【摘要】：微機(jī)械加速度計(jì)是一種基于硅微加工技術(shù)的用于測量加速度信息的慣性傳感器,有著尺寸小、功耗低、與集成電路兼容性好、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于民用和軍用的各種領(lǐng)域。本論文主要圍繞高精度電容式微機(jī)械加速度計(jì)工程化中的實(shí)時(shí)在線溫度補(bǔ)償與閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化展開研究:針對(duì)加速度計(jì)零偏隨溫度漂移的現(xiàn)象,提出了一種基于加速度計(jì)諧振頻率信息的實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方案;以降低加速度計(jì)功耗為目標(biāo),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于環(huán)形二極管電容檢測的單板模擬型電路方案;設(shè)計(jì)了加速度計(jì)的幅頻和相頻特性的自動(dòng)測試系統(tǒng),能快速標(biāo)定加速度計(jì)的開環(huán)特性,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化。主要工作內(nèi)容及成果包括以下幾個(gè)方面:1)從工程應(yīng)用的角度,分析并比較了雙路載波調(diào)制型及環(huán)形二極管解調(diào)型兩種電容檢測方案各自的優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)兩種方案分別進(jìn)行了小型化電路實(shí)現(xiàn)以及測試比較。采用環(huán)形二極管檢測的單板模擬型開環(huán)加速度計(jì),與原雙路載波調(diào)制型開環(huán)加速度計(jì)相比,電路形式更為簡單,功耗降低了 85%以上,目前的噪聲和穩(wěn)定性最優(yōu)指標(biāo)為單位帶寬噪聲等效加速度12.6 μg/√Hz,偏置不穩(wěn)定性5.9μg;2)提出了 一種基于加速度計(jì)諧振頻率的實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方案,該方案在加速度計(jì)環(huán)路中加入額外的鎖相環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測加速度計(jì)的諧振頻率從而獲得加速度計(jì)的溫度信息,并利用該信息對(duì)加速度計(jì)的輸出零偏進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。測試結(jié)果表明補(bǔ)償算法使得加速度計(jì)的零偏溫度一次項(xiàng)系數(shù)從3.54 mg/℃降低至0.05 mg/℃。Allan方差分析顯示,補(bǔ)償方案顯著地降低了曲線中的溫度斜坡,加速度斜坡分量從補(bǔ)償前的35 μg降低至2.4μg,且系統(tǒng)的偏置不穩(wěn)定性低至1.6 μg;3)針對(duì)微機(jī)械加工誤差導(dǎo)致加速度計(jì)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在較大波動(dòng)而使得單個(gè)加速度計(jì)的力平衡閉環(huán)參數(shù)需要人工調(diào)校的情況,設(shè)計(jì)了加速度計(jì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的自動(dòng)掃頻測試方案,快速獲得加速度計(jì)的開環(huán)傳遞函數(shù)特性,為以后加速度計(jì)的批量校調(diào)與快速閉環(huán)打下基礎(chǔ)。在掃頻測試的基礎(chǔ)上,在基于環(huán)形二極管檢測方案的加速度計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行開環(huán)特性分析與閉環(huán)研究,理論開環(huán)參數(shù)與實(shí)測特性的吻合度非常高,并據(jù)此有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出優(yōu)化開環(huán)傳遞函數(shù)零極點(diǎn)的PI控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。閉環(huán)優(yōu)化過程中加速度計(jì)的閉環(huán)帶寬設(shè)計(jì)值為37 Hz,實(shí)際的閉環(huán)特性同樣利用自動(dòng)掃頻方案進(jìn)行測試,實(shí)測帶寬37.2 Hz。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH824.4
【圖文】：

