常温下硅微谐振加速度计零偏稳定性的提高

考虑环境温度会影响硅微谐振加速度计(MSRA)的测量精度,本文研究了谐振梁的频率漂移及抑制方法以便提高其在常温下的零偏稳定性。针对结构热膨胀导致的应力进行了建模仿真,并根据仿真结果优化设计了一种低热应力的双端固支梁的结构来降低热膨胀系数不匹配带来的频率漂移。实验测得新结构的单梁谐振频率的温度系数从典型结构的约30Hz/℃降为-1.5Hz/℃,与仿真结果-1.14Hz/℃基本一致。为了进一步提高该加速度计的零偏稳定性,设计了一种高精度测温电路用来补偿温漂,该电路测温灵敏度为96.25mV/℃,测量噪声约为0.000 2℃。实验结果表明,采用优化后的结构结合线性温度补偿的方法,可使该硅微谐振加速度计的1h零偏稳定性在常温下达到10μg以下,比改进前实验室获得的52μg水平提升了80%,满足了高精度加速度测量的要求。     

基于LM_BP神经网络模型的MEMS加速度计温度补偿方法研究

随着MEMS加速度计应用领域的不断广泛,其温度性能越来越受到重视。在研究扭摆式硅微加速度计结构与温度特性的基础上,采用改进LM_BP神经网络来构建MEMS加速度计的补偿模型,通过实时温度变化优化出温度补偿模型参数,进而实现实时温度补偿。实验结果表明,通过该方法补偿后的标度因数温度系数和全温零偏稳定性分别由252 ppm/℃和16.62 mg/h减小为100 ppm/℃和2.30 mg/h,证明了该温度补偿方法的有效性和可行性。     

基于水银的电容式加速度计研究

探索一种基于新原理的加速度计,从根本上解决加速度计在弹性结构设计方面高灵敏度和抗高过载之间存在的矛盾;利用微滴水银作为对加速度敏感的弹性电极与硅片上电极构成电容式硅微加速度计,并可利用MEMS工艺来实现;通过建模仿真,水银电容加速度计的灵敏度要高于传统的MEMS电容加速度计;这种加速度计具有结构简单、对硅微加工工艺要求低、易于实现三维加速度测量的突出优点;对于冲击环境下的惯性测量有不可替代的作用.     

基于MS3110的微电容读出电路设计

电容式MEMS加速度计是MEMS加速度计的一种主要的形式。通过对MS3110的应用研究,了解其使用性能和参数设置方法,在此基础上将该芯片用作电容式MEMS加速度计的电容输出接口,实现对该类传感器的高分辨率微电容检测。实验结果表明,设计的基于MS3110的微电容读出电路有良好的稳定性和线性度。     

姿态参照系统中硅微机械加速度计的温度补偿

微机械加速度计的输出受到环境温度的影响.文中以姿态参照系统为例,通过温度实验,得到了姿态参照系统中的微机械加速度计在不同温度下的输出,通过数据拟合建立了静态温度模型,对加速度计的零偏和标度因子进行了补偿.在姿态参照系统中对该温度补偿模型进行试验,结果表明得到的模型可以有效地补偿系统中的微机械加速度计的温度误差.使加速度计随温度变化的稳态输出变化的数量级由10-3减小到10-4.该温度补偿方法也适用于其他MEMS惯性测量系统中的微机械加速度计的温度补偿.     

硅微加速度计测控线路设计及参数调整方法研究

首先介绍了硅微加速度计机械部分的工作原理及电容检测方法，同时分析了整个电路系统框图，然后构建出硅微加速度计系统总体结构，并将机械部分和电路部分在S域进行统一整合。利用MATLAB软件控制工具研究了校正环节对系统稳定性和动态性能的影响情况。通过大量实验给出了优化参数组合下的开环频率特性和零位漂移特性。最后得出结论：通过对重要校正环节的参数进行正确的调整可以很好地改善系统工作性能，并能提高系统输出的稳定性。     

MEMS闭环加速度计温漂数字化处理

MEMS电容式加速度计受温度影响,敏感结构易产生结构参数及应力变化,电路易产生漂移,两者共同作用引起加速度计输出电压变化,使加速度的测量出现温漂误差及升、降温的温漂滞环误差。抑制温漂是提高加速度计性能的关键所在。在实验室现有MEMS加速度计敏感结构芯片及电路基础上,进行闭环后数字化补偿。实验证实,该方法能有效减小温漂误差,削减温漂滞环的幅值,改善加速度计的性能。     

双端固定音叉式硅微机械谐振器的研究与应用

提出了一种使用双端固定音叉的新型结构的谐振式硅微机械加速度计。它用硅梁侧壁形成的静电电容进行激振，并通过在音叉臂上制作的压敏电阻检测振动。该加速度计输出的是频率信号，具有精度高、抗干扰能力强的优点。探讨了传感器的工作原理，并用有限元方法进行了仿真模拟，结果显示传感器的灵敏度约为2Hz/g。     

