的分辨率为10-2g,动态范围为±2g。
【关键词】：加速度计 集成光波导 信号处理系统 MZ干涉 Fano谐振
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 加速度计概述9-12
• 1.1.1 加速度计测量原理9-10
• 1.1.2 加速度计的应用范围10-11
• 1.1.3 加速度计的发展11-12
• 1.2 集成光学加速度计国内外研究现状12-17
• 1.2.1 集成光学加速度传感器概述12-13
• 1.2.2 国内外MOEMS加速度计研究进展13-17
• 1.3 集成光学加速度计测试系统概述17-20
• 1.3.1 光电探测的定义及意义17
• 1.3.2 集成光学加速度计测试系统研究现状17-20
• 1.4 本论文的研究目的及基本内容20-21
• 第二章 集成光学加速度计的结构设计和理论分析21-35
• 2.1 引言21-23
• 2.1.1 双光束干涉21-22
• 2.1.2 多光束干涉22-23
• 2.2 MZ干涉式柔性光波导加速度计结构设计与理论分析23-28
• 2.2.1 MZ干涉式柔性光波导加速度计理论推导23-26
• 2.2.2 MZ干涉式柔性光波导加速度计仿真分析26-27
• 2.2.3 MZ干涉式柔性光波导加速度传感芯片制备27-28
• 2.3 Fano谐振式柔性光波导加速度计结构设计与理论分析28-34
• 2.3.1 Fano谐振式柔性光波导加速度计理论推导28-30
• 2.3.2 Fano谐振式柔性光波导加速度计仿真分析30-32
• 2.3.3 Fano谐振式柔性光波导加速度计传感芯片制备32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 集成光学加速度计信号检测系统设计35-43
• 3.1 引言35-36
• 3.1.1 集成光学加速度计信号检测系统方案设计36
• 3.2 集成光学加速度计信号检测系统调理电路设计36-40
• 3.2.1 光电探测器36
• 3.2.2 MAX4004电流转电压模块36-37
• 3.2.3 ADA4528电压放大器模块37
• 3.2.4 稳压电源模块37-38
• 3.2.5 硬件调试38-40
• 3.3 集成光学加速度计信号检测系统软件设计40-42
• 3.3.1 STM32嵌入式系统概述40
• 3.3.2 ADC采样模块40-41
• 3.3.3 液晶屏显示模块41-42
• 3.3.4 软件调试42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 集成光学加速度计传感性能测试43-51
• 4.1 引言43-45
• 4.1.1 集成光学加速度计性能指标43-44
• 4.1.2 集成光学加速度计动态测试分析平台的搭建44-45
• 4.2 集成光学加速度计传感性能的测试与分析45-48
• 4.2.1 基于Fano谐振式加速度传感性能测试45-46
• 4.2.2 基于MZ干涉式加速度传感性能测试46-48
• 4.3 集成光学加速度计噪声、分辨率的分析48-49
• 4.4 本章小结49-51
• 第五章 总结与展望51-53
• 5.1 研究工作总结51-52
• 5.2 下一步工作展望52-53
• 致谢53-55
• 参考文献55-59
• 作者简介59

【参考文献】

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本文编号：620643