基于等效变预载法的静电加速度计闭环零点调节

闭环零点位置对差动电容式静电加速度计性能具有重要影响,闭环零点偏离机械零点会增大标度因子非线性。为精确调节闭环零点,提出了一种等效变预载闭环零点调节方法,能够在预载和反馈电压不对称情况下实现闭环零点位置的精确辨识和调节。利用静电加速度计原理样机测试了闭环零点调节前后的系统非线性特性,实验结果表明采用上述方法进行闭环零点调节后,表征标度因子非线性的二次项系数由-1.7×10-7降低为-3.3×10-8,验证了上述方法的有效性。     

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.     

三轴压阻微加速度计的结构力学分析

为了提高三轴加速度计机械精度和加工过程中硅片的一致性,设计了基于SOI的单质量块四边八梁结构的三轴加速度计。通过连接扩散在梁上的压敏电阻构成得惠斯通电桥检测三个方向的加速度信号。电桥设计为开环形式,并给出三个方向的电桥输出。结合材料力学和振动力学中的相关理论,建立了结构的数学模型,并对其进行了系统的力学分析,从而得出结构参数对加速度计的一阶固有频率、灵敏度等性能的影响。利用有限元ANSYS仿真软件对结构模型进行了静态和模态分析,验证了力学分析的正确性。最后设计了八张版图及一套可行的工艺流程并加工出加速度计裸片。该微加速度计可同时检测三维加速度矢量,且电桥和结构的设计均较好的抑制了横向效应。     

硅微振梁式加速度计抗温漂的微结构及工艺设计

针对硅微振梁式加速度计输出频率随环境温度漂移的问题,提出了抗温漂的硅微结构设计方法及相关工艺,降低了环境温度对输出的影响,在室温条件即可达到一定精度。通过建立"硅-玻璃"和"玻璃-陶瓷"耦合模型,分析了造成硅微振梁式加速度计温度漂移的原因。然后提出了"抗温漂耦合设计"的微结构和"半粘结封装"的封装工艺,降低了耦合模型中的理论温漂。利用加工出的原理样机进行实验,结果显示,采用抗温漂结构设计及封装工艺的原理样机,输出频率的温漂系数为-3.5×10-6/℃,室温下零偏稳定性为72.0μg。实验验证了抗温漂理论的可行性,可以满足室温下高精度硅微振梁式加速度计的设计要求。     

电容式微加速度计零偏的补偿方法

在电容式微加速度计系统中,零偏是一个普遍存在的问题.针对这个问题设计了一种采用二进制权重的微小电容阵列,引入了基于电荷的电容测量方法并对其进行了仿真验证,验证表明这种电容测量方法具有约0.01fF的测量精度.采用该种电容测量方法对微小电容阵列进行仿真,在线宽为0.18 um的一层多晶硅六层金属的CMOS工艺下,取得了1.23% 的相对精度,表明这种方法是可行性.     

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。     

静电加速度计标度因数和零偏误差标定

为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合非线性Batch估计算法,研究了静电加速度计标度因数和零偏误差标定。首先,充分考虑静电加速度计量测过程中可能出现的各种误差源并进行分析,建立了静电加速度计在动态设计良好并进入稳态后,卫星姿态稳定度优于0.01°/s,卫星质心保持精度优于2mm的情况下的量测模型。然后,将高精度地球引力场模型和静电加速度计量测数据代入非线性Batch估计算法的的动力学方程中,将GPS量测数据代入非线性Batch估计算法的量测方程中,建立了静电加速度计标定因数和零偏误差标定模型。最后,通过数学仿真验证了该方法的可行性,其标定精度可达到0.2%,具有一定工程应用参考价值。     

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。     

高精度硅微谐振加速度计频率测量输出电路

硅微谐振加速度计是一种频率输出的MEMS仪表,针对其差动频率输出的特点和对静态与动态高精度测试精度的要求,设计并实现了一种高精度频率输出电路,实现了差动频率的实时相减和静态与动态频率信号输出。对电路及仪表的精度进行了测试,测试结果表明,该电路稳定性可达到1×10-9,全温范围内(-40⁺70℃)非线性优于1×10-7,频率分辨率可达到1×10-5,测试精度满足仪表系统精度要求,使仪表更满足工程应用的条件。根据实际工程应用要求,还对该电路提出了抗干扰设计,进一步提高了该电路的工程应用可靠性。     

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模态分析与实验

针对硅微谐振加速度计在进行结构设计时,如何根据模态特性选取工作模态这一问题,比较分析了加速度计工作在两种不同振动模态下的性能参数。首先采用刚度法分析了谐振器的振动特性,得出能够反映谐振器振动状态的两种模态即同相振动模态和反相振动模态,结合理论推导和仿真结果得出两种振动模态下谐振频率差值与标度因数差值呈线性关系;其次通过分析两种振动模态下的能量分布情况,得出两种振动模态下谐振器的品质因数与振梁振动幅值之间的关系,同相模态振动一个周期所消耗能量约为反相模态所消耗能量的2倍;最后通过评估硅微谐振加速度计的噪声,阐明了两种振动模态下部分噪声分量不同的原因并进行了实验验证。实验结果表明,在相同驱动电压下,同相模态相比反相模态总体噪声增大25.7%。该研究为设计硅微谐振式加速度计时,确定谐振器的振动模态及驱动方案提供了参考依据。     

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.     

