CN110702795A - 一种电磁悬浮微质量测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁悬浮微质量测量系统，包括检测信号发生器、前置放大器、锁相放大器、激振信号发生器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；所述锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路；所述前置放大器包括相连接的I‑V转换电路和放大器；所述控制器的输入端与锁相放大器相连，控制器的输出端与激振信号发生器连接，激振信号发生器所输出的激振交流电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输出到控制电极对上，通过产生的静电力控制电磁悬浮微质量的轴向振动以获取谐振频率，谐振频率的变化反映微质量大小。本发明能实现微小质量测量，且具有测量精度高的优点。

Description

一种电磁悬浮微质量测量系统
1、技术领域
本发明涉及微机电系统中的微质量测量领域，特别涉及一种电磁悬浮微质量测量系统。
2、背景技术
MEMS即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。利用微加工技术制造出微型器件并进行相应处理电路设计，可广泛应用于传感器和驱动器中。MEMS谐振式质量测量是其中一个典型应用，主要原理是通过改变MEMS谐振器固有的物理特性，如有效质量和刚度，将改变谐振器的相应谐振频率，从而将频移视为传感输出度量，被广泛应用于微质量测量中。
为实现对微质量的测量，现有的方法一般是把质量块安装在悬臂梁上，在交流电压的静电驱动下使质量块产生谐振，得出谐振频率。当安装微质量后，再次测出谐振频率，得到的频率差反映所测微质量大小。这种方法所测微质量精度受机械扭转梁刚度限制，还存在加工工艺复杂，成品率不高、难以更换质量块的缺陷。
3、发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种电磁悬浮微质量测量系统，能实现对微质量的测量，且测量精度高。
本发明所采用的技术方案如下：一种电磁悬浮微质量测量系统，包括检测信号发生器、前置放大器、锁相放大器、激振信号发生器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；检测信号发生器分别与移相电路、控制电压合成器连接，移相电路与锁相放大器连接；锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路，乘法器分别与前置放大器、移相电路连接，低通滤波电路与控制器连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路、放大器，I-V转换电路用于采集电磁悬浮微质量轴向振动位移信息，放大器经锁相放大器后与控制器的输入端连接；控制器的输出端与激振信号发生器连接，所输出的激振交流电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输入到电磁悬浮微质量测量机械结构的谐振控制电极上，通过产生的静电力控制电磁悬浮微质量轴向振动。
优选地，所述控制器包括一路A/D转换电路和三路I/O输出电路，通过I/O输出数字信号控制激振信号发生器以产生相应激振频率信号，再通过A/D转换电路将质量块轴向振幅模拟信号转换成数字信号以得到谐振频率。
优选地，所述控制器为DSP或ARM控制器。
优选地，所述检测信号发生器包括相连接的主控芯片和DDS芯片，其中主控芯片为单片机。
优选地，所述激振信号发生器包括相连接的DDS芯片和带通滤波器。
优选地，所述检测信号发生器还包括两路带通滤波器，其中一路带通滤波器与控制电压合成器连接，另外一路带通滤波器经移相电路与锁相放大器连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明技术方案通过公共电极检出质量块的轴向振幅信号，经过处理后进入控制器获得数字信号，再和相应的激振频率构成频率-振幅关系，最大振幅处所对应的激振频率即为谐振频率，由于采用全数字化闭环测量方法，该谐振频率测量精度高，利用谐振频率的偏移能实现对微小质量的测量。
4、附图说明
图1为电磁悬浮微质量检测系统机械结构示意图；
图2为本发明电磁悬浮微质量测量系统的原理框图。
5、具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
电磁悬浮微质量测量系统的机械结构如图1所示，主要由定子3和质量块2组成，在质量块的中心安装一个微质量固定槽1；定子主要包括谐振控制电极31、公共电极32、悬浮线圈33、稳定线圈34及引脚35等金属平面结构。两块谐振控制电极呈半环形分布于定子上；公共电极在中心，为圆形；悬浮线圈、稳定线圈形成封闭结构，悬浮线圈分布于谐振控制电极所在圆环的外周，稳定线圈分布于悬浮线圈的外周。定子上设有引脚间隙，5个引脚沿着定子的径向从引脚间隙分别引出谐振控制电极、公共电极以及悬浮线圈、稳定线圈的连接线。
定子金属膜厚度为15μm；质量块为圆形铝质量块，厚度为8μm，圆形质量块直径小于稳定线圈内径，大于悬浮线圈外径，直径为3.2mm。当质量块悬浮起来时，需要对谐振控制电极通激振交变电压和高频载波电压的叠加，控制质量块产生轴向振动，改变激振频率大小，通过锁相放大器测出质量块最大振幅，它所对应的激振频率即为谐振频率，获得施加微质量前后谐振频率变化，通过谐振频率变化大小获得所测微质量大小。
