CN111157760B - 一种基于mems超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法及系统 - Google Patents

一种基于mems超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法及系统，频率计数器间隔一定周期采集频率点数并进行数据处理，去除跳跃点并求取平均值可获得振荡回路1，振荡回路2的频率均值；对频率均值进行频率差值比较；对频率差值进行阈值判定，判断是否需要执行频率补偿操作；对频率差值进行零点判定，判断所需执行的正、负补偿；根据结果，对同步梁振荡器执行正补偿或负补偿，通过控制高阶同步模块的频率实现MEMS超谐同步带宽的扩大。本发明首次提出频率自动跟踪技术，结合硅基谐振器中存在的焦耳热效应和幅值‑频率效应建立完整的算法体系进行频率补偿，大幅提升同步加速度计的整体性能。

Description

一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法及系统
技术领域
本发明属于微机械系统及加速度测量技术领域，具体涉及一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法及系统。
背景技术
MEMS加速度计具有体积小、重量轻、功耗低、成本低和性能可靠等诸多优势，作为惯性导航系统的核心元件，MEMS加速度计已被广泛应用于消费电子、医疗设备、航空航天和国防军工的领域，近年来已占据中低端领域并正逐步进入战略级精度的高端领域。随着我国社会和经济的不断发展，尤其是近年来物联网、人工智能和大数据等新兴产业的不断投入，未来我国对高性能MEMS加速度计的需求量巨大。MEMS谐振式加速度计由于具有稳定性好、精度高、抗干扰能力强、兼容性高等优势逐渐成为研究热点并被广泛应用。
综合国内外谐振式加速度计的研究现状可知，当前的谐振式加速度计仍然存在很大的提升空间。如：广泛存在于谐振式加速度传感器中的微杠杆机构对灵敏度的提升存在进一步优化的可能性。虽然在单级杠杆机构的基础上再增加一级杠杆能够获得更好的灵敏度提升效果，但过多地增加杠杆级数会引起系统柔性的上升，加之多级杠杆机构挤占了质量块的面积，反而会导致灵敏度提升有限。因此，考虑采用其他方法综合提升加速度计的性能将势在必行。
现有基于1:1同步效应的加速度检测器件能够提升敏感梁的频率稳定性，使得加速度计具有更低的相位噪声；但由于同步带宽过小和频率可调范围较窄，导致谐振器组的工作范围受到了极大的限制，严重影响了同步加计的整体性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法及系统，结合硅基谐振器中存在的焦耳热效应和幅值-频率效应建立完整的算法体系对同步梁进行实时地频率补偿，保证同步加速度计中的低频敏感梁和高频同步梁始终保持同步状态，增强超谐同步加速度计的工作范围。
本发明采用以下技术方案：
一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法，包括以下步骤：
S1、频率计数器间隔一定周期采集频率点数并进行数据处理，去除跳跃点并求取平均值可获得振荡回路1，振荡回路2的频率均值f1,f2；
S2、对频率均值f1,f2进行频率差值比较；
S3、对频率差值进行阈值判定，判断是否需要执行频率补偿操作；
S4、对频率差值Δf进行零点判定，判断所需执行的正、负补偿；
S5、根据步骤S4的结果，对同步梁振荡器执行正补偿或负补偿，通过控制高阶同步模块的频率实现MEMS超谐同步带宽的扩大。
具体的，步骤S2中，将振荡回路2同步梁振荡器的频率f2与振荡回路1敏感梁振荡器的频率f1的高阶谐波频率nf进行频率差值比较，计算频率差值Δf为：
Δf＝f2-nf1
其中，f1为敏感梁振荡频率，f2为同步梁振荡频率，n为超谐阶数。
具体的，步骤S3中，阈值判定标准为：
|Δf|＞fth
其中，fth为阈值频率；如频率差值量的绝对值超过预设定的频率阈值，则判定为失锁，需进行步骤S4的频率补偿；如频率差值量的绝对值小于或等于预设定的频率阈值，则判定为同步，直接输出当前的振荡频率均值f1,f2。
