本文關(guān)鍵詞：集成光學(xué)加速度計及測試系統(tǒng)的設(shè)計

  更多相關(guān)文章： 加速度計 集成光波導(dǎo) 信號處理系統(tǒng) MZ干涉 Fano諧振

【摘要】：加速度計是慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制系統(tǒng)的重要測試元件,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航、人造衛(wèi)星的姿態(tài)控制、剎車系統(tǒng)控制、大型電器設(shè)備的振動測量以及石油地震勘探等領(lǐng)域。近年來,隨著微機械加工技術(shù)和集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,兼具微機械加速度計集成化、微型化與光學(xué)加速度計高精度、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢的微光機電(MOEMS)加速度計得到了國內(nèi)外廣泛研究。與傳統(tǒng)機械式、光纖加速度計性能參數(shù)的表征不同,MOEMS加速度計的性能表征涉及光學(xué)、電學(xué)與材料力學(xué)等各項性能參數(shù),因此設(shè)計合理的MOEMS加速度計測試系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文主要研究了一種基于馬赫一曾德爾(Mach-Zehnder, MZ)干涉式光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的MOEMS加速度計和創(chuàng)新性提出的一種基于Fano諧振式光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高精度MOEMS加速度計,包括光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析與工藝制備,并針對這兩種MOEMS加速度計設(shè)計了信號檢測系統(tǒng),建立了加速度計動態(tài)測試分析平臺,測試了兩種加速度計的傳感性能。本文的主要研究內(nèi)容具體包括以下幾個方面：1、詳細(xì)推導(dǎo)了基于MZ干涉式/Fano諧振式光波導(dǎo)加速度計傳感模型,得到了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù)和靈敏度公式,并分析了懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對加速度靈敏度的影響。2、根據(jù)所推導(dǎo)的光強與加速度關(guān)系式,仿真分析了加速度靈敏度的各個影響因素。仿真結(jié)果表明加速度靈敏度主要受懸臂梁的厚度和楊氏模量、傳輸損耗、耦合系數(shù)參數(shù)影響；Fano諧振式加速度計的理論靈敏度是MZ干涉式加速度計靈敏度的393倍,加速度計理論靈敏度分別為111.75mW/g、0.28 mW/g。3、針對兩種加速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實驗研究。分別用兩種不同折射率的氟化聚酯材料作為芯層進(jìn)行了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和工藝流程的優(yōu)化設(shè)計,得到了具有良好的通光效果和柔韌性的傳感芯片。4、設(shè)計了基于集成光學(xué)加速度計信號檢測系統(tǒng),完成了信號調(diào)理電路的硬件設(shè)計,調(diào)理電路最小可檢測光功率為-30 dBm,信號調(diào)理電路的輸出電壓與光功率具有良好的線性關(guān)系。編寫了ADC采樣程序和LCD液晶屏顯示程序,調(diào)試了信號檢測系統(tǒng)的軟件,實現(xiàn)了調(diào)理電路的信號采集,最后在LCD液晶屏上完成了采樣信號的波形顯示。5、搭建了集成光學(xué)加速度計動態(tài)測試分析平臺,對所制備的MZ干涉式加速度傳感芯片進(jìn)行了動態(tài)加速度性能測試,測試結(jié)果表明MZ干涉式加速度傳感器的靈敏度為192.31 mV/g,傳感芯片的輸出電壓與基準(zhǔn)加速度的線性度非常好。加速度傳感芯片的分辨率為10-2g,動態(tài)范圍為±2g。
【關(guān)鍵詞】：加速度計 集成光波導(dǎo) 信號處理系統(tǒng) MZ干涉 Fano諧振
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH824.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 加速度計概述9-12
• 1.1.1 加速度計測量原理9-10
• 1.1.2 加速度計的應(yīng)用范圍10-11
• 1.1.3 加速度計的發(fā)展11-12
• 1.2 集成光學(xué)加速度計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 集成光學(xué)加速度傳感器概述12-13
• 1.2.2 國內(nèi)外MOEMS加速度計研究進(jìn)展13-17
• 1.3 集成光學(xué)加速度計測試系統(tǒng)概述17-20
• 1.3.1 光電探測的定義及意義17
• 1.3.2 集成光學(xué)加速度計測試系統(tǒng)研究現(xiàn)狀17-20
• 1.4 本論文的研究目的及基本內(nèi)容20-21
• 第二章 集成光學(xué)加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析21-35
• 2.1 引言21-23
• 2.1.1 雙光束干涉21-22
• 2.1.2 多光束干涉22-23
• 2.2 MZ干涉式柔性光波導(dǎo)加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析23-28
• 2.2.1 MZ干涉式柔性光波導(dǎo)加速度計理論推導(dǎo)23-26
• 2.2.2 MZ干涉式柔性光波導(dǎo)加速度計仿真分析26-27
• 2.2.3 MZ干涉式柔性光波導(dǎo)加速度傳感芯片制備27-28
• 2.3 Fano諧振式柔性光波導(dǎo)加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析28-34
• 2.3.1 Fano諧振式柔性光波導(dǎo)加速度計理論推導(dǎo)28-30
• 2.3.2 Fano諧振式柔性光波導(dǎo)加速度計仿真分析30-32
• 2.3.3 Fano諧振式柔性光波導(dǎo)加速度計傳感芯片制備32-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第三章 集成光學(xué)加速度計信號檢測系統(tǒng)設(shè)計35-43
• 3.1 引言35-36
• 3.1.1 集成光學(xué)加速度計信號檢測系統(tǒng)方案設(shè)計36
• 3.2 集成光學(xué)加速度計信號檢測系統(tǒng)調(diào)理電路設(shè)計36-40
• 3.2.1 光電探測器36
• 3.2.2 MAX4004電流轉(zhuǎn)電壓模塊36-37
• 3.2.3 ADA4528電壓放大器模塊37
• 3.2.4 穩(wěn)壓電源模塊37-38
• 3.2.5 硬件調(diào)試38-40
• 3.3 集成光學(xué)加速度計信號檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計40-42
• 3.3.1 STM32嵌入式系統(tǒng)概述40
• 3.3.2 ADC采樣模塊40-41
• 3.3.3 液晶屏顯示模塊41-42
• 3.3.4 軟件調(diào)試42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第四章 集成光學(xué)加速度計傳感性能測試43-51
• 4.1 引言43-45
• 4.1.1 集成光學(xué)加速度計性能指標(biāo)43-44
• 4.1.2 集成光學(xué)加速度計動態(tài)測試分析平臺的搭建44-45
• 4.2 集成光學(xué)加速度計傳感性能的測試與分析45-48
• 4.2.1 基于Fano諧振式加速度傳感性能測試45-46
• 4.2.2 基于MZ干涉式加速度傳感性能測試46-48
• 4.3 集成光學(xué)加速度計噪聲、分辨率的分析48-49
• 4.4 本章小結(jié)49-51
• 第五章 總結(jié)與展望51-53
• 5.1 研究工作總結(jié)51-52
• 5.2 下一步工作展望52-53
• 致謝53-55
• 參考文獻(xiàn)55-59
• 作者簡介59

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：620643