高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现

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。工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发,提出了一种高精度硅微谐振加速度计工程化设计方法。分别从系统设计、结构设计、控制电路设计和测试与补偿技术等方面进行了分析和对比,讨论了误差来源与改进方法。测试表明,设计的高精度硅微谐振加速度计质量块基频大于3 k Hz,谐振音叉中心频率约18 k Hz,标度因数大于100 Hz/g,量程±40 g,死区小于0.67 mg,带宽大于200 Hz,振动整流误差0.344 mg,零位一次通电稳定性优于50μg,测试结果基本满足工程化应用指标。     

硅微谐振式加速度计数据采集系统设计

硅微谐振式加速度计能将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性都很高的频率信号,因此可以获得优良的性能.高分辨率频率信号的获取需较长的测量时间,而在导航和姿态控制等应用中,测量时间一般又限定在较短的10 ms内.针对10 ms内对中心谐振频率为20 kHz、标度因数为100 Hz/g、量程为±50g.分辨率为±1mg的硅微谐振式加速度计输出的差分频率信号进行测量的要求,讨论荻取加速度测量值的数据采集系统的设计方法.介绍采用基于高速锁相环倍频和CPLD计数的频率测量方案和数据采集系统主要包括的整形电路、倍频电路、计数电路、微控制器和串行通信电路的设计方法.测试表明,设计的系统经达到了设计目标.     

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。     

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.     

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.     

硅微谐振加速度计高精度相位闭环控制系统设计与实现

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。高精度相位闭环控制系统是决定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,从闭环控制系统设计的角度,分析了相位闭环控制回路的原理,提出了一种可以消除匀加速误差的高精度三阶无静差相位闭环控制方案。给出了设计思路,研究了环路性能测试方法,讨论了闭环系统相位误差的来源与抑制方法。所设计的闭环回路在0.1 Hz处静态增益为170 dB,启动时间小于20 ms,实测带宽为432 Hz,全温范围内相位闭环回路相差变化0.84°,系统参数满足设计指标。     

一种高灵敏度低噪声硅微谐振式加速度计

MEMS加速度计经过近四十年的发展,是目前产业化最为成功、应用最为广泛的MEMS器件之一。以硅微机械谐振器作为敏感元件的谐振式MEMS加速度计因具有检测精度高、线性度好、量程大、抗环境噪声能力强等优点,成为新一代高性能MEMS加速度计的重要发展方向。针对微小型无人平台的长时惯性导航、姿态测量等需求,设计了一种具有增敏结构的硅微谐振式加速度计,通过改进微杠杆转轴与惯性质量块支撑梁的几何形状并利用有限元仿真方法进行参数优化,在不增加芯片面积的前提下有效提升了器件灵敏度。器件设计量程±50 g,采用集成圆片级真空封装的SOI-MEMS工艺制造并配套设计了基于0.35 mm工艺的接口ASIC电路用于实现加速度计的闭环工作。所研制的原理样机测试表明,加速度计敏感谐振器品质因数为29300,灵敏度630.81 Hz/g,噪声≤1.7μg/■,零偏不稳定性(Allan方差)≤2.3μg。     

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。     

一种谐振式微加速度计表芯非线性动力学分析及实验

在研制基于静电刚度谐振式微加速度计过程中,发现增大激励电压可以提高输出信噪比,但响应的振动幅度将不稳定,同时谐振频率也将会出现漂移。针对上述问题,建立了静电驱动微机械谐振系统等效行为模型,非线性动力学理论分析结果与实验现象一致,总结出需要从加速度计结构参数优化和减小激励电压两个方面来减小频率漂移和提高分辨率。将结构优化准则应用到制造的微加速度计上,实验结果表明:在5 V敏感电压下,闭环条件下单梁加速度计灵敏度为58 Hz/g,分辨率为3.5 mg。     

高性能氮化铝差分谐振式加速度计的结构设计

提出了一种高性能氮化铝(Al N)差分谐振式加速度计结构。通过引入两级微杠杆来放大质量块的惯性力,提高灵敏度;采用"I"形支撑梁来降低横向灵敏度;利用差频检测方案降低温度共模误差的影响。该加速度计主要由质量块、支撑梁、双级微杠杆和谐振器组成,并通过理论分析和有限元仿真优化了它们的结构参数。模态分析表明两个谐振器的基频大约为373.3 k Hz,与干扰模态的频率差大约为9.4 k Hz,有效地实现了模态隔离。根据灵敏度的仿真结果,Al N差分谐振式加速度计的灵敏度64.6 Hz/g,线性度为0.787%,横向灵敏度为0.0033 Hz/g。热仿真的结果表明单个谐振器的温度灵敏度约为490 Hz/℃,加速度计输出差频的温度灵敏度为–0.83 Hz/℃,证明了差频检测方案可以降低温度共模误差的影响。上述所有仿真结果验证了该加速度计结构设计的可行性。     

摩擦学数据仓库的建立与信息检索方法

通过对摩擦学数据特点进行了分析，提出了一种新的摩擦学数据组织模型－摩擦学数据仓库，并给出了一种实用的基于该模型的超文本信息检索方法。该模型将分散的摩擦学数据和孤立的摩擦学软件系统加以综合运用。通过试用发现该模型可充分体现摩擦学的系统性。     