具体的，步骤S4中，零点判定标准为：
Δf＞0
如频率差值量超过零点，则判定为正补偿，进行正频率补偿；如频率差值量小于零点，进行负频率补偿。
具体的，步骤S5中，对同步梁振荡器执行正补偿具体为：
将频率差值Δf输入至第一频率-电压转换模块，计算出所需补偿的电压差值并以累加补偿的方式将第一单位补偿量经过电阻R4输出至同步谐振器的末端得到固支极板；频率-电压转换模块输出的补偿电压量ΔV与输入的频率差值Δf存在以下关系：
Figure BDA0002353762420000031
其中，ΔV1为正补偿电压量，a1为三阶电流频率系数，b1为二阶电流频率系数，C1为一阶电流频率系数，a2为频差系数，f2为同步梁振荡频率，Δf为频率差值。
具体的，步骤S5中，对同步梁振荡器执行负补偿具体为：
执行负补偿时，频率-电压转换模块输出的补偿电压量ΔV与输入的频率差值Δf存在以关系：
Figure BDA0002353762420000032
其中，ΔV2为负补偿电压量，a1为三阶电流频率系数，b1为二阶电流频率系数，C1为一阶电流频率系数，a2为频差系数，f2为同步梁振荡频率，Δf为频率差值。
本发明的另一个技术方案是，一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪系统，利用所述的方法，包括频率读取模块，频率读取模块分别与高频谐振器模块和低频谐振器模块连接用于读取对应的频率信息，将高频谐振器模块和低频谐振器模块的频率差值输入至阈值判定模块及零点判定模块确定执行频率补偿的形式，通过控制高阶同步模块的频率实现MEMS超谐同步带宽的扩大。
具体的，频率读取模块为针对低频谐振器和高频谐振器建立的闭环反馈控制回路，包括两路振荡回路，两路振荡回路均与频率自动跟踪模块连接，频率自动跟踪模块包括第一频率--电压转换模块和第二频率--电压转换模块，第一频率--电压转换模块和第二频率--电压转换模块用于频率均值、频率差值比较、阈值判定、零点判定及频率输出。
进一步的，两路振荡回路分别包括第一放大器和第二放大器，第一放大器的输入端连接MEMS超谐同步加速度计，输出端经第一带通、第一移相器、第一比较器和第一频率计数器后连接第一频率--电压转换模块；第二放大器的输入端连接MEMS超谐同步加速度计，输出端经第二带通、第二移相器、第二比较器和第二频率计数器后连接第二频率--电压转换模块。
更进一步的，MEMS超谐同步加速度计的低频谐振梁和高频谐振梁为双端固支的音叉梁，长度为10～500um，单根音叉梁的宽度为1～10um。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法，首次将超谐同步现象中的频率放大效应用于加速度传感领域，通过调整谐振器组的几何参数，保证低频谐振器作为敏感梁感知加速度的变化，并将谐振频率的变化量通过超谐同步效应使其得到成倍数的扩大，提升同步加计的标度因子。其次，超谐同步加速度计处在同步的工作状态时，敏感梁在同步效应的作用下，其振荡回路的底噪得到了大幅度的抑制，频率稳定性得到显著提升；最终通过这三个方面大幅提升MEMS超谐同步加计的整机性能。
进一步的，频率均值模块用于获取高频振荡回路和低频振荡回路的频率信息，采用平均法将在一定程度上减小频率波动误差。同时，频率均值模块可有效剔除一定采样周期内的跳跃点，确保输出数据稳定可靠。
进一步的，阈值判定模块用于判定频率自动跟踪模块是否执行频率补偿操作。如频率差值的绝对值超出预先设定的频率阈值，则判定为“失锁”，需执行频率补偿操作，如未超出设定阈值，则直接输出当前振荡频率。本发明的阈值大小由MEMS加速度计的频率稳定性、温度漂移和超谐同步阶数等因素共同决定。
进一步的，频率正补偿和负补偿模块利用谐振器中存在的焦耳热效应及幅值-频率非线性效应精确调节同步谐振器的频率，在低频谐振模块与高频谐振模块失锁的状态下，提供频率的实时补偿，确保同步谐振器组始终处于同步状态，有效地扩大超谐同步加速度计的工作带宽。
