CN113092820A - 一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置 - Google Patents

一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置 Download PDF

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韩可都
李宗伟
杨长春
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Abstract

本发明公开了一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置，尤其涉及噪声性能分析领域。所述装置包括MEMS加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置和控制器，所述MEMS加速度传感器包括MEMS敏感单元、前置放大器单元、模拟环路滤波器单元、静电力反馈单元；所述信号采集装置包括差分运算放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、数据通信模块；所述方法基于所述装置而实现，本发明所述装置及方法可以应用在常规环境下，减少测试工作量，降低外界震动干扰对加速度传感器噪声性能分析的影响，提高加速度传感器及其后信号处理电路的噪声水平的测量精度。

Description

一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置
技术领域
本发明涉及噪声性能分析领域，尤其涉及一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置。
背景技术
在现有技术中，电容式MEMS加速度传感器一般通过检测两极板间电容的变化来检测加速度信号。电容式MEMS加速度传感器工作过程中，受布朗噪声、热噪声、量化噪声等的影响。这些噪声限制加速度传感器可以检测的最小信号。因此，噪声性能是MEMS加速度传感器重要的性能，体现其微弱信号检测能力。
高精度MEMS加速度传感器可以检测微小的震动信号，外界环境的振动或干扰都会混杂到传感器输出。因此，高精度MEMS加速度传感器噪声性能检测对测试环境要求较高。特别地，测试过程中，不可避免地会受到楼体震动的影响，低频段信号混杂着楼体震动信号，使得低频段噪声水平不能真实体现传感器及其后信号处理电路的噪声水平。即使在静音室三级隔震平台上测试，所测噪声功率谱中仍混杂着楼体震动信号，无法准确评估MEMS加速度传感器及其后信号处理电路低频段的噪声水平。而地震勘探探测信号频段为2～300Hz，地震勘探主要关注传感器低频段的噪声水平。在高精度MEMS加速度传感器研制的过程中，需要不断地对传感器各个模块进行改进，以提高其微弱信号检测能力。而由于外界震动信号的影响，使得在常规环境下无法准确测得高精度MEMS加速度传感器的噪声性能，无法对所做改进的效果进行准确评估。为了更准确地得到加速度传感器的噪声性能，减少外界震动信号对噪声性能测试的影响，通常在野外山洞等震动干扰较小的地方，进行噪声测试。此种方法对实验环境要求高，测试场地有很大的限制，需要将相关的测试设备搬到野外山洞进行测试，耗时耗力，加大了测试工作量。
发明内容
为解决上述现有技术的不足，本发明提供了如下技术方案：
一种高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，包括：MEMS加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置和控制器；
MEMS加速度传感器，所述MEMS加速度传感器包括MEMS敏感单元、前置放大器单元、模拟环路滤波器单元、静电力反馈单元；所述MEMS敏感单元用于检测加速度信息，并将所述加速度信息转化为电容信号；所述前置放大器单元用于将所述电容信号转化为电压信号；所述模拟环路滤波器单元用于对所述电压信号进行相位补偿和噪声整形，所述噪声整形是指对所述电压信号的噪声的频谱分布形状进行控制的一种技术；所述静电力反馈单元用于将所述模拟环路滤波器单元处理后输出的信号转化为静电力信号，并将所述静电力信号反馈到所述MEMS敏感单元；经过上述处理后，所述MEMS加速度传感器输出的信号为加速度信号；
信号采集装置，所述信号采集装置包括差分运算放大器、抗混叠滤波器、模数转换器和数据通信模块；所述差分运算放大器用于将所述加速度信号转化为差分信号；所述抗混叠滤波器用于滤除高于1/2所述信号采集装置的采样频率的频率成分；所述模数转换器用于将表征所述加速度信号的模拟信号转换为数字信号；所述数据通信模块用于将采集到的所述加速度信号传输到所述信号分析装置；
信号分析装置，所述信号分析装置用于分析所述加速度信号的各项数据；
控制器，所述控制器用于设置信号采集参数，并存储所述加速度信号的各项数据。
进一步地，所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器有两个，分别是MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2。
进一步地，所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2并排放置，且距离较近，并且由同一电源为其供电。