硅微谐振式加速度计温度补偿方法研究综述

硅微谐振式加速度计具有体积小、成本低、动态范围宽、高精度准数字频率信号输出等优势,但零偏、标度因数等关键性能指标受到了温度等因素的制约,尚不能满足高精度导航制导的高性能要求。因此,本文在简要介绍硅微谐振式加速度计温度特性及温度误差来源的基础上,综述了近年来国内外学者针对硅微谐振式加速度计进行的温度补偿方面的研究,包括无源温度补偿技术、有源温度补偿技术;介绍了无源温度补偿技术与有源温度补偿技术常用的方法和最新的研究成果;分析总结了各种方法的优缺点,提出探索更加精确的测温手段、热隔离效果更好的隔离装置以设计一种低功耗、预热时间短、控制稳定性强的微烘箱系统进行器件层的加热控温,以及寻求无源补偿技术与有源补偿技术相结合的更多可能性以获得温度补偿最优组合是后续温度补偿工作的重点研究方向。     

一种MEMS加速度计的噪声处理与参数训练方法

为进一步提高微机电系统(MEMS)加速度计的测量精度,建立以测量值为输入、真实值为输出的MEMS加速度计误差补偿模型,利用Allan方差和最小均方(LMS)自适应滤波算法对加速度计在6个位置下的多组实际测量数据进行噪声分析和预处理,处理后的全部测量数据作为样本训练模型参数,利用最小二乘和批量梯度下降相结合的方法获得样本数据对真实模型参数的最优拟合,并利用该模型对加速度计进行误差补偿,实现MEMS加速度计的高精度标定。实验验证表明,利用该模型对MEMS加速度计进行误差补偿后,输出值的均值误差为(0.72～1.19)×10-4g,标准差为(0.75～1.61)×10-4g,相对于补偿前,均值误差降低了2个数量级,标准差降低了1个数量级,有效提高了MEMS加速度计的测量精度和稳定性。     

基于MEMS传感器的高精度地震波采集系统

针对地震波微弱信号的采集问题,将MEMS传感技术应用于地震波采集中,设计了采集系统.提出了基于MEMS加速度传感器和24位高精度ADC芯片的地震波数据采集系统设计方案;采用精密仪表放大器对传感器信号进行了差分处理,由于系统为混合信号系统,在PCB设计时采用了数字模拟隔离方案以抑制相互之间的干扰,使用磁耦隔离芯片隔离ADC芯片与微控制芯片的通信接口,该采集系统接收LabVIEW上位机软件的命令,实时显示地震波波形,将地震波数据存储于SD卡内;分析了系统的硬件电路设计和软件流程;利用函数信号发生器对系统采集精度和频率响应进行了测定,并在模拟真实应用的环境下对系统进行了采集试验.实验结果表明：系统可达10 μV量级的采集精度,加速度信号重建质量较好,能够满足地震波数据采集的要求.     

时分复用数字闭环电容式微加速度计接口电路

为实现电容式微加速度计的数字输出闭环,设计了一种数字输出闭环ASIC(Application Specific Integrated Circuit)接口电路,以降低电路输出噪声并提高测量量程。对已有的电容式微加速度计ASIC电路进行了改进,分时段在中间极板上加载差分电容读出信号和由脉宽调变(PWM)波控制的反馈信号,然后由控制器实现闭环,利用Sigma Delta调制器实现模数转换。通过分析差分电容读出电路和Sigma Delta调制器的原理和特性,建立了该数字输出闭环电容式微加速度计的模型,进行了系统的设计与仿真。实验结果表明,该数字输出闭环电容式微加速度计的噪声水平为9.6μg/√Hz,量程为±3g。这些结果验证了时分复用方案的可行性和本文所提出模型的正确性。     

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。     

基于柔性铰链机构的谐振式微加速度计设计制作

为设计制作高灵敏度、高稳定性的谐振式微加速度计,基于微制作工艺,采用柔性铰链机构和双端固定音叉谐振器设计了微加速度计结构;分别用解析法和有限元方法分析了加速度计的理论灵敏度,同时进行了谐振器结构优化设计;根据检测原理设计制作了测试用电路板,给出了开环谐振频率测试结果以及闭环时加速度测试结果。测试结果表明所设计的谐振式加速度计工作稳定,灵敏度约为55.03Hz/g,分辨力约为182×10-6g。     

具有自检测功能的闭环加速度计接口电路设计

为了改善微机电系统(MEMS)电容式加速度计的噪声特性,提出了一种基于开关电容的低噪声闭环接口电路。该电路采用电荷积分器作为前级预放大装置,对寄生电容不敏感,而且具有非常低的噪声。采用相关双采样(CDS)技术消除了1/f 噪声和运算放大器失调电压的影响。同时,为了改善系统的动态响应特性,反馈部分采用积分电路,提高了系统阻尼比和响应速度。利用电荷泻放通道实现了自检测功能。采用0.5 μm CMOS工艺完成了版图设计,仿真结果表明,系统灵敏度为0.115 V/g,非线性度＜0.12%,可检测的最小加速度为20 μg,自检测输出与自检测电压成正比。     