进一步的，本发明中的MEMS加速度计的单根音叉梁的长度为10～500um，单根音叉梁的宽度为1～10um，可有效保证低频谐振模块与高频谐振模块之间的精确频率匹配，用于提供超谐同步加计的起始工作带宽，后续大量程的工作带宽由频率自动跟随技术实现。
综上所述，本发明首次提出频率自动跟踪技术，结合硅基谐振器中存在的焦耳热效应和幅值-频率效应建立完整的算法体系进行频率补偿，保证低频敏感梁和高频同步梁始终保持同步状态，增强同步加计的动态检测范围，从三个方面大幅提升同步加速度计的整体性能，使得加计的标度因子、灵敏度、噪声、测量精度以及动态范围都有显著提升。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为频率自动跟踪模块系统框图；
图2为频率-电压转换模块系统框图。
其中：9-1.第一放大器；9-2.第一带通；9-3.第一移相器；9-4.第一比较器；9-5.第一频率计数器；10-1.第二放大器；10-2.第二带通；10-3.第二移相器；10-4.第二比较器；10-5.第二频率计数器；11.频率自动跟踪模块；11-7.第一频率--电压转换模块；11-9.第二频率--电压转换模块。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法及系统，结合硅基谐振器中存在的焦耳热效应和幅值-频率效应建立了完整的算法体系对同步加速度计中的同步梁进行实时地频率补偿，保证低频敏感梁和高频同步梁始终保持同步状态，增强同步加计的动态检测范围。同时，为了进一步提升同步加计的整体性能，设计了基于静电弱耦合方式的超谐同步加速度计，通过调整谐振器组的几何参数，保证低频谐振器作为敏感梁感知加速度的变化，并将谐振频率的变化量利用超谐同步效应得到成倍数的扩大，提升同步加计的标度因子。其次，超谐同步加速度计处在同步的工作状态时，敏感梁在同步效应的作用下，其振荡回路的底噪得到了大幅度的抑制，频率稳定性得到显著提升。最终通过这三个方面大幅提升MEMS超谐同步加计的整机性能。
请参阅图1，本发明一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法，频率读取模块分别MEMS超谐同步加速度计中的高频谐振器模块和低频谐振器模块的频率信息，并将两者的频率差值输入至阈值判定模块及零点判定模块确定执行频率补偿的形式，最终通过控制高阶同步模块的频率实现MEMS超谐同步带宽的扩大。
频率均值模块间隔一定周期采集频率点数并进行数据处理，去除跳跃点并求取平均值以获得振荡回路1、振荡回路2的频率均值f1,f2。
频率差值比较模块对频率均值f1,f2进行频率差值比较，计算频率差值Δf为：
Δf＝f2-nf1
其中，f1为敏感梁振荡频率，f2为同步梁振荡频率，n为超谐阶数。
阈值判定模块对频率差值进行判定，判断是否需要执行频率补偿操作；
阈值判定标准为：
|Δf|＞fth
其中，fth为阈值频率；如频率差值量的绝对值超过预设定的频率阈值，则判定为“失锁”，需进行频率补偿；如频率差值量的绝对值小于或等于预设定的频率阈值，则判定为“同步”，直接输出当前的振荡频率均值f1,f2。
零点判定模块对频率差值Δf进行零点判定，判断所需执行的正、负补偿；
零点判定标准为：
Δf＞0
如频率差值量超过零点，则判定为“正补偿”，需进行正频率补偿模块。如频率差值量小于零点，则判定为“负补偿”，需进行负频率补偿模块。
正频率补偿模块对同步振荡器执行正补偿，将频率差值Δf输入至第一频率-电压转换模块11-7，计算出所需补偿的电压差值并以累加补偿的方式输出至同步谐振器的末端得到固支极板；频率-电压转换模块输出的补偿电压量ΔV与输入的频率差值Δf存在以下关系：
Figure BDA0002353762420000081
其中，ΔV1为正补偿电压量，a1为三阶电流频率系数，b1为二阶电流频率系数，C1为一阶电流频率系数，a2为频差系数，f2为同步梁振荡频率，Δf为频率差值。
负频率补偿模块对同步振荡器执行负补偿，将频率差值Δf输入至第二频率-电压转换模块11-7，计算出所需补偿的电压差值并以累加补偿的方式输出至同步谐振器的末端得到固支极板；频率-电压转换模块输出的补偿电压量ΔV与输入的频率差值Δf存在以下关系：
