基于FPGA的高精度硅微谐振加速度计数据采集与参数补偿系统设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。频率信号的高精度采集和系统参数补偿是提高硅微谐振加速度计性能的重要手段之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从双路差动频率信号的精确采集和系统误差参数补偿角度出发,分析了数据采集的原理,提出了一种高精度硅微谐振加速度计用数据采集与参数补偿方法。给出了设计思路和电路实现方法,讨论了误差来源与改进方法。所设计的数据采集系统针对中心频率18 k Hz.,标度因数400 Hz/g,量程±20g的加速度计,数据更新周期200 ms下频率分辨率为0.0005 Hz,等效加速度分辨率达到1.25μg。测试表明,补偿后的硅微谐振加速度计,在全温(-40~+70℃)内,K0温度系数从262μg/℃降低到29.9μg/℃,K1变化量从4.18%降低到2.04‰,全量程非线性从7.16‰降低到0.128‰,系统参数满足设计指标。     

谐振式加速度计非线性振动的建模与优化

实验发现硅微谐振式加速度计非线性效应的弱化可以降低测量噪声,对非线性振动进行了推导与建模,利用扫频数据得到模型中的未知参数,并根据模型计算出使非线性效应消失所需的激励电压,给闭环工作点的设计提供了理论指导。实验结果表明:模型与实际系统在各激励电压幅值下均保持一致,非线性效应消失点和实验吻合。根据闭环工作点的设置进行了方案优化,最终在0.25 mV激励电压下的闭环实验中,实现了5.5×10~(-5) Hz的频率输出噪声,对应加速度噪声为1.7μg,与之前30μg的噪声水平相比改善了数十倍。     

大载荷下线振动微机械陀螺谐振频率漂移特性

线振动 MEMS 陀螺在大载荷条件下,驱动轴与检测轴的谐振频率会发生漂移,频差随载荷变大.这类型振动陀螺为了提高灵敏度往往将两个振动轴的谐振频率设计得尽量靠近,但当角速率载荷较大时,两个振动轴的谐振频率将发生分裂漂移,彼此互相远离.漂移量与向心加速度无关,近似与角速率载荷的平方成正比,且两轴的谐振频率越靠近漂移越剧烈.考虑到 Coriolis 效应的弹簧质量块二维振动数学模型可定量描述该现象,表明此现象为线振动陀螺 Coriolis 效应的一部分.理论分析、仿真研究和实验数据的不同角度对这种频率漂移特性的分析结果吻合良好,为进一步结构优化奠定了理论基础.     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真

硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点.提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证.所设计加速度计的谐振频率约29 kHz,标度因数为95 Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%.经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振嚣原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大.     

微机械静电伺服加速度计

本文详细介绍了微机械静电伺服加速度计的系统工作原理、结构和线路设计特点 ,并对其封装样品作了简要的叙述。给出了用于± 4g,线性度小于 2 % ,分辨率低于 5× 1 0 - 3g的微加速度计实验结果。     

一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号,可以获得优良的性能。针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法。集成式石英加速度计输出多路谐振信号,形成差频信号,融合后可以得到高精度的数字信号,设计了基于FPGA的电路实现方案。通过实验测试结果,输出数据响应时间为125 ms的条件下,传感器标度因数从传统的100 Hz/g以下提升到1742.5 Hz/g,线性相关系数为R~2=0.9985。提出的信号处理与融合方法具有较高的信号处理实时性,显著提高了石英谐振加速度计的灵敏度,可以应用于集成式石英谐振加速度计数据信号处理以及实时测量系统中。     

硅微谐振加速度计交流检测信号解耦技术

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出及潜在的敏感结构与处理电路实现一次集成的优势,成为硅微传感器研制的热点之一。针对交流检测信号耦合效应对硅微谐振加速度计性能的重要影响,在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构和电路两方面研究了交流检测信号耦合效应的来源,分析了耦合效应对检测电路和闭环控制精度的影响。采用双质量块结构方案和电路优化设计所研制的硅微谐振加速度计,基频为15 kHz,标度因数为36 Hz/g,量程为±30 g。试验证明耦合效应对仪表性能的影响降低到0.3 mg以内。     

六轴硅微静电加速度计的悬浮回路设计

传统的静电加速度计在空间微弱加速度测量方面可以获得极高的分辨率。提出了一种采用静电悬浮、可实现六轴加速度测量的微静电加速度计。敏感组合件采用玻璃-硅-玻璃三层键合结构、体硅加工工艺;检测质量采用"回"字形结构,以提高加速度计的径向量程和刚度。利用有限元软件分析了大气环境下检验质量的气模阻尼特性,对六自由度静电悬浮回路进行了建模与分析,提出了实现六轴加速度检测的控制方案。给出了静电悬浮回路的仿真结果,评估了六轴加速度计的性能。     

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施.研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h 零偏稳定性达到42.5μg.     