这种电磁悬浮微质量测量的结构特点为：电磁悬浮微质量测量系统中，悬浮线圈通交变电流，该交变电流产生的交变磁场与其在质量块导体中感应出的涡流作用产生电磁力，使质量块悬浮起来，稳定线圈使质量块稳定悬浮在腔体中央。两个谐振控制电极分别通大小相等、相位相反的振荡交变电压，产生的静电力驱动质量块轴向振动。该结构的悬浮线圈分布在内侧，产生电磁力使质量块悬浮。稳定线圈分布在外侧，利用稳定线圈电磁场在质量块外侧的边缘效应，产生向内的电磁力，当质量块偏离中心位置时，电磁力的侧向力不再平衡，产生的合力使质量块能返回原位，谐振控制电极分布在公共电极和悬浮线圈之间，增大静电力轴向作用力。公共电极集中在中心，可以增大传感电极的测量精度。
采用激光镭射加工出圆形质量块、微质量固定槽和定子的稳定线圈、悬浮线圈、谐振控制电极、公共电极、引脚等平面金属结构。
如图2所示，本发明微质量测量系统包括检测信号发生器、前置放大器、锁相放大器、激振信号发生器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；检测信号发生器包括单片机、直接数字式频率合成器(DDS)电路和两路带通滤波器(BPF)，其中一路带通滤波器与控制电压合成器连接，另外一路带通滤波器经移相电路与锁相放大器连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路(即电流-电压转换电路)、放大器，I-V转换电路用于采集质量块的轴向振动位移信息，将微弱电流信号转换为电压信号，经过放大器放大后，再通过乘法器和低通滤波器(LPF)组成的锁相放大器后与控制器的输入端的A/D转换连接；控制器的输出端I/O接口与激振信号发生器连接，再连接控制电压合成器，所输出的高频振荡电压经高压放大器放大、同相器和反相器后，再和载波电压叠加后输入到电磁悬浮微质量测量系统谐振控制电极上，通过谐振控制电极产生静电力使质量块振动。电磁悬浮微质量测量的2块谐振控制电极构成1对轴向振动驱动电极对，在本发明中称为控制电极对。
检测信号发生器采用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片模拟I2C总线控制DDS芯片AD9832，以实现频率和相位可调的正弦波信号发生器，用作电容测量的载波信号和同步解调参考信号。同步解调参考信号需要经过移相电路和前置放大器输出的信号相乘。由于是数字合成为阶梯波，输出不平滑，并且输出存在直流偏置，需要采用八阶巴特沃斯模拟带通滤波器滤掉高频噪声和直流偏置，提高信噪比。
锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路(LPF)，乘法器与前置放大器、移相电路连接，低通滤波器与控制器的A/D接口连接。带通滤波信号和载波信号输出到解调电路中，解调电路采用锁相放大器。其原理为输出信号乘以载波信号，再通过低通滤波器(LPF)获得代表振幅大小的直流信号。
移相电路用于实现交流电路±180°相移，使解调电路输入同步解调参考信号相位和前置放大器输出后的调制波信号相位一致，以获得最大的信号输出。
本实施例中，电磁悬浮微质量测量的原理为：电容测量电路与公共电极连接，用于获得质量块轴向振动位移，控制器输出扫频信号，经过激振信号发生器获得相应激振频率信号，再施加在控制电极对上，产生静电力使质量块振动，通过前置放大器和锁相放大器组成的电容测量电路获得质量块相应振幅，再通过A/D转换输送到控制器获得数字信号，当未安装微质量时，谐振频率f0可以表示为：
Figure BSA0000192428830000041
式中，K为电磁悬浮刚度系数，m为圆形质量块和微质量固定槽的质量。
当微质量安装在固定槽内，再测出谐振频率，微质量Δm和谐振频率偏移Δf之间的关系可以表示为：
Figure BSA0000192428830000042
可以看出，根据谐振频率的偏移可以获得微质量的大小，通过扫频实验获得谐振频率的变化从而对微质量进行测量。
控制器为DSP或ARM控制器，主要包括一路A/D转换电路和三路I/O输出电路，通过I/O输出电路输出到激振信号发生器产生激振电压经过高压放大器后转换成等量异号电压到相应的控制极板对，通过A/D转换电路将质量块轴向振幅电压信号转换成数字信号，控制器通过通讯电路和上位机进行通讯，实现幅频曲线绘制、质量显示和数据存储等功能。
如上所述，便可较好地实现本发明。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电磁悬浮微质量测量系统，其特征在于，包括检测信号发生器、前置放大器、锁相放大器、激振信号发生器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路，乘法器分别与前置放大器、移相电路连接，低通滤波电路与控制器连接；检测信号发生器分别与控制电压合成器、移相电路连接，移相电路与锁相放大器的乘法器连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路、放大器，I-V转换电路用于采集电磁悬浮微质量测量系统的质量块振幅信息，放大器经锁相放大器后与控制器的输入端连接；控制器的输出端与激振信号发生器连接，所输出的激振交流电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输入到电磁悬浮微质量测量系统机械结构的控制电极对上，通过产生的静电力控制电磁悬浮微质量轴向振动。
2.根据权利要求1所述的电磁悬浮微质量测量系统，其特征在于，所述控制器包括一路A/D转换电路和三路I/O输出电路，通过I/O输出电路输出到激振频率发生器产生激振电压经过高压放大器后转换成等量异号电压到相应的控制电极对，通过A/D转换电路将质量块轴向振幅电压信号转换成数字信号。
3.根据权利要求1所述的电磁悬浮微质量测量系统，其特征在于，所述I-V转换电路与公共电极连接，用于获取微质量轴向振动位移信号。
4.根据权利要求1所述的电磁悬浮微质量测量系统，其特征在于，所述激振信号发生器和检测信号发生器的DDS电路采用AD9832芯片。
5.根据权利要求2所述的电磁悬浮微质量测量系统，其特征在于，所述控制器为DSP或ARM控制器。
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