静电加速度计悬浮质量块质心偏移量在轨标定

高精度静电加速度计已广泛地应用于航天任务中,用于测量作用于航天器的非引力加速度。如果静电加速度计悬浮质量块的质心与航天器的质心安装有偏差时,重力梯度力、姿态耦合产生的干扰加速度,静电加速度计控制系统引入的干扰加速度等干扰力会夹杂在测量数据中。针对这一问题,研究了航天器小质量特性变化情况下,当静电加速度计处于动态设计良好并进入稳态后,利用静电加速度计、陀螺仪和磁强计作为敏感元件,基于非线性卡尔曼滤波理论的静电加速度计悬浮质量块质心偏移量的在轨标定。仿真结果表明,该方案的精度J向可以达到0．1mm,Y和Z向能达到0．04mm。     

星载静电加速度计加转回路建模与分析

新型等效原理实验通过检验两个相同材料但自旋运动有显著差异的宏观物体的自由落体运动来验证等效原理可能存在的破坏。根据新型等效原理空间实验的科学目标,提出了一种星载差分静电加速度计方案,设计了基于可变电容式电机原理的静电加转回路;在分析了作用于转子上的静电加转力矩、残余气体阻尼及磁场阻尼的基础上,建立了转子加转回路的动力学模型并进行了仿真分析;仿真结果表明,启动过程使转子达到目标转速(10 000 rpm)的启动时间为9.8天。静电加转方法可在电极筒上同时配置加转电极与悬浮电极,结构紧凑,同时避免了传统的异步电机加转产生的电磁干扰。     

用于新型等效原理空间实验检验的静电加速度计设计

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,在更高精度上检验等效原理是否成立可以预言新型基本相互作用力。新型等效原理是我国科技工作者提出的一种假设,通过检验两个相同材料但自旋状态不同的宏观物体的自由落体运动来检验等效原理可能存在的破坏。提出了一种面向空间检验新型等效原理的差分静电加速度计设计方案,给出了地面实验用原理样机的结构设计,对结构模态和温度应力进行了有限元仿真;依据支承刚度和量程约束条件,对径向和轴向静电支承控制回路进行了设计和仿真分析;建模分析了高真空下转子静电加转驱动回路的主要性能,仿真结果表明启动过程中达到目标转速(10~4 rpm)的启动时间为36.9 min。     

基于手机加速度计的行人步态分析

随着导航定位技术的快速发展及应用,复杂室内环境下的定位与应用已成为当今热点。以普通智能手机内三轴加速度信号为研究对象,将加速度数据利用低通滤波、卡尔曼滤波去除噪声,再利用巴特沃斯滤波方法进行细化去噪;分析处理后的数据,利用峰值检测法得到行人行进时每一步的开始和结束点,通过准确的步态点计算行进的实时步频,并依据实时步频建立步长估计模型,将实时步频利用阈值分割法处理,将行人静止、慢走、正常走、快走这四个基本状态进行区分。由实验数据得出,步数检测以及实时步长的估算精度都可以满足普通室内定位的需要,并且可以有效区分行人的基本运动状态。     

一种基于外腔式法布里-珀罗干涉仪的光纤加速度计

研制了一种基于外腔式法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤加速度计,理论分析了影响标度因数的结构参数,并利用有限元分析软件ANSYS对该结构进行仿真分析。F-P干涉仪由光纤端面和固定在弹性膜片上的反射镜组成,膜片上加工两圈花瓣状分布的弧形阵列。这种F-P干涉仪结构标度因数高、横向串扰小。经实验测定,该光纤加速度计标度因数为155.48 rad/g,与仿真分析结果基本吻合,交叉灵敏度仅为4.87×10~(-2) rad/g,分辨率为100mg,零位稳定性为125mg,提出了进一步提高性能的方法。     

基于MEMS加速度计的倒置开关

运用MEMS加速度计MMA8453Q和单片机MSP430设计了一种针对放入式电子测压器的倒置开关。利用加速度计方向检测功能,单片机通过I2C接口读取加速度,判断是否倒置。倒置开关经步进电机多次旋转倒置测试成功率达到100%,并利用霍普金森杆进行了抗过载测试。结果表明,在受到45000g 冲击后仍能正常工作,能满足火炮等高冲击场合的测试要求。     

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。