参数激励下静电驱动MEMS共振传感器的非线性动力特性研究

静电驱动微机电系统(MEMS)共振传感器因其结构简单、应用广泛等优点引起了研究人员广泛的关注,共振传感器件耦合系统在非线性静电力、压膜阻尼、参数激励下呈现出较复杂的非线性振动、不稳定性、分岔与混沌行为.提出参数激励作用下静电驱动微机电系统中梁式微结构共振传感器的动力学模型,采用多尺度方法对微系统的动力学方程进行摄动分析,探讨直流偏置电压、压膜阻尼和交流激励电压幅值对系统频率响应、共振频率的影响规律,结果表明:直流偏置电压和交流电压幅值都具有软化效应,且使共振频率漂移到较小的数值范围,压膜阻尼对共振频率的影响较小,但是增大压膜阻尼会使稳态振幅的峰值明显下降,为静电驱动微机电系统共振传感器的动力学分析与设计提供参考.     

静电悬浮天基超静平台电容式检驱一体化电路设计方法

电容式检驱一体化电路是静电悬浮式天基超静平台的关键技术之一,为实现对大型载荷平台的宽频微振动控制,要求电容式检驱一体化电路具有兼容高频高压反馈驱动的特性。以星载静电悬浮加速度计中的电容式检驱一体化电路为基础,详细推导了检测与驱动对电路输出的传递特性,并基于传递特性的理论分析分别从频域和时域提出两种解耦降噪的设计方法,有效抑制了驱动信号的线性/非线性耦合干扰。实验结果表明,所提方法可使主频为1 kHz、幅值为1 kV的驱动造成的耦合影响低于76.3μV。     

高精度加速度计分辨率的动态估算方法

高精度定位定向系统和重力测量系统需要高分辨率的加速度计,传统测试方法难以确定高精度加速度计的分辨率。对此,提出了一种使用双轴转台动态估算加速度计分辨率的方法,即匀速旋转调制法。将加速度计安装在双轴转台台面上,待转台调平,台面绕倾斜轴转过一个小角度后锁死,回转轴以一定的角速度旋转调制以对重力加速度分量进行细分,将加速度计的输出采样后进行FFT低通滤波,通过加速度计峰值与谷值处输出变化最大值的分析可以确定加速度计的分辨率。最后,对某型加速度计分辨率进行了实验验证,测试结果表明,当倾斜角度为0.001°,旋转调制角速率为10(°)/s,采样率为32 Hz时,输入的加速度最大变化为9.36×10-8g,加速度计敏感到的加速度变化量为1.05×10-7g。     

Active control scheme for improving mass resolution of film bulk acoustic resonators

High mass resolution of sensors based on film bulk acoustic resonators (FBARs) is required for the detection of small molecules with the low concentration.An active control scheme is presented to improve the mass resolution of the FBAR sensors by adding a feedback voltage onto the driving voltage between two electrodes of the FBAR sensors. The feedback voltage is obtained by giving a constant gain and a constant phase shift to the current on the electrodes of the FBAR sensors. The acoustic energy produced by the feedback voltage partly compensates the acoustic energy loss due to the material damping and the acoustic scattering, and thus improves the quality factor and the mass resolution of the FBAR sensors. An explicit expression relating to the impedance and the frequency for an FBAR sensor with the active control is derived based on the continuum theory by neglecting the influence of the electrodes. Numerical simulations show that the impedance of the FBAR sensor strongly depends on the gain and the phase shift of the feedback voltage, and the mass resolution of the FBAR sensor can greatly be improved when the appropriate gain and the phase shift of the feedback voltage are used. The active control scheme also provides an effective solution to improve the resolution of the quartz crystal microbalance (QCM).     

