CN109883534B - 一种基于微波干涉的微振动传感器和感测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波干涉的微振动传感器和感测方法，所述微振动传感器包括微悬臂梁、敏感质量块、微波谐振腔和读出电路，其中所述微悬臂梁安装在所述微波谐振腔的上方，所述敏感质量块固定连接在所述微悬臂梁顶部，所述微悬臂梁和敏感质量块感测所述被测物体的微振动并根据所述微振动发生微位移；所述微波谐振腔发射第一微波信号，并接收所述微悬臂梁和敏感质量块的微位移所反射的第二微波信号；所述读出电路提取所述第二微波信号并进行数据处理，根据所述微位移与所述被测物体的微振动加速度的比例关系进行计算并实现对所述被测物体的微振动加速度的测量。本发明公开的实施例能够有效提高微振动的测量灵敏度和准确度。
Description
技术领域
本发明涉及微振动传感器的技术领域，特别是涉及一种基于微波干涉的微振动传感器和感测方法。
背景技术
近年来，新一代高精度航天飞行器在轨运行过程中，由于大气阻力、姿轨控推力等各因素引起航天器本体产生一种幅度较小，频带较宽的颤振相应，称之为在轨航天器的微振动环境，这将对精密有效载荷的工作和科学实验产生一定的影响和干扰，只有实现对微振动环境的准确测量，才能有效评价这些影响，进而采取有效措施进行抑制。这类微振动测量对传感器的灵敏度和准确度要求较高，现有的振动传感器方式常采用压阻式、电容式等制备，加速度的灵敏度受到电压、电流测量灵敏度的限制，已达到瓶颈，存在的低频段测量精度不高，灵敏度低，频响范围窄等问题。
发明内容
为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种基于微波干涉的微振动传感器，包括微悬臂梁、敏感质量块、微波谐振腔和读出电路，其中
所述微悬臂梁安装在所述微波谐振腔的上方，所述敏感质量块固定连接在所述微悬臂梁顶部，所述微悬臂梁和敏感质量块感测所述被测物体的微振动并根据所述微振动发生微位移；
所述微波谐振腔发射第一微波信号，并接收所述微悬臂梁和敏感质量块的微位移所反射的第二微波信号；
所述读出电路提取所述第二微波信号并进行数据处理，根据所述微位移与所述被测物体的微振动加速度的比例关系进行计算并实现对所述被测物体的微振动加速度的测量。
进一步的，所述微悬臂梁为薄膜悬臂梁。
进一步的，所述微悬臂梁的材料为Si3N4。
进一步的，所述微悬臂梁包括多层石墨烯。
进一步的，所述微波谐振腔采用同轴开放式结构，包括中心导体，所述中心导体与所述微悬臂梁之间存在间隙，所述中心导体用于感测所述间隙变化产生的电场变化。
进一步的，所述中心导体使用绝缘介质填充。
进一步的，所述第一微波信号为固定频率的微波信号或规律变化的微波信号。
进一步的，所述读出电路为零差干涉仪结构。
本发明第二方面提供一种第一方面所述的微振动传感器的感测方法，包括：
微波谐振腔发射第一微波信号至所述微悬臂梁；
被测物体发生微振动，敏感质量块和微悬臂梁感测所述微振动，并根据所述微振动发生微位移，所述微位移改变所述微波谐振腔的中心导体与所述微悬臂梁之间的间隙的长度；
所述微波谐振腔接收所述微悬臂梁反射的第二微波信号；
读出电路提取所述第二微波信号进行信号处理，并根据所述微位移与所述被测物体的微振动的比例关系测量所述被测物体的微振动加速度。
进一步的，所述微位移改变所述微波谐振腔的中心导体与所述微悬臂梁之间的间隙的长度中进一步包括：
所述微位移改变所述间隙长度以改变所述微波谐振腔的谐振频率和品质因数。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的技术方案通过基于微波干涉原理的微振动传感器，将感测的物理量转换至频率，能够提高传感器的测量灵敏度和准确度，解决现有技术中振动传感器在低频段测量精度、灵敏度低的问题，在满足微振动环境的高准确度测量需求的同时提高微振动传感器的测量准确度和灵敏度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的实施例所述的微振动传感器的结构框图；