Figure BDA0002353762420000082
其中，ΔV2为负补偿电压量，a1为三阶电流频率系数，b1为二阶电流频率系数，C1为一阶电流频率系数，a2为频差系数，f2为同步梁振荡频率，Δf为频率差值。
请参阅图2，MEMS超谐同步加速度计的低频谐振梁和高频谐振梁为双端固支的音叉梁，长度为10～500um，单根音叉梁的宽度为1～10um；通过音叉梁长度的配比，保证高频谐振梁和低频谐振梁具有良好的频率匹配。
频率读取模块是针对低频谐振器和高频谐振器建立的闭环反馈控制回路；反馈控制回路包含第一放大器9-1、第二放大器10-1、第一带通9-2、第二带通10-2、第一移相器9-3、第二移相器10-3、第一比较器9-4和第二比较器10-4；通过调节控制回路的各项参数，保证高频谐振器和低频谐振器能自激振荡于谐振频率附近，形成基于静电耦合形式的振荡器组；振荡器的频率信息由第一频率计数器9-5和第二频率计数器10-5读取。
频率自动跟踪模块11由两个频率均值、频率差值比较、阈值判定、零点判定、第一频率--电压转换模块11-7，第二频率--电压转换模块11-9以及频率输出组成。通过对高频振荡器和低频振荡器进行频率差值算法控制，结合谐振器中存在的焦耳热效应和幅值-频率效应进行补偿输出，保证阈值判定执行“否”操作，实时输出频率信息。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪系统的工作原理为：
当系统受到外界加速度变化的情况下，质量块在惯性力的作用下发生位移形变；杠杆机构将所受的拉伸或压缩的应力进行一定比例的放大，使得加速度两端的敏感梁承受更大的拉伸应力或压缩应力。由于应力的变化将导致谐振梁的刚度发生相应的变化，进而改变谐振器的谐振频率。
为进一步增强MEMS加速度计的标度因子，考虑采用超谐同步的方式来放大敏感梁的频率变化量。通过设计静电耦合形式的谐振器组，选用合适的几何参数，保证高频谐振器与低频谐振器之间能够满足实现超谐同步的条件。谐振器组的谐振频率受几何关系的影响，存在以下规律：
谐振器在未加载状态下的谐振频率f为：
Figure BDA0002353762420000101
其中，E为硅基材料的杨氏模量，W为音叉谐振梁的宽度，L为音叉谐振梁的长度，ρ为硅基材料的密度。
为保证谐振器组之间可以产生超谐同步现象，低频谐振器敏感梁)的谐振频率f1与高频谐振器同步梁)的谐振频率f2存在以下关系：
f2＝N·f1
其中，N为同步阶数，N为整数。由公式可知，在超谐同步状态下，敏感梁的频率变化量将被同步梁成倍数的扩大，这将增加加速度计的标度因子。
当谐振器与闭环反馈回路构成振荡器并稳定振荡时，用频谱分析仪和频率计数器读取敏感梁和同步梁的频率信息；输出的频率信息进入频率自动跟踪模块完成补偿过程，最终保证超谐同步振荡器组始终保持同步状态。
本发明针对MEMS超谐同步加速度传感器中存在的同步带宽较小的问题，设计并提出了一种新型的频率自动跟踪系统，结合硅基谐振器的焦耳热效应和幅值-频率效应建立完整的算法体系对同步梁进行实时的频率补偿，保证超谐同步加速度计的低频敏感梁与高频同步梁始终保持同步状态，增强同步加计的工作范围。
同时，为了进一步提升同步加计灵敏度，设计了基于静电弱耦合的同步加计拓扑结构，通过优化调整谐振器组的几何参数，提升同步加计的标度因子。
其次，超谐同步加速度计处在同步状态时，敏感梁在同步效应的作用下，其振荡回路的底噪得到了大幅度的抑制，频率稳定性显著提升，最终通过这三个方面大幅提升MEMS超谐同步加计的整机性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、频率计数器间隔一定周期采集频率点数并进行数据处理，去除跳跃点并求取平均值获得振荡回路1、 振荡回路2的频率均值f1、 f2；
S2、将振荡回路2同步梁振荡器的频率均值f2与振荡回路1敏感梁振荡器的频率均值f1的高阶谐波频率nf进行频率差值比较，计算频率差值Δf为：
Δf＝f2-nf1
其中，n为超谐阶数；
S3、对频率差值进行阈值判定，判断是否需要执行频率补偿操作；
S4、对频率差值Δf进行零点判定，判断所需执行的正、负补偿；