激光陀螺漂移的数据建模和滤波

在对激光陀螺漂移数据建立时间序列模型的基础上,采用卡尔曼滤波算法对激光陀螺的漂移数据进行了处理,并用频谱分析和Ａｌｌａｎ 方差分析的方法,对滤波的结果进行了分析,表明此方法能有效地提高激光陀螺的精度。     

结构电磁有限元分析的网格依赖性研究

分析了基于有限元方法的超材料电磁性能仿真分析结果对有限元网格的依赖性.通过对仿真结果的分析,发现基于S参数的材料性能参数反演结果对S参数的计算准确度的依赖性巨大,特别是处在谐振频域的S参数误差会导致等效电磁参数的性态误差.针对基于求解频率的网格自适应技术对远离求解频率的谐振频域的分析结果的准确度改善不够这个问题,需要确定合适的求解频率来执行网格自适应.提出了一种改进电磁性能仿真分析准确度的方法,其基本思想是首先给定一个初始的求解频率值,根据Kramers-Kronig关系反演等效电磁参数,进而获得谐振频率的近似值,并把此值作为求解频率来实现网格自适应以获得合适的网格剖分,最后经扫频获得S参数并进行等效电磁参数的反演.数值结果表明,该方法可有效提高仿真分析和参数反演的准确度.     

Modeling and dynamic analysis of a magnetically actuated butterfly valve

In this work, a magnetically actuated butterfly valve is considered and a novel and accurate mathematical model is derived. The equilibrium of the system is investigated and the effects of the inlet velocity and direct current voltage (DC) on the stable rotation angle of the valve are presented. Considering a time periodic perturbation arising from electric circuit, the effects of the operating angle, inlet velocity, and driving parameters on the periodic and chaotic dynamics of the system are investigated. It is observed that, for an opening angle less than the cut-off angle, there exists a unique DC voltage for a stable equilibrium. The stability of this equilibrium depends nonlinearly on the inlet velocity and the seating torque. An expression is derived for the threshold value for the stability of the valve. Under periodic voltage, the inlet velocity and stable angle induce a backward shift on the resonant frequency, and jump phenomena and subharmonics are observed for some values of the driving amplitude. The highest amplitudes of vibration are detected for a fully open valve, for an almost closed valve, and for a valve with large inlet velocity. Using bifurcation diagrams and Lyapunov exponents, it is shown that the system exhibits a route to chaos with windows of period doubling and unbounded motion. Some guidance for design of magnetically actuated butterfly valves is proposed as well as recommendations for future work.     

捷联惯导系统多位置对准研究

利用把线性时变系统作为分段常系数系统来研究其可观性的方法,对多位置静态捷联惯导系统的误差方程进行了可观性分析,并采用卡尔曼滤波技术,对平台误差角及测量元件误差进行了估计,给出了两位置及三位置的方差仿真曲线。仿真结果表明三位置对准提高了方位误差角及垂直陀螺误差的可观度,从而加速了它们的收敛速度,提高了系统的对准、标定精度。     

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。     

Nonlinear dynamic analysis of a photonic crystal nanocavity resonator

A nonlinear dynamic model of a one-dimensional photonic crystal nanocavity resonator is presented. It considers the internal tensile stress and the geometric characteristics of a photonic crystal with rectangular(and circular) holes. The solution of the dynamic model shows that the internal tensile stress can suppress the hardening and softening behaviors of the resonator. However, the stress can reduce the amplitude, which is not conducive to an improvement of the sensitivity of the sensor. It is demonstrated that with an optimized beam length, the normalized frequency drift of the beam can be stabilized within 1% when the optical power increases from 2 mW to 6 mW. When the hole size of the resonator beam is close to the beam width, its increase can lead to a sharp rise of the resonant frequency and the promotion of hardening behavior. Moreover,the increase in the optical power initially leads to the softening behavior of the resonator followed by an intensification of the hardening behavior. These theoretical and numerical results are helpful in understanding the intrinsic mechanism of the nonlinear response of an optomechanical resonator, with the objective of avoiding the nonlinear phenomena by optimizing key parameters.     

Dynamic pull-in phenomenon in MEMS resonators

We study the pull-in instability in microelectromechanical (MEMS) resonators and find that characteristics of the pull-in phenomenon in the presence of AC loads differ from those under purely DC loads. We analyze this phenomenon, dubbed dynamic pull-in, and formulate safety criteria for the design of MEMS resonant sensors and filters excited near one of their natural frequencies. We also utilize this phenomenon to design a low-voltage MEMS RF switch actuated with a combined DC and AC loading. The new switch uses a voltage much lower than the traditionally used DC voltage. Either the frequency or the amplitude of the AC loading can be adjusted to reduce the driving voltage and switching time. The new actuation method has the potential of solving the problem of high driving voltages of RF MEMS switches.