VISAR数据处理新方法及程序

分析了不同VISAR数据处理方法的原理 ,并在此基础上开发了新的VISAR数据处理程序。该程序采用极坐标法作为计算内核 ,消除了各路信号的不灵敏区 ;计算所需的各个参数相位差、振幅因子的比值 等采用参数拟合的方法从实验信号本身得出 ;程序可以处理信号缺失的情况 ,当四路信号只取得三路时 ,数据处理能照样进行 ;程序的后期处理功能可以判断丢失条纹的数目并恢复速度历史。初步讨论了参数误差对结果的影响。     

Oscillatory and simple shear flows of a flour-water dough: a constitutive model

We reported some dynamic and viscometric data on an Australia strong flour-water dough. In oscillatory shear flow experiments, we found the linear viscoelastic strain limit is extremely low, of O(10^–3), consistent with other published data on doughs. The relaxation spectrum derived from the dynamic data is broad, indicating the blend nature of dough. In the start-up of a simple shear flow, we found the shear stress increases nonlinearly with time to a peak value and then decreases rapidly, with no steady-state response. The concept of steady-state viscosity is not very meaningful here, unless the strain at which the measurements are taken is also specified. The stress peaks are strain-rate dependent; but they occur at a strain of O(10), for the strong flour/water dough used, over four decades of strain rates. The experimental data were used to construct a phenomenological model for dough, consisting of an hyperelastic term (representing the elastic gluten network of permanent cross-linked long chain polymers), and a viscoelastic contribution (representing the suspension of starch globules and other long-chain components in dough that are not parts of the permanent cross-linked gluten network). The model predictions compared favourably with experimental data in oscillatory and shear flows.     

实验数据反演识别分析方法与力学表征

本文给出了两类基于实验(实测)数据的反演识别方法,简述了其在界面力学性能及工程实测数据分析中的应用.在粘接界面力学性能的反演识别实验研究中,基于不同加载速率的实验曲线,结合参数化界面力学模型,通过反演识别给出粘接界面力学性能参数,并对识别结果的适定性进行独立的实验验证;在基于工程实测数据的反演识别与力学建模方面,在分析盾构装备载荷特点的基础上,对海量的实测数据统计分类,提出了力学量纲分析的建模方法,并应用于盾构掘进载荷的反演识别研究.     

基于噪声和残缺投影图像的重建算法研究

滤波反投影法和迭代法是SR-CT重建算法中的两大类算法,松弛迭代法是迭代法中的一种;本文主要研究滤波反投影方法和松弛迭代法.为了研究两种方法的影响因素,讨论了滤波反投影法中滤波函数的选取,分析了松弛迭代法中重要参数,如松弛因子、迭代次数对重建效果的影响,给出了重建效果和这些参数的影响关系;对比了两种方法在处理噪声和残缺...     

三轴仿真转台数据通讯接口设计

本文介绍了三轴仿真转台数据通讯接口的设计，给出了接口关键部分的软硬件结构。     

Kinetic assessment of measured mass flow rates and streamwise pressure distributions in microchannel gas flows

Measured mass flow rates and streamwise pressure distributions of gas flowing through microchannels were reported by many researchers. Assessment of these data is crucial before they are used in the examination of slip models and numerical schemes, and in the design of microchannel elements in various MEMS devices. On the basis of kinetic solutions of the mass flow rates and pressure distributions in microchannel gas flows, the measured data available are properly normalized and then are compared with each other. The 69 normalized data of measured pressure distributions are in excellent agreement, and 67 of them are within 1 ± 0.05. The normalized data of mass flow-rates ranging between 0.95 and 1 agree well with each other as the inlet Knudsen number Kn _i < 0.02, but they scatter between 0.85 and 1.15 as Kn _i > 0.02 with, to some extent, a very interesting bifurcation trend. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (90205024, 10621202 and 10425211).     

面向桥梁长期健康监测的大数据处理技术及应用

简要介绍了桥梁长期健康监测系统的应用,总结了基于桥梁长期健康监测大数据分析技术的研究现状。介绍了基于长期健康监测大数据分析在多尺度关联性分析、异常数据挖掘和分析以及时变可靠度研究三个方面取得的研究进展。通过多尺度关联性分析对各频率组分下的桥梁应变进行了分类,确定了温度对应变的影响;发展了利用应变阈值和小波细节系数进行异常信号识别的方法;提出了局部时变可靠度的计算方法。最后,对基于云计算的桥梁健康监测服务平台的研制及应用进行了介绍和展望。     

光纤捷联惯性测量单元设计与实现

提出了一种捷联式惯性测量单元的设计与实现方法。该系统以开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件，采用高速DSP作为中央处理器实现数据采集、处理及输出。重点介绍了系统的数据采集模块、处理模块、通讯模块等硬件电路及相应软件的设计。系统通过转台实验进行了离线标定及在线补偿，测试结果表明：系统在功能、精度以及实时性等方面达到了预期的设计目标。     

NY—1型高压毛细管式粘度计的工作原理与测试结果的数据处理

本文对自行研制的NY-1型高压毛细管式粘度计的工作原理及其测试结果的数据处理方法作了论述,指出这种粘度计可以测量润滑油在100MPa以内的粘度,通过测量和计算还可以求出润滑油的压-粘系数α值,并且能够在10—150℃内进行加热和控温,因而能够测量润滑油在较宽温度范围内的压-粘关系。