S5、根据步骤S4的结果，对同步梁振荡器执行正补偿或负补偿，通过控制高阶同步模块的频率实现MEMS超谐同步带宽的扩大。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，阈值判定标准为：
|Δf|＞fth
其中，fth为预设定的阈值频率；如频率差值量的绝对值超过预设定的频率阈值，则判定为失锁，需进行步骤S4的频率补偿；如频率差值量的绝对值小于或等于预设定的频率阈值，则判定为同步，直接输出当前的振荡频率均值f1、 f2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，零点判定标准为：
Δf＞0
如频率差值量超过零点，则判定为正补偿，进行正频率补偿；如频率差值量小于零点，进行负频率补偿。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，对同步梁振荡器执行正补偿具体为：
将频率差值Δf输入至第一频率-电压转换模块，计算出所需补偿的电压差值并以累加补偿的方式将第一单位补偿量经过电阻R4输出至同步梁振荡器末端的固支极板；第一频率-电压转换模块输出的补偿电压量ΔV与输入的频率差值Δf存在以下关系：
Figure FDA0002770440200000021
其中，ΔV1为正补偿电压量，a1为三阶电流频率系数，b1为二阶电流频率系数，C1为一阶电流频率系数，a2为频差系数，Δf为频率差值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，对同步梁振荡器执行负补偿具体为：
执行负补偿时，第二频率-电压转换模块输出的补偿电压量ΔV与输入的频率差值Δf存在以关系：
Figure FDA0002770440200000022
其中，ΔV2为负补偿电压量，a1为三阶电流频率系数，b1为二阶电流频率系数，C1为一阶电流频率系数，a2为频差系数，Δf为频率差值。
6.一种基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪系统，其特征在于，利用如权利要求1至5中任一项所述的方法，包括频率读取模块，频率读取模块分别与同步梁振荡器和敏感梁振荡器连接用于读取对应的频率信息，将同步梁振荡器和敏感梁振荡器的频率差值输入至阈值判定模块及零点判定模块确定执行频率补偿的形式，通过控制高阶同步模块的频率实现MEMS超谐同步带宽的扩大。
7.根据权利要求6所述的基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪系统，其特征在于，频率读取模块为针对敏感梁振荡器和同步梁振荡器建立的闭环反馈控制回路，包括两路振荡回路，两路振荡回路均与频率自动跟踪模块(11)连接，频率自动跟踪模块(11)包括第一频率-电压转换模块(11-7)和第二频率-电压转换模块(11-9)，第一频率-电压转换模块(11-7) 和第二频率-电压转换模块(11-9)用于频率均值、频率差值比较、阈值判定、零点判定及频率输出。
8.根据权利要求7所述的基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪系统，其特征在于，两路振荡回路分别包括第一放大器(9-1)和第二放大器(10-1)，第一放大器(9-1)的输入端连接MEMS超谐同步加速度计，输出端经第一带通(9-2)、第一移相器(9-3)、第一比较器(9-4)和第一频率计数器(9-5)后连接第一频率-电压转换模块(11-7)；第二放大器(10-1)的输入端连接MEMS超谐同步加速度计，输出端经第二带通(10-2)、第二移相器(10-3)、第二比较器(10-4)和第二频率计数器(10-5)后连接第二频率-电压转换模块(11-9)。
9.根据权利要求8所述的基于MEMS超谐同步加速度计的频率自动跟踪系统，其特征在于，MEMS超谐同步加速度计的敏感梁振荡器和同步梁振荡器为双端固支的音叉梁，长度为10～500um，单根音叉梁的宽度为1～10um。
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