圖１．２邋Ａｌｌａｎ方差分段擬合曲線的定義圖示逡逑其中，Ａｌｌａｎ方差曲線被分段劃分為斜率不同的五條線段，分別反映了對(duì)系統(tǒng)漂移產(chǎn)逡逑生影響的五種不同因素。對(duì)應(yīng)到加速度計(jì)系統(tǒng)中，斜率為－１的線段代表系統(tǒng)的量化噪聲對(duì)逡逑漂移的影響，斜率為－１／２的線段代表加速度計(jì)系統(tǒng)的速率隨機(jī)游走（一般地，我們用積分逡逑時(shí)間Ｉｓ處對(duì)應(yīng)的Ａｌｌａｎ方差結(jié)果來表征加速度計(jì)的單位帶寬噪聲等效加速度），這兩種影逡逑響因素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中頻率比較高的干擾，通常為隨機(jī)噪聲。斜率為０的線段代表了系統(tǒng)的偏逡逑置穩(wěn)定性，主要受系統(tǒng)內(nèi)部的１丨／■噪聲影響；斜率為１／２和１的線段分別代表了加速度隨逡逑機(jī)游走和加速度斜坡分量，這兩類影響因素對(duì)應(yīng)了低頻處的干擾，通常來自于系統(tǒng)的Ｉ／／２逡逑噪聲，以及周圍環(huán)境的極低頻干擾，如溫度的變化，濕度和壓力的變化等條件。逡逑１．３微機(jī)械加速度計(jì)溫度補(bǔ)償技術(shù)綜述逡逑微機(jī)械加速度計(jì)的測量精度除受到敏感元件的制造工藝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性等本逡逑

（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．４西南交通大學(xué)２０１６年報(bào)道的具有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)（ａ）整體ＳＥＭ圖；（Ｚ0局部ＳＥＭ圖逡逑方法（４）雖然需要預(yù)先進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，還需要增加復(fù)雜的信號(hào)處理模塊，且有可能需要逡逑增加溫度傳感器，但是相對(duì)來說結(jié)構(gòu)最為簡單，成本低且可移植性高。如２０１５年清華大逡逑學(xué)在其工程化加速度計(jì)的基礎(chǔ)上提出了一種利用測溫電路改變閉環(huán)控制點(diǎn)電壓進(jìn)行溫度逡逑補(bǔ)償?shù)姆桨福郏玻常�，補(bǔ)償后加速度計(jì)輸出的溫度系數(shù)低于０．１邋ｍｇ／°Ｃ。又如２０１６年土耳其中逡逑東科技大學(xué)報(bào)道的溫度補(bǔ)償方案［２４］，將一個(gè)雙端調(diào)諧音叉（ＤＥＴＦ）諧振器與加速度計(jì)器逡逑件集成，整機(jī)工作時(shí)有兩個(gè)環(huán)路，一個(gè)環(huán)路采用閉環(huán)電路跟蹤諧振器的諧振頻率變化，另逡逑８逡逑

（ｃ）邐ｉｄ）逡逑圖１．３加州大學(xué)歐文分校２０１５年報(bào)道的溫度自補(bǔ)償加速度計(jì)逡逑0）兩個(gè)敏感軸方向相反的諧振器，箭頭指示加速度Ｇ和溫度Ｔ的敏感方向；逡逑（的諧振式加速度計(jì)溫度自補(bǔ)償?shù)脑硇钥驁D；（ｃ）單個(gè)諧振器的控制環(huán)路框圖；逡逑（ｃ／）測試結(jié)果的Ａｌｌａｎ方差曲線逡逑：逡逑＿W＿逡逑Ａｎｃｈｏｒ邋ｆｏｒ邋ｍｏｖｉｎｇ邋Ａｎｃｈｏｒ邋ｆｏｒ邋ＦＣＦＨ邋ＦＣＦＥ邋ＲＣＦＨ逡逑ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．４西南交通大學(xué)２０１６年報(bào)道的具有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)（ａ）整體ＳＥＭ圖；（Ｚ0局部ＳＥＭ圖逡逑方法（４）雖然需要預(yù)先進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，還需要增加復(fù)雜的信號(hào)處理模塊，且有可能需要逡逑增加溫度傳感器，但是相對(duì)來說結(jié)構(gòu)最為簡單，成本低且可移植性高。如２０１５年清華大逡逑學(xué)在其工程化加速度計(jì)的基礎(chǔ)上提出了一種利用測溫電路改變閉環(huán)控制點(diǎn)電壓進(jìn)行溫度逡逑補(bǔ)償?shù)姆桨福郏玻常�，補(bǔ)償后加速度計(jì)輸出的溫度系數(shù)低于０．１邋ｍｇ／°Ｃ。又如２０１６年土耳其中逡逑東科技大學(xué)報(bào)道的溫度補(bǔ)償方案［２４］，將一個(gè)雙端調(diào)諧音叉（ＤＥＴＦ）諧振器與加速度計(jì)器逡逑件集成，整機(jī)工作時(shí)有兩個(gè)環(huán)路，一個(gè)環(huán)路采用閉環(huán)電路跟蹤諧振器的諧振頻率變化，另逡逑８逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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1 朱忠益;小型化高精度數(shù)字式微機(jī)械加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];浙江大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2801792