[發明專利]一種直接測量弱耦合諧振器的振幅比的裝置

有效

• 申請號: 202110264284.5
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113030515B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 楊波;郭鑫;周陸強;趙文顥;朱子周;曾俊杰
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P21/00
• 分類號: G01P21/00;G01C25/00;G01R31/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 薛雨妍

本發明公開了一種直接測量弱耦合諧振器的振幅比的裝置，其具體由弱耦合諧振器、兩路位移信號處理回路、數字鎖相環模塊、幅度閉環控制模塊、數模轉換器組成，其中數字鎖相環模塊和幅度閉環控制模塊均由FPGA編程實現。弱耦合諧振器由兩組相同的諧振器以及耦合結構組成。每路位移信號處理回路包括電容?電壓變換器、低噪放大器、開關整流器、比較器、低通濾波器、模數轉換器。數字鎖相環模塊包括鑒頻鑒相器、環路濾波器、第一PI控制器、數字壓控振蕩、比較器。幅度控制模塊包括低通濾波器、第二PI控制器。本發明可實現對于弱耦合諧振器的振幅比的直接測量，無需進行后續的除法運算過程，實現了測量信號的電路直接輸出，減少了信號后處理過程的復雜度。

技術領域

本發明涉及微機械弱耦合諧振器系統，特別是涉及一種直接測量弱耦合諧振器的振幅比的裝置。

背景技術

弱耦合諧振器是一種采用振幅比作為輸出評價指標的多自由度諧振系統。理論和實驗表明，與傳統單自由度諧振器的頻率調制機制相比，弱耦合諧振器的振幅比調制機制的相對機械靈敏度要高出2到3個數量級。另外，由于弱耦合諧振系統結構都為差分測量形式，系統整體對于外界共模干擾如溫度波動等具有良好的抑制作用。因此，弱耦合諧振器在信號測量領域具有有著重要的軍民用價值和廣闊的應用前景。

近年來，國內的研究機構逐漸展開了關于弱耦合諧振器的研究。2018年，研究者們提出了一種模擬自激振蕩閉環控制方案，通過調節反饋電路的增益并布置移相器，滿足Barkhausen準則，從而實現弱耦合諧振器的自激振蕩。但是，目前大部分機構對于弱耦合諧振器的振幅比的測量都是通過數據的后處理得到，仍然無法從測控電路輸出端直接得到系統輸出，限制了弱耦合諧振器的一體化應用前景。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了為了解決上述存在的問題，本發明提供一種直接測量弱耦合諧振器的振幅比的裝置，通過對弱耦合諧振器的其中一個諧振單元的振幅實現閉環穩定控制，另一諧振單元的振幅即可以作為弱耦合諧振系統的整體輸出。本裝置可以實現弱耦合諧振系統的振幅比的測控電路直接輸出，無需進行后續的振幅信號除法過程，簡化了弱耦合傳感器的信號后處理流程。

技術方案：一種直接測量弱耦合諧振器的振幅比的裝置，包括由弱耦合諧振器、第一、二路位移信號處理回路、數字鎖相環模塊、幅度閉環控制模塊、數模轉換器組成；其中數字鎖相環模塊和幅度閉環控制模塊均由FPGA編程實現；弱耦合諧振器的第一、二檢測梳齒分別與對應的第一、二兩路位移信號處理電路的信號輸入端相連接；第一路位移信號處理電路的信號輸出端為本裝置的整體輸出，而第二路位移信號處理電路的比較器輸出端與數字鎖相環模塊的信號輸入端相連接，信號輸出端與幅度閉環控制模塊的信號輸出端相連接；數字鎖相環模塊的信號輸出端信號與幅度閉環控制模塊的信號輸出端信號相乘后經數模轉換器轉換為模擬信號傳輸至后弱耦合諧振器的兩路第一、二驅動梳齒；基于自動增益控制對弱耦合諧振系統的其中一個諧振單元進行幅度閉環控制，使其振動位移幅值穩定在歸一化設定值；此時另一個諧振單元的振動位移幅值的即可代表整體系統的振幅比，而無需進行另外的除法運算過程；外界輸入信號即可通過測量未作幅度閉環控制的諧振單元的振動位移幅值的變化得到。

其中所述第一、二路位移信號處理回路完全一致，以精確的提取第一、二諧振梁單元的振動位移的頻率、相位、幅值信息；其中第一、二路位移信號處理回路均分別包括電容-電壓變換器、低噪放大器、開關整流器、比較器、低通濾波器、模數轉換器；所述電容-電壓變換器的輸入端與弱耦合諧振器的第一、二檢測梳齒相連接，所述電容-電壓變換器的輸出端與低噪放大器輸入端相連接；低噪放大器的輸出端分別與比較器和開關整流器相連接；其中比較器的輸出端與開關整流器的信號控制端相連接；開關整流器的輸出端與低通濾波器相連接；低通濾波器的輸出端和模數轉換器相連接。