[實(shí)用新型]一種微諧振器固有頻率與品質(zhì)因數(shù)同步測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202020163468.3
• 申請日: 2020-02-12
• 公開（公告）號: CN212134821U
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙陽;汪哲;夏國明;施芹;裘安萍
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26;G01R23/10;G05B19/042
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 汪清

本實(shí)用新型公開了一種微諧振器固有頻率與品質(zhì)因數(shù)同步測量系統(tǒng)，通過FPGA控制電控開關(guān)的通斷以進(jìn)行測量。當(dāng)開關(guān)第一輸入端閉合時，諧振器驅(qū)動電極與AGC輸出端相連，C/V接口檢測電路和AGC構(gòu)成閉環(huán)驅(qū)動電路，使諧振器工作在穩(wěn)定的振幅；當(dāng)開關(guān)第二輸入端閉合時，諧振器驅(qū)動電極接地，驅(qū)動電路開環(huán)，諧振器振幅衰減，衰減過程中由比較器完成信號的采集；兩個比較器正端與C/V接口檢測電路輸出端相連，負(fù)端設(shè)有不同的閾值電壓，其作用是將檢測信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸入FPGA；FPGA根據(jù)方波信號計算輸出固有頻率與品質(zhì)因數(shù)。本實(shí)用新型僅通過比較器和FPGA即可完成固有頻率和品質(zhì)因數(shù)的同步讀出，測試成本低且操作簡單。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于諧振式傳感器領(lǐng)域，特別是一種微諧振器固有頻率與品質(zhì)因數(shù)同步測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技術(shù)的迅速發(fā)展，微諧振器逐漸成為了研究熱點(diǎn)，使得微諧振式傳感器技術(shù)得到了巨大的提升。與其他類型的傳感器相比，微諧振式傳感器以微諧振器作為敏感單元，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。微諧振器基于MEMS技術(shù)，能夠?qū)⒋郎y參量變化轉(zhuǎn)換為自身參量變化。其中，微諧振器的固有頻率和品質(zhì)因數(shù)在傳感器測量過程中具有重要的物理意義。例如，在諧振式加速度傳感器中，諧振器的固有頻率可以用來表征加速度，諧振器的品質(zhì)因數(shù)可用于溫度補(bǔ)償；在諧振式壓強(qiáng)傳感器中，諧振器的品質(zhì)因數(shù)可以用來表征壓強(qiáng)；在諧振式陀螺儀中，諧振器的固有頻率可以用來表征溫度。因此，能否準(zhǔn)確且實(shí)時的提取出諧振器的固有頻率和品質(zhì)因數(shù)，直接關(guān)系到諧振式傳感器的測量精度。

測量微諧振器的固有頻率較為簡單。首先使諧振器在閉環(huán)驅(qū)動電路作用下開始諧振，此時電路中檢測信號的頻率即為諧振器固有頻率，而檢測信號為正弦波信號，通過簡單的轉(zhuǎn)換就能轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以求出其頻率。諧振式傳感器的品質(zhì)因數(shù)測量則較為復(fù)雜。諧振式傳感器的品質(zhì)因數(shù)，又稱Q值，用來表征諧振器振子的阻尼性質(zhì)。中國專利CN110553666A公開了一種MEMS陀螺儀品質(zhì)因數(shù)的獲取方法。首先將一個信號發(fā)生器接到陀螺儀開環(huán)驅(qū)動電路的輸入端，用示波器連接驅(qū)動電路的輸出端，信號發(fā)生器根據(jù)陀螺儀的固有頻率發(fā)出測試信號此時，驅(qū)動電路輸出信號的峰值與諧振器的振幅線性相關(guān)，設(shè)置示波器以較高的采樣率采集驅(qū)動電路的輸出，并計算輸出信號的衰減時間常數(shù)，以此計算品質(zhì)因數(shù)。此方法不僅操作繁瑣，并且所需測量設(shè)備過多，測試成本太高。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種微諧振器固有頻率與品質(zhì)因數(shù)同步測量系統(tǒng)，在不借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器和上位機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)微諧振器固有頻率和品質(zhì)因數(shù)的同步提取和輸出。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為：

一種微諧振器固有頻率與品質(zhì)因數(shù)同步測量系統(tǒng)，包括C/V接口檢測電路、自動增益控制電路AGC、電控開關(guān)、第一比較器、第二比較器、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA；

所述C/V接口檢測電路輸入端與微諧振器的檢測電極相連，將諧振器檢測電極獲取的檢測電流信號I_s轉(zhuǎn)化為檢測信號V_s；所述自動增益控制電路AGC與C/V接口檢測電路輸出端相連，用于控制檢測信號V_s的幅值并輸出驅(qū)動信號V_d；所述電控開關(guān)的第一輸入端S1與自動增益控制電路輸出端相連，第二輸入端S2接地，輸出端接諧振器的驅(qū)動電極，用于切換微諧振器的振動方式；所述兩個比較器輸入端均與C/V接口檢測電路輸出端相連，用于采集檢測信號V_s；所述兩個比較器輸出端均與現(xiàn)場可編程門陣列FPGA相連；所述現(xiàn)場可編程門陣列FPGA與電控開關(guān)，用于控制電控開關(guān)的通斷；當(dāng)電控開關(guān)第一輸入端S1閉合，第二輸入端S2斷開時，自動增益控制電路輸出端與微諧振器驅(qū)動電極相連，形成閉環(huán)驅(qū)動電路，驅(qū)動信號V_d驅(qū)動微諧振器工作在穩(wěn)定的振幅；當(dāng)電控開關(guān)第一輸入端S1斷開、第二輸入端S2閉合時，微諧振器驅(qū)動電極接地，諧振器進(jìn)入自由振蕩模式，振幅逐漸衰減，所述現(xiàn)場可編程門陣列FPGA開始對微諧振器固有頻率與品質(zhì)因數(shù)同步測量。