[發(fā)明專利]一種微機(jī)械加速度計(jì)及其校準(zhǔn)補(bǔ)償方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202110690842.4 | 申請日： | 2021-06-22 |
| 公開（公告）號： | CN113406357B | 公開（公告）日： | 2022-05-27 |
| 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人： | 馬志鵬;金一鳴;金仲和;鄭旭東 | 申請（專利權(quán)）人： | 浙江大學(xué) |
| 主分類號： | G01P21/00 | 分類號： | G01P21/00;G01P15/125;B81B7/02 |
| 代理公司： | 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200 | 代理人： | 鄭海峰 |
| 地址： | 310058 浙江*** | 國省代碼： | 浙江;33 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 微機(jī) 加速度計(jì) 及其 校準(zhǔn) 補(bǔ)償 方法 | ||
1.一種微機(jī)械加速度計(jì)的校準(zhǔn)補(bǔ)償方法，所述的微機(jī)械加速度計(jì)包括加速度敏感單元、靜電剛度單元、位移檢測單元和力平衡單元；
所述的加速度敏感單元包含質(zhì)量塊和彈性梁結(jié)構(gòu)，所述的質(zhì)量塊通過彈性梁結(jié)構(gòu)與水平敏感軸方向上的錨區(qū)相連；
所述的靜電剛度單元是由雙邊平行板式梳齒電容(4)組成，包括移動梳齒和固定梳齒，所述的移動梳齒與質(zhì)量塊相連，固定梳齒與錨區(qū)相連，所述的移動梳齒與固定梳齒呈中心軸對稱分布，即移動梳齒沿水平敏感軸正負(fù)方向與固定梳齒的間隙一致；雙邊平行板式梳齒電容(4)在偏置調(diào)諧電壓作用下產(chǎn)生靜電負(fù)剛度；
所述的位移檢測單元由一組位移檢測差分變面積電容(5)和相對應(yīng)的差分電極組成，通過在差分電極上施加幅值相同、符號相反的載波電壓，實(shí)現(xiàn)對電容變化信號的載波調(diào)制；
所述的力平衡單元由一組力平衡差分變面積電容(3)和相對應(yīng)的差分電極組成，通過在差分電極上施加力平衡電壓，使得質(zhì)量塊工作在參考位置上；
其特征在于，所述的校準(zhǔn)補(bǔ)償方法包括閉環(huán)參考位置校準(zhǔn)補(bǔ)償方法和等效剛度校準(zhǔn)補(bǔ)償方法；
所述的閉環(huán)參考位置校準(zhǔn)補(bǔ)償方法包括以下步驟：
1.1)選定初始位置作為力平衡反饋參考位置，完成加速度計(jì)閉環(huán)控制，并在靜電剛度單元上施加調(diào)諧電壓Vt；
1.2)在偏置調(diào)諧電壓上引入一個頻率為ωo的帶寬外校準(zhǔn)信號；
1.3)質(zhì)量塊受到水平敏感軸方向上的加速度時會發(fā)生位移變化，從而會與位移檢測差分變面積電容之間產(chǎn)生電容變化信號；對電容變化信號依次進(jìn)行載波解調(diào)、校準(zhǔn)頻率ωo解調(diào)和低通濾波，得到位移擾動量Vs0；
1.4)將擾動量Vs0經(jīng)過比例、積分和微分運(yùn)算，得出參考位置補(bǔ)償控制量ΔVyref，加至初始參考位置信號Vyref上，更新參考位置信號V′yref＝Vyref+ΔVyref，直至位移擾動量降為零，此時雙邊平行板式梳齒電容處于對稱零位；
所述的等效剛度校準(zhǔn)補(bǔ)償方法包括以下步驟：
2.1)在開環(huán)控制下，在力平衡差分變面積電容的差分電極上施加固定力平衡電壓，使得加速計(jì)工作在步驟1.4)校準(zhǔn)后的參考位置上；所述的力平衡電壓是由力平衡控制信號經(jīng)推挽電路產(chǎn)生的；
2.2)通過逐步增加調(diào)諧電壓，直至開環(huán)控制下的加速度計(jì)出現(xiàn)吸合現(xiàn)象，得到臨界吸合電壓Vpi；
2.3)重新閉環(huán)控制，在閉環(huán)參考位置信號V′yref上加入一個頻率為ωi的帶寬內(nèi)校準(zhǔn)信號，并將調(diào)諧電壓設(shè)置為Vt＝αVpi，α為電壓系數(shù)；
2.4)對閉環(huán)反饋的力平衡控制信號進(jìn)行校準(zhǔn)頻率ωi解調(diào)和低通濾波，得到表征等效剛度的電壓信號Vkref；
2.5)將電壓信號Vkref設(shè)定為參考剛度值，建立剛度補(bǔ)償閉環(huán)，具體為是根據(jù)步驟2.4)的方法提取表征等效剛度的更新電壓信號V’kref，將Vkref和V’kref的偏差值經(jīng)過比例、積分和微分運(yùn)算，得到調(diào)諧電壓的補(bǔ)償量ΔVt，將其加到初始調(diào)諧電壓Vt上，從而使得等效剛度值始終維持在參考剛度值上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械加速度計(jì)的校準(zhǔn)補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的帶寬外校準(zhǔn)信號和帶寬內(nèi)校準(zhǔn)信號為正弦信號或方波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械加速度計(jì)的校準(zhǔn)補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的雙邊平行板式梳齒電容的等效靜電負(fù)剛度的表達(dá)式為：
Vt＝αVpi
其中，kele為雙邊平行板式梳齒電容的等效靜電負(fù)剛度，ε為介電常數(shù)，A為固定梳齒和移動梳齒交疊面積，Vt為調(diào)諧電壓，Vpi為吸合電壓，α為電壓系數(shù)，d0為雙邊平行板式梳齒電容中移動梳齒與固定梳齒的初始間隙，yref為參考位移，k為加速度計(jì)的機(jī)械剛度。
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