[發明專利]一種弱耦合諧振式傳感器的線性化輸出檢測方法

有效

• 申請號: 201810356917.3
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108761134B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 常洪龍;張和民;鐘紀明;楊晶
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01P21/00
• 分類號: G01P21/00
• 代理公司: 61204 西北工業大學專利中心
• 代理人: 呂湘連

本發明涉及一種基于模態局部化的弱耦合諧振式傳感器的線性化輸出檢測方法，屬于微機電系統(MEMS)領域。該方法具體操作時包括如下步驟：步驟一：判斷雙諧振器為同相驅動或反相驅動狀態，如為同相驅動，則選取一階模態作為工作模態，如為反相驅動，則選取二階模態作為工作模態；步驟二：檢測兩諧振器的振幅差(|X₁(jω)?X₂(jω)|)，得到振幅差與待檢測量之間的關系。本發明提出了一種基于模態局部化的弱耦合諧振式傳感器的線性化輸出方法，其采用了雙諧振器驅動條件下的兩個諧振器振幅差而不是振幅比作為傳感器輸出，其首次實現了弱耦合諧振式傳感器的在分離點兩側的輸出線性化。

所屬領域：

本發明涉及一種基于模態局部化的弱耦合諧振式傳感器的線性化輸出檢測方法，屬于微機電系統(MEMS)領域。

背景技術：

MEMS諧振式傳感器以其精度高、體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、可批量生產、可直接數字化輸出等優點在越來越多的領域發揮著越來越重要的作用。

近年來基于模態局部化的弱耦合諧振式傳感器以其高靈敏度和高魯棒性的特點，逐漸成為諧振式傳感器領域中的一個研究熱點。模態局部化是指在兩個弱耦合諧振器系統中，當其中的一個諧振器的結構參數由于外界干擾而發生變化的時候，系統的特征值、特征向量等參數均會發生變化。基于模態局部化的弱耦合諧振式傳感器采用多自由度系統中振幅比而不是諧振頻率作為傳感器的輸出，可以大幅度提高諧振式傳感器的靈敏度，振幅比靈敏度比諧振頻率靈敏度高了2/κ倍，其中κ為耦合系數，也就是耦合剛度與諧振器有效剛度的比值，通過設計使得κ＜＜1(一般將κ＜0.01的系統稱為弱耦合系統)，可以將靈敏度提高兩到三個數量級。西北工業大學常洪龍教授團隊與2016年在論文“An accelerationsensing method based on the mode localization of weakly coupled resonators”中首次將模態局部化原理應用于諧振式加速度計領域，其基于振幅比的靈敏度比基于頻率的靈敏度高了302倍。

但是，弱耦合諧振式傳感器的諧振頻率和振幅比輸出在全量程范圍內是不是線性的，而是分段線性的。其原因解釋如下：在如圖1所示的一個雙自由度振動系統的等效質量剛度阻尼模型中，101表示諧振器Ⅰ的彈性梁，其剛度表示為k₁，102表示諧振器Ⅰ的質量塊，其質量表示為m₁，103表示耦合彈性梁，其剛度表示為k_c，104表示諧振器Ⅱ的質量塊，其質量表示為m₂，105表示諧振器Ⅱ的彈性梁，其剛度表示為k₂，f₁表示諧振器I受到的驅動力，f₂表示諧振器II受到的驅動力。理想情況下假設兩個諧振器的參數相同，即：k₁＝k₂＝k，m₁＝m₂＝m。根據牛頓第二定律得到該雙自由度振動系統的無阻尼自由振動(受力f₁＝f₂＝0)的動力學方程：

其中x₁，x₂分別表示諧振器Ⅰ和諧振器Ⅱ的振動位移。ω表示驅動頻率，κ＝k_c/k為耦合系數，m為諧振器有效質量，δ＝Δk/k表示的是諧振器2受到的剛度干擾。根據公式(1)計算的弱耦合諧振器的諧振頻率公式為

其中ω_i表示的是第i階振動模態的諧振頻率。根據公式(2)我們可以繪制出諧振頻率隨剛度干擾(δ)變化的曲線，如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著剛度干擾從δ＜0的區域增加到δ＞0的區域，兩個模態諧振頻率先是逐漸接近并在越過δ＝0處之后逐漸分離，我們將δ＝0的點稱為分離點，將該現象稱為模態分離現象。

根據公式(1)所推算的弱耦合諧振器的振幅比公式為：