CN112924015B - 一种基于声子频率梳的低频信号检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声子频率梳的低频信号检测系统，包括敏感质量块和检测元件，质量块通过放大梁与检测元件相连，质量块用于感受振动并转化为拉力或者压力施加在放大梁上，放大梁传递并放大该力于检测元件，动态改变检测元件的刚度，使检测元件的响应呈梳状。利用频谱分析仪读取检测元件的频谱信息，通过计算检测元件输出信号频谱中频率梳的梳齿间距以及一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值，反演出整个器件所受振动信号的频率和幅值。本发明可满足高分辨率和大量程的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率，方便工程实际应用。
Description
技术领域
本发明属于微机械系统及非线性动力学技术领域，具体涉及一种基于声子频率梳的低频信号检测系统。
背景技术
低频弱振动是指振动频率小于10Hz，加速度大概1～5m/s2。由于振动过程的加速度不大，对人造成的影响较小，常常被人们忽视。但是，低频振动却是一种常见的却又不能忽视物理现象，例如对于大型工程结构的振动、大型旋转机器的振动，这些振动在正常情况下对人们的日常生活没有太大影响,然而一旦超过允许的极限将会对社会生产和生活造成极大的危害,因此在工程技术领域，低频振动的测试与研究一直受到高度重视。可靠性高、灵敏度高、方便工程应用的振动传感器是测量低频振动的主要手段。
加速度计在低频振动测量领域得到了广泛应用，但事实上，它还是受到一定的限制，使用过程中存在了一系列问题。当需要测振动幅值时，加速度计的输出信号要经两次积分，积分电路中难免引入电路器件的漂移影响。在纯积分电路中，波形零点随着随时间变化，偏移越来越大，时间越长，整个测量系统的漂移也会越来越大。如果在电路中加上隔直措施，实际上又给加速度计设置了频率下限。
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，提供一种基于声子频率梳的低频信号检测系统，将低频振动信号转化为频率梳的梳齿间距，可同时满足高分辨率和大量程的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率，方便工程实际应用。
本发明采用以下技术方案：
一种基于声子频率梳的低频信号检测系统，包括用于感受振动信号的敏感质量块，敏感质量块通过放大梁与菱形结构的检测元件连接；敏感质量块将感受到的振动转化为拉力或压力施加在放大梁上，再经放大梁传递并放大施加于检测元件，动态改变检测元件的刚度；检测元件经差分电路与频谱分析仪连接，利用频谱分析仪读取检测元件的频谱信息，通过计算谐振子输出信号频谱中频率梳的梳齿间距，得到低频信号的频率，通过一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值得到低频信号的幅值。
具体的，检测元件悬置于镂空的衬底上，通过与衬底绝缘层固结的第一固支锚点以及悬置的第二连接锚点连接；第一固支锚点上均匀溅射有第一金属电极层，第二连接锚点通过放大梁与惯性传感模块的敏感质量块连接；检测元件的左右两端向外侧伸出的第一电容平板和第二电容平板悬置于镂空的衬底上；在第一电容平板的对侧设有第三电容平板，第三电容平板连接谐振子第一激励锚点，第一激励锚点上均匀溅射有第二金属电极层，第一电容平板和第三电容平板构成第一平板电容；第二电容平板的对侧设有第四电容平板，第四电容平板连接谐振子第一检测锚点，第一检测锚点上均匀溅射有第三金属电极层，第二电容平板和第四电容平板构成第二平板电容。
进一步的，第一固支锚点、第一激励锚点和第一检测锚点均为正方形结构，正方形结构的边长为100～300μm。
进一步的，第一金属电极层、第二金属电极层、第三金属电极层的形状均为正方形，正方形结构的边长为80～250μm。
进一步的，第一电容平板和第三电容平板之间，第二电容平板和第四电容平板之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离为1～10μm。
进一步的，敏感质量块通过放大梁与第二连接锚点连接。
进一步的，频谱分析仪经差分电路分两路，一路与第三金属电极层连接，另一路经可调电容与第一信号发生器连接，第一信号发生器通过可调电容匹配检测元件的寄生电容，经差分电路得到纯净的运动信号；第二金属电极层与第二信号发生器连接，第二信号发生器用来激励检测元件，检测元件输出的振动信号通过频谱分析仪读取。
具体的，频谱分析仪测得的检测元件的响应在频域呈现出以激励频率为中心且间距相等的频率梳，频率梳的梳齿间距由敏感质量块的振动频率调节，频率梳的梳齿间距始终等于敏感质量块的振动频率，通过计算频率梳的梳齿间距得到低频信号的频率，通过一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值得出低频信号的幅值。
进一步的，梳齿间距的变化范围为1～300Hz。