图2示出本发明的实施例所述的微振动传感器的结构示意图；
图3示出本发明的实施例所述的感测方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一个实施例提供一种基于微波干涉的微振动传感器，包括微悬臂梁、敏感质量块、微波谐振腔和读出电路，其中所述微悬臂梁安装在所述微波谐振腔的上方，所述敏感质量块固定连接在所述微悬臂梁顶部，所述微悬臂梁和敏感质量块感测所述被测物体的微振动并根据所述微振动发生微位移；所述微波谐振腔发射第一微波信号，并接收所述微悬臂梁和敏感质量块的微位移所反射的第二微波信号；所述读出电路提取所述第二微波信号并进行数据处理，根据所述微位移与所述被测物体的微振动加速度的比例关系进行计算并实现对所述被测物体的微振动加速度的测量。
在一个具体的示例中，如图2所示，微振动传感器包括微波谐振腔1、敏感质量块3、微悬臂梁4和读出电路(图中未示出)，所述微振动传感器安装在所述被测物体上，所述微悬臂梁为薄膜悬臂梁，所述薄膜悬臂梁的薄膜平行于所述被测物体的安装面。所述敏感质量块固定连接在所述微悬臂梁上，感测被测物体的微振动。当被测物体发生微振动时，敏感质量块及微悬臂梁由于惯性作用而发生位移，根据动力学模型，所述微位移的变化与所述被测物体的运动加速度存在近似线性关系。通过微波谐振腔发送第一微波信号至所述微悬臂梁，所述第一微波信号为固定频率的微波信号或规律变化的微波信号，然后所述微波谐振腔接收并检测所述微悬臂梁的微位移反射的第二微波信号；所述读出电路基于微波干涉原理的实现对所述第二微波信号的提取，从而实现高灵敏度的微振动加速度的准确测量。
所述微波谐振腔采用同轴开放式结构，包括中心导体，所述中心导体使用绝缘介质填充；所述敏感质量块与圆柱状悬臂梁的顶部刚性连接，悬臂梁的底部包覆了一层薄膜，悬臂梁安装在微波谐振腔中心导体上方，所述中心导体与所述微悬臂梁之间存在间隙2。所述中心导体垂直于所述安装面，当敏感质量块和悬臂梁因被测物体发生微振动而产生微位移时，所述间隙2的长度发生变化导致所述中心导体和间隙2之间的电场发生变化，所述中心导体感测所述变化。即微悬臂梁在微振动环境下由于惯性作用发生微位移时，谐振腔中心导体的末端与微悬臂梁之间的间隙发生变化，它们的相对运动会改变二者之间的互电容发生改变，进而使谐振腔的谐振频率和品质因数发生改变。微波谐振腔发送第一微波信号至所述微悬臂梁，所述微悬臂梁因被测物体的振动导致的微位移反射为第二微波信号，即将所述微位移调制到基波信号。换句话说，所述微振动传感器将被测物体微振动的低频率信号转换为微位移信号，并通过微波信号调制到高频率信号进行测量，从而将不易测量的被测物体的微振动的物理量转换为容易测量的谐振频率信号，通过所述读出电路提取所述第二微波信号，从载波信号中提取谐振频率，然后根据动力学模型可以推算出微振动加速度与谐振频率之间的关系满足δa＝C×δf,其中C为微悬臂梁材料特性及微波谐振腔固有特性相关的常数，从而将测量的谐振频率信号转化为被测物体的微振动的加速度，因此所述微振动传感器能够提高传感器的灵敏度和测量准确度。
在一个优选的实施例中，所述微悬臂梁采用多层石墨烯或者采用低密度高拉伸强度的Si3N4制备。
在另一个优选的实施例中，所述的读出电路基于微波干涉原理构建，采用零差干涉仪结构形式，由信号源输出的信号通过功分器分成两路，一路信号经过可调衰减器和相移器作为本振输入到混频器中，一路通过耦合器耦合到谐振腔中，当微悬臂梁与谐振腔之间的距离产生变化时，谐振腔的谐振频率会变化，反射的第二微波信号通过环形器返回到混频器的射频输入端。包含有位移信息的第二微波信号与本振信号经过混频器输出，并检波放大，最终由接收端电路的信号处理部分分析处理得到微振动加速度信息。