光雷一体化测量系统的谐振特性及组合补偿

针对光雷一体化测量系统中复杂谐振对伺服单元的不利影响,提出了采用自适应陷波器及观测器滤波反馈组合实现谐振补偿的方法。首先,结合机械结构及频响测试结果分析了系统的谐振特性,指出系统存在雷达天线谐振、雷达机体谐振和天线高阶及轴系耦合谐振等3类主要谐振模式,并求得谐振特性随俯仰角变化的规律。讨论了对这种复杂谐振的补偿方法,提出采用自适应陷波器补偿雷达天线和雷达机体谐振,并利用Kalman观测器滤波反馈抑制天线高阶及轴系耦合谐振的方法。结果表明：经过谐振组合补偿后,各类谐振均得到有效抑制,速度环闭环带宽期望值达到了115 rad/s,阶跃过程过渡时间为0.35 s,在保证闭环控制稳定性的同时满足了系统带宽要求。     

灌封对高量程微机械加速度计封装的影响

灌封是高量程微机械加速度计实用化的一个关键步骤。文中根据自制的一种压阻式高量程micro-electro-mechanical system(MEMS)加速度计芯片及一种实用的封装结构，对其有限元模型进行模态分析和高g值加速度载荷下的响应分析。封装结构的模态频率随着灌封胶弹性模量的增大而增大。但弹性模量过小时，模态频率反而比未灌封时低，可能会干扰输出信号。对器件加载10万g加速度表明，器件的模拟输出电压值随着灌封胶弹性模量或密度的增加而缓慢减小。模拟输出电压值与解析解很接近。封装之后传感器的模拟输出电压与加速度载荷具有良好的线性关系。     

一种微机械谐振式加速度计的自激驱动控制

为了研制谐振微机械加速度计,文中介绍了静电刚度的谐振式微加速度计的工作原理,并根据闭环控制要求,建立了基于自激原理的系统分析方程,利用平均周期法分析了系统稳定性和振动幅度稳态平衡点。理论分析确定了系统起振条件和相位偏差对闭环振幅和频率的影响。对基于体硅溶片制造和真空封装的谐振微加速度计,自激闭环测试结果表明检测电压1 V时,灵敏度为18 Hz/g;检测电压5 V时,灵敏度为58 Hz/g,10 min内闭环谐振频率最大漂移0.2 Hz,可分辨加速度约3.5 mg.     

基于加速度传感器的智能小车路况自动测量系统

针对路面平整度的自动测量问题,结合工程实际中路面勘测的需要,设计了一套智能小车系统,实现路面坡度的自动测量和预警.ADXL345加速度传感器用于测量三轴加速度,实现了路面坡度的自动获取;蓝牙模块用于在计算机和小车之间进行数据的传送,实现了智能小车运动的远程控制以及计算机对坡度信号的接收;脉宽调制(PWM)方式用于对电机进行速度闭环控制,实现了智能小车测量路况时的低速运行;Matlab软件用于对坡度值的读取、处理以及绘图,实现了路面坡度坐标图和路面示意图的绘制,直观地反映了路况.通过判断所测坡度值与临界值的大小,实现了大坡度危险路况下的自动预警.研究结果表明,该智能小车路况测量系统能满足实际路况的自动检测、低速运行、示意路面总体状况和预警等功能的要求.     

Unbalance vibratory displacement compensation for active magnetic bearings

As the dynamic stiffness of radial magnetic bearings is not big enough,when the rotor spins at high speed,unbalance displacement vibration phenomenon will be produced.The most effective way for reducing the displacement vibration is to enhance the radial magnetic bearing stiffness through increasing the control currents,but the suitable control currents are not easy to be provided,especially,to be provided in real time.To implement real time unbalance displacement vibration compensation,through analyzing active magnetic bearings(AMB) mathematical model,the existence of radial displacement runout is demonstrated.To restrain the runout,a new control scheme-adaptive iterative learning control(AILC) is proposed in view of rotor frequency periodic uncertainties during the startup process.The previous error signal is added into AILC learning law to enhance the convergence speed,and an impacting factor influenced by the rotor rotating frequency is introduced as learning output coefficient to improve the rotor control effects.As a feed-forward compensation controller,AILC can provide one unknown and perfect compensatory signal to make the rotor rotate around its geometric axis through power amplifier and radial magnetic bearings.To improve AMB closed-loop control system robust stability,one kind of incomplete differential PID feedback controller is adopted.The correctness of the AILC algorithm is validated by the simulation of AMB mathematical model adding AILC compensation algorithm through MATLAB soft.And the compensation for fixed rotational frequency is implemented in the actual AMB system.The simulation and experiment results show that the compensation scheme based on AILC algorithm as feed-forward compensation and PID algorithm as close-loop control can realize AMB system displacement minimum compensation at one fixed frequency,and improve the stability of the control system.The proposed research provides a new adaptive iterative learning control algorithm and control strategy for AMB displacement minimum compensation,and provides some references for time-varied displacement minimum compensation.