[發明專利]基于調整結構補償參數的硅微諧振式加速度計溫度補償算法

有效

• 申請號: 201910011712.6
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN110018330B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 黃麗斌;李文祥;范書聰;李宏生;趙立業
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王安琪

1.基于調整結構補償參數的硅微諧振式加速度計溫度補償算法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)根據環形二極管接口電路建立諧振梁驅動檢測方程，得到諧振式加速度計的接口電路差變電容信號的增益K_C/V；具體為：

C₀′為檢測端梳齒電容，n′為檢測端梳齒個數；ε為介電常數；l′為無靜電驅動力的情況下檢測端固定梳齒與可動梳齒之間的重合長度；h為梳齒厚度；b為梳齒的寬度；a為交叉梳齒沿水平方向的間距；d為交叉梳齒沿垂直方向的間距；a＞＞d,l′＞＞b，則檢測端電容簡化表示為：

ΔC為檢測梳齒端電容變化量，表示可動梳齒的位移呈正弦變化規律；

ΔC＝A_csinω_at

為檢測電容實時容值，硅微諧振式加速度計采用方波驅動，在方波的正半周期，通過D₁對C₄充電，通過D₃對C₃充電；在信號的負半周期，D₂和D₄導通，方波通過D₄對C₃放電，通過D₂對C₄放電；由于檢測電容的實時容值不等，導致對C₃和C₄的充放電電流不等，所以在充放電容上就產生了電壓差，通過環形二極管后端的儀表放大器電路得到反應電容變化的放大電壓信號；在方波的正半周期，建立如下方程：

式中，V_C為載波信號幅值的絕對值；和分別為和C₄上的電壓，其值隨時間變化；R為信號源的輸出阻抗；V_D為二極管的正向壓降；解上式得

同理可得，正半周期方波通過D₃對C₃充電，可得：

在正半周期內，和的差值經過儀表放大器的放大，得到電壓的穩態值為：

式中，T為方波信號的周期，K_amp為儀表放大器的放大倍數，由外接電阻來調整，且

同理，在方波信號的負半周期內，得：

設C₃＝C₄＝C，得儀表放大器的輸出穩定電壓為：

將上式進行泰勒公式展開可得單個諧振器的電容變化量ΔC與輸出電壓的關系，忽略高階項的影響，得：

將ΔC＝A_csinω_at代入上式，得

上式說明儀表放大器的輸出電壓與差變電容變化存在關系，而當C′₀＜＜C時，得其對差變電容信號的增益為：

(2)根據差變電容的增益建立諧振梁振幅對溫度的敏感度，得到K_X/V和具體為：由差變電容信號的增益可得諧振梁振幅對電壓的增益K_X/V：

由此可得諧振梁振幅對溫度的敏感度為：

由上式可知諧振梁振幅對溫度的敏感度與環形二極管接口電路對溫度的敏感度存在一個比例關系；

硅微諧振式加速度計采用自動增益控制電路，把振幅維持在一個恒定的位置χ，同時滿足：

χ＝K_X/V·X

式中，X為諧振梁的振幅；

(3)當溫度發生變化時，環形二極管的接口電路的增益K_C/V發生變化，自動增益控制電路為了維持χ恒定的幅值，則相應的振動幅度也會發生變化；通過合理的設置諧振結構的溫度補償結構參數，達到抑制頻率隨溫度漂移的作用；具體為：根據諧振加速度計的諧振頻率方程，建立諧振頻率對溫度的敏感度方程：

式中，ω為諧振梁諧振頻率；K_3,eff為三階彈性系數；K_eq為諧振梁等效剛度；

建立諧振頻率對時間的微分，得到頻率對溫度的敏感度和環形二極管對溫度的敏感度的關系：

式中，為溫度補償結構參數；從上式可知，通過合理的設置諧振結構的溫度補償結構參數，達到抑制頻率隨溫度漂移的作用。

2.如權利要求1所述的基于調整結構補償參數的硅微諧振式加速度計溫度補償算法，其特征在于，通過合理的設置諧振結構的溫度補償結構參數，使得為-1，即結構上對溫度的敏感度與電路對溫度的敏感度大小相等，方向相反。