具体的，检测元件的主体为检测谐振子，检测谐振子的结构为菱形，单根梁的长度为200～300μm，单根梁的宽度为6～8μm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提出了一种基于声子频率梳的低频检测系统，包括敏感质量块和检测元件，质量块通过放大梁与检测元件相连，当质量块受到面内振动时，对放大梁产生拉力或压力，该力经过放大梁传递并放大施加于检测元件上，对检测元件的刚度进行动态调制，使低振动信号以主频在260kHz的频率梳的形式输出，通过计算检测元件输出信号频谱中频率梳的梳齿间距以及一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值，即可反演出整个器件所受振动信号的频率和幅值。基于此原理设计的新型低频振动信号检测系统，可满足高分辨率和大量程的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率，方便工程实际应用。
进一步的，检测元件的固支锚点和连接锚点对悬置的谐振元件进行必要的支撑，镂空结构保证谐振元件在激振力作用下能产生稳定振动。第一电容平板和第三电容平板构成的第一平板电容为激励可变电容，当可变电容的两侧存在交变的电压作用时，产生的交变静电力驱动检测元件产生持续稳定的振动。第二电容平板和第四电容平板构成的第二平板电容为检测可变电容，检测元件在交变静电力驱动下的稳定振动位移信号转化为可变电容的动态电流信号输出，从而实时采集高频谐振元件的振动信号。
进一步的，固支锚点用来连接菱形梁和第一金属电极层，第一激励锚点用来连接第二金属电极层和第三电容平板，第一检测锚点用来连接第三金属电极层和第四电容平板。
进一步的，金属电极层边长设置为80～250μm，作为金丝球焊的焊盘，输入和输出电学信号。
进一步的，第一平板电容和第二平板电容形成的可变电容的间隙大小决定了激振力和检测信号的强度。间隙的距离范围设置为1～10μm，可以保证激振力的大小足以使检测元件达到稳定振动，并且振动信号也可以准确输出。
进一步的，第二连接锚点与惯性传感模块的敏感质量块连接，当敏感质量受到加速度等惯性力的作用并产生位移时，连接锚点将相应的拉伸或者压缩应变传递至与第二连接锚点相连的检测元件上，以动态调制检测谐振子的刚度。
进一步的，利用频谱分析仪读取检测元件的频谱信息，频率梳将低频信号转化为主频在260kHz的声子频率梳的梳齿间距，通过计算谐振子输出信号频谱中频率梳的梳齿间距，即可得到该低频信号的频率，计算一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比得到低频信号的幅值，低频信号的频率和幅值可同时被精确读取。
进一步的，在微机械谐振器中施加轴向动态刚度调制信号ωp，谐振器的响应在频域呈现出以激励频率为中心等间距的频率梳，频率梳的梳齿间距由ωp调节。随着ωp的变化，频率梳的梳齿间距也随之改变且始终等于ωp，基于此原理设计的新型低频振动信号检测系统，将低频振动转化为频率梳的梳齿间距，可同时满足高分辨率和大量程的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率，方便工程实际应用。
进一步的，梳齿间距实现从1～300Hz的变化；间距可变的频率梳犹如一把“刻度可变的尺子”，使基于该原理的惯性传感器同时具备高分辨率与大量程的优势。
进一步的，检测谐振子的结构设计为菱形，使敏感质量块更容易对检测谐振子的刚度进行调制。
综上所述，本发明惯性传感器可满足高分辨率和大量程的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率，方便工程实际应用，且易于实现、灵活性高。
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为本发明MEMS谐振式低频振动信号传感器结构图；
图2为本发明测量电路结构原理图。
其中：1-1.菱形梁；1-2.第一固支锚点；1-3.第二连接锚点；1-4.第一金属电极层；1-5.第一电容平板；1-6.第二电容平板；2-1.第三电容平板；2-2.第一激励锚点；2-3.第二金属电极层；3-1.第四电容平板；3-2.第一检测锚点；3-3.第三金属电极层；4-1.放大梁；5-1.第一信号发生器；5-2.可调电容；5-3.差分电路；5-4.频谱分析仪；6-1.第二信号发生器。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
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。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于声子频率梳的低频信号检测系统，在微机械谐振器的轴向施加动态刚度调制信号ωp，谐振器的响应在频域呈现出以激励频率为中心的等间距的频率梳，频率梳的梳齿间距由ωp调节。随着ωp的变化，频率梳的梳齿间距也随之改变且始终等于ωp，梳齿间距可实现从1Hz-300Hz的变化。基于此原理设计的新型低频振动信号检测系统，可以通过计算检测元件输出信号频谱中频率梳的梳齿间距以及一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值，反演出整个器件所受振动信号的频率和幅值。本发明可满足高分辨率和大量程带宽的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率，方便工程实际应用。