由于微波谐振频率的分辨率很高，从而极大提高了微振动传感器的灵敏度，有效突破传统加速度传感器的灵敏度限制。在本实施例中，经过校准测试，所述微振动传感器的频响范围覆盖(0.01～200)Hz，加速度测量范围±1m/s2,最小可测加速度优于±1×10-5m/s2。
与前述实施例提供的微振动传感器相对应，本申请的一个实施例还提供一种利用上述微振动传感器的感测方法，由于本申请实施例提供的感测方法与上述几种实施例提供的微振动传感器相对应，因此在前述实施方式也适用于本实施例提供的感测方法，在本实施例中不再详细描述。
如图3所示，本发明的一个实施例提供一种利用上述微振动传感器的感测方法，包括：微波谐振腔发射第一微波信号至所述微悬臂梁；被测物体发生微振动，敏感质量块和微悬臂梁感测所述微振动，并根据所述微振动发生微位移，所述微位移改变所述微波谐振腔的中心导体与所述微悬臂梁之间的间隙的长度；所述微波谐振腔接收所述微悬臂梁反射的第二微波信号；读出电路提取所述第二微波信号进行信号处理，并根据所述微位移与所述被测物体的微振动的比例关系测量所述被测物体的微振动加速度。
在一个优选的实施例中，所述微位移改变所述微波谐振腔的中心导体与所述微悬臂梁之间的间隙的长度中进一步包括：所述微位移改变所述间隙长度以改变所述微波谐振腔的谐振频率和品质因数。
本发明所述的技术方案通过基于微波干涉原理的微振动传感器，将感测的物理量转换至频率，能够提高传感器的测量灵敏度和准确度，解决现有技术中振动传感器在低频段测量精度、灵敏度低的问题，在满足微振动环境的高准确度测量需求的同时提高微振动传感器的测量准确度和灵敏度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于微波干涉的微振动传感器，其特征在于，包括微悬臂梁、敏感质量块、微波谐振腔和读出电路，其中
所述微悬臂梁安装在所述微波谐振腔的上方，所述敏感质量块固定连接在所述微悬臂梁顶部，所述微悬臂梁和敏感质量块感测被测物体的微振动并根据所述微振动发生微位移；
所述微波谐振腔发射第一微波信号，并接收所述微悬臂梁和敏感质量块的微位移所反射的第二微波信号；
所述读出电路提取所述第二微波信号并进行数据处理，根据所述微位移与所述被测物体的微振动加速度的比例关系进行计算并实现对所述被测物体的微振动加速度的测量。
2.根据权利要求1所述的微振动传感器，其特征在于，所述微悬臂梁为薄膜悬臂梁。
3.根据权利要求2所述的微振动传感器，其特征在于，所述微悬臂梁的材料为Si3N4。
4.根据权利要求2所述的微振动传感器，其特征在于，所述微悬臂梁包括多层石墨烯。
5.根据权利要求1所述的微振动传感器，其特征在于，所述微波谐振腔采用同轴开放式结构，包括中心导体，所述中心导体与所述微悬臂梁之间存在间隙，所述中心导体用于感测所述间隙变化产生的电场变化。
6.根据权利要求5所述的微振动传感器，其特征在于，所述中心导体使用绝缘介质填充。
7.根据权利要求1所述的微振动传感器，其特征在于，所述第一微波信号为固定频率的微波信号或规律变化的微波信号。
8.根据权利要求1所述的微振动传感器，其特征在于，所述读出电路为零差干涉仪结构。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的微振动传感器的感测方法，其特征在于，包括：
微波谐振腔发射第一微波信号至所述微悬臂梁；
被测物体发生微振动，敏感质量块和微悬臂梁感测所述微振动，并根据所述微振动发生微位移，所述微位移改变所述微波谐振腔的中心导体与所述微悬臂梁之间的间隙的长度；
所述微波谐振腔接收所述微悬臂梁反射的第二微波信号；
读出电路提取所述第二微波信号进行信号处理，并根据所述微位移与所述被测物体的微振动加速度的比例关系测量所述被测物体的微振动加速度。
10.根据权利要求9所述的感测方法，其特征在于，所述微位移改变所述微波谐振腔的中心导体与所述微悬臂梁之间的间隙的长度中进一步包括：
所述微位移改变所述间隙长度以改变所述微波谐振腔的谐振频率和品质因数。
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