进一步地，所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述信号采集装置可以根据实际情况进行其他设计。
进一步地，所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述信号采集参数包括采样点数、采样频率等。
进一步地，所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述各项数据包括功率谱密度、互功率谱密度、互相关系数。
一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，同时采集所述MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2输出的加速度信号；
第二步，分析MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2各自输出的加速度信号的噪声的功率谱密度、互功率谱密度、互相关系数；
第三步，将分析过后的数据进行运算处理，从而得到MEMS加速度传感器的噪声特性。
本发明的有益效果为：本发明所述高精度加速度传感器噪声性能分析方法，可以降低外界震动干扰对加速度传感器噪声性能分析的影响，更真实地反应加速度传感器及其后信号处理电路的噪声水平。由此，在常规环境下即可以得到较为准确的加速度传感器噪声性能，尤其是低频部分，不需要去专用的野外山洞等震动干扰较小的地方，进行噪声测试，减少了测试工作量。
尤其在分析MEMS加速度传感器低频(0.1Hz以下)噪声性能时，为得到准确的低频(0.1Hz以下)噪声性能，低频噪声性能分析需采集较长时间。而长时间内，测试环境中震动信号的变化不可忽略，传统的噪声分析方法无法去除震动信号对噪声功率谱的影响，噪声功率谱中混叠着外界震动信号。用本发明所述方法，可以去除震动信号对噪声功率谱的影响，提高低频噪声性能分析的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例的测试方法的原理图；
图2为本发明实施例的MEMS加速度传感器的结构图；
图3为本发明实施例的高精度加速度传感器噪声性能分析方法流程图；
图4为本发明实施例的高精度加速度传感器噪声性能分析装置的结构框图；
图5为本发明实施例的信号采集装置的结构框图；
图6为本发明实施例测得的MEMS加速度传感器噪声性能的对比图；
图7为本发明实施例测得的两个MEMS加速度传感器输出的相关系数图。
具体实施方式
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置，高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置能在常规环境下得到较为准确的加速度传感器噪声性能，尤其是低频部分，不需要去专门的野外山洞等震动干扰较小的地方进行噪声测试，减少了测试工作量。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
结合图1-7，本发明提供了一种高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，包括：MEMS加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置和控制器；
MEMS加速度传感器，所述MEMS加速度传感器包括MEMS敏感单元、前置放大器单元、模拟环路滤波器单元、静电力反馈单元；所述MEMS敏感单元用于检测加速度信息，并将所述加速度信息转化为电容信号；所述前置放大器单元用于将所述电容信号转化为电压信号；所述模拟环路滤波器单元用于对所述电压信号进行相位补偿和噪声整形，所述噪声整形是指对所述电压信号的噪声的频谱分布形状进行控制的一种技术；所述静电力反馈单元用于将所述模拟环路滤波器单元处理后输出的信号转化为静电力信号，并将所述静电力信号反馈到MEMS敏感单元；经过上述处理后，所述MEMS加速度传感器输出的信号为加速度信号；
进一步地，所述模拟环路滤波器单元可以采用PD、PID等结构实现；
进一步地，所述静电力信号用于平衡所述MEMS传感器所受外力作用，以提高加速度传感器的带宽、动态范围和线性度。；
在本发明实施例中，进一步地，所述MEMS加速度传感器有两个，分别是MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2，所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2并排放置，且距离较近，从而确保所述两个MEMS加速度传感器的外界震动信号输入尽量相同；并且所述两个MEMS加速度传感器由同一电源为其供电，以确保所述两个MEMS加速度传感器所受来自电源的干扰尽可能相同。
信号采集装置，所述信号采集装置包括差分运算放大器、抗混叠滤波器、模数转换器和数据通信模块；所述差分运算放大器用于将所述加速度信号转化为差分信号，从而抑制共模干扰；所述抗混叠滤波器用于滤除高于1/2所述信号采集装置的采样频率的频率成分，从而抑制频谱混叠，防止高频信号混叠到低频段中；所述模数转换器用于将所述表征加速度信号的模拟信号转换为数字信号；所述数据通信模块用于将采集到的所述加速度信号传输到所述信号分析装置；
进一步地，所述信号采集装置同时采集所述两个MEMS加速度传感器输