请参阅图1，本发明提供了一种基于声子频率梳的低频信号检测系统，包括用于感受振动信号的敏感质量块以及菱形检测元件，质量块通过放大梁与检测元件连接；质量块将感受到的振动转化为拉力或者压力施加在放大梁上，该力经过放大梁传递并放大施加于检测元件，动态改变检测元件的刚度；利用频谱分析仪读取检测元件的频谱信息，通过计算谐振子输出信号频谱中频率梳的梳齿间距，即可得到该低频信号的频率，计算一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值得到低频信号的幅值。该低频振动信号检测系统，可以将低频振动信号转化为频率梳的梳齿间距，以同时满足高分辨率和大量程的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率。
检测元件的主体为检测谐振子，包括菱形梁1-1；第一固支锚点1-2；第二连接锚点1-3；第一金属电极层1-4；第一电容平板1-5；第二电容平板1-6。
菱形梁1-1两端分别和与衬底绝缘层固结的第一固支锚点1-2和第二连接锚点1-3相连，使菱形梁1-1悬置于镂空的衬底上；菱形梁1-1右侧顶点向外侧伸出的第一电容平板1-5悬置于镂空的衬底上，并与第三电容平板2-1构成第一平板电容，为菱形梁1-1提供激振力；菱形梁1-1左侧顶点向外侧伸出的第二电容平板1-6悬置于镂空的衬底上，并与第四电容平板3-1构成第二平板电容，用来检测菱形梁1-1的振动信号；第一固支锚点1-2、第一激励锚点2-2、第一检测锚点3-2上分别溅射有第一金属电极层1-4、第二金属电极层2-3和第三金属电极层3-3，用于电信号的传输。
第一固支锚点1-2、第一激励锚点2-2和第一检测锚点3-2主体形状均为正方形，边长为200～300μm。
第一金属电极层1-4、第二金属电极层2-3、第三金属电极层3-6的形状均为正方形，边长为80～250μm。
第一电容平板1-5和第三电容平板2-1之间，第二电容平板1-6和第四电容平板3-1之间的间隙距离为1～10μm。
敏感质量块通过放大梁4-1与第二连接锚点1-3相连；质量块将感受到的振动转化为拉力或者压力施加在放大梁上，该力经过放大梁传递并放大施加于检测元件，动态改变检测元件的刚度。
请参阅图2，敏感质量块在惯性力的作用下动态调制检测元件刚度，使检测谐振子的响应出现频率梳。
具体的，第二信号发生器6-1用于激励检测谐振子，第一信号发生器5-1通过可调电容匹配检测谐振子的寄生电容，经过差分电路5-3得到纯净的运动信号；检测谐振子输出的振动信号通过频谱分析仪5-4读取。
本发明一种基于声子频率梳的低频信号检测方法，包括以下步骤：
敏感质量块受到面内的惯性力作用时，对放大梁4-1产生拉力或压力，该力经过放大梁传递并放大施加于检测元件1-1上，动态改变检测元件1-1的刚度。
当敏感质量块以频率ωp振动时，频谱分析仪5-4测得的检测元件1-1的响应在频域呈现出以激励频率为中心等间距的频率梳，频率梳的梳齿间距由质量块的振动频率调节，且始终等于ωp。
通过计算频率梳的梳齿间距即可得到该低频信号的频率，低频信号的幅值可以通过一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值给出。
低频振动信号对检测谐振子刚度调制的过程可以用如下动力学方程表述：
其中，x是归一化的位移，f是归一化的驱动幅值，fp是敏感质量块引起的刚度调制，Ωd和Ωp分别代表归一化的驱动频率和振动频率。
当Ωd＝1时，利用多尺度法得到其近似解如下：
其中，A为与激励相关的复振幅，c.c.是前面项的复数共轭。敏感质量块对检测元件的动态刚度调制会产生大小为(1±Ωp)的非齐次项，这些非齐次项代表着频率梳的一阶梳齿。
由理论推导可知，当检测出检测元件响应的频谱时，即可通过梳齿的间距及各阶梳齿的幅值，反演出整个器件所受振动信号的频率和幅值。梳齿间距能够实现从1～300Hz的变化，使基于该原理的惯性传感器同时具备高分辨率与大量程的优势。
综上所述，本发明一种基于声子频率梳的低频信号检测系统，在微机械谐振器的轴向施加动态刚度调制信号，谐振器的响应在频域将呈现梳状，且梳齿间距由刚度调制信号的频率决定，以此原理设计低频信号检测系统，质量块将受到的低频振动转化为拉力或压力施加在放大梁上，该力经过放大梁传递并放大于检测元件，对检测元件的刚度进行动态调制，使低振动信号以主频在260kHz的频率梳的形式输出，通过计算检测元件输出信号频谱中频率梳的梳齿间距以及一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值，即可反演出整个器件所受振动信号的频率和幅值。基于此原理设计的新型低频振动信号检测系统，可满足高分辨率和大量程的应用需求，并且可同时测得低频振动信号的幅值和频率，方便工程实际应用。
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 (10)
1.一种基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，包括用于感受振动信号的敏感质量块，敏感质量块通过放大梁(4-1)与菱形结构的检测元件(1-1)连接；敏感质量块将感受到的振动转化为拉力或压力施加在放大梁(4-1)上，再经放大梁传递并放大施加于检测元件(1-1)，动态改变检测元件(1-1)的刚度；检测元件(1-1)经差分电路与频谱分析仪(5-4)连接，利用频谱分析仪(5-4)读取检测元件(1-1)的频谱信息，通过计算谐振子输出信号频谱中频率梳的梳齿间距，得到低频信号的频率，通过一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值得到低频信号的幅值。
2.根据权利要求1所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，检测元件(1-1)悬置于镂空的衬底上，通过与衬底绝缘层固结的第一固支锚点(1-2)以及悬置的第二连接锚点(1-3)连接；第一固支锚点(1-2)上均匀溅射有第一金属电极层(1-4)，第二连接锚点(1-3)通过放大梁(4-1)与惯性传感模块的敏感质量块连接；检测元件(1-1)的左右两端向外侧伸出的第一电容平板(1-5)和第二电容平板(1-6)悬置于镂空的衬底上；在第一电容平板(1-5)的对侧设有第三电容平板(2-1)，第三电容平板(2-1)连接谐振子第一激励锚点(2-2)，第一激励锚点(2-2)上均匀溅射有第二金属电极层(2-3)，第一电容平板(1-5)和第三电容平板(2-1)构成第一平板电容；第二电容平板(1-6)的对侧设有第四电容平板(3-1)，第四电容平板(3-1)连接谐振子第一检测锚点(3-2)，第一检测锚点(3-2)上均匀溅射有第三金属电极层(3-3)，第二电容平板(1-6)和第四电容平板(3-1)构成第二平板电容。
3.根据权利要求2所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，第一固支锚点(1-2)、第一激励锚点(2-2)和第一检测锚点(3-2)均为正方形结构，正方形结构的边长为100～300μm。
4.根据权利要求2所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，第一金属电极层(1-4)、第二金属电极层(2-3)、第三金属电极层(3-3)的形状均为正方形，正方形结构的边长为80～250μm。
5.根据权利要求2所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，第一电容平板(1-5)和第三电容平板(2-1)之间，第二电容平板(1-6)和第四电容平板(3-1)之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离为1～10μm。
6.根据权利要求2所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，敏感质量块通过放大梁(4-1)与第二连接锚点(1-3)连接。
7.根据权利要求2所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，频谱分析仪(5-4)经差分电路(5-3)分两路，一路与第三金属电极层(3-3)连接，另一路经可调电容(5-2)与第一信号发生器(5-1)连接，第一信号发生器(5-1)通过可调电容(5-2)匹配检测元件(1-1)的寄生电容，经差分电路(5-3)得到纯净的运动信号；第二金属电极层(2-3)与第二信号发生器(6-1)连接，第二信号发生器(6-1)用来激励检测元件(1-1)，检测元件(1-1)输出的振动信号通过频谱分析仪(5-4)读取。
8.根据权利要求1所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，频谱分析仪(5-4)测得的检测元件(1-1)的响应在频域呈现出以激励频率为中心且间距相等的频率梳，频率梳的梳齿间距由敏感质量块的振动频率调节，频率梳的梳齿间距始终等于敏感质量块的振动频率，通过计算频率梳的梳齿间距得到低频信号的频率，通过一阶梳齿幅值与中心梳齿幅值的比值得出低频信号的幅值。
9.根据权利要求8所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，梳齿间距的变化范围为1～300Hz。
10.根据权利要求1所述的基于声子频率梳的低频信号检测系统，其特征在于，检测元件(1-1)的主体为检测谐振子，检测谐振子的结构为菱形，单根梁的长度为200～300μm，单根梁的宽度为6～8μm。
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| CN112924015A (zh) | 2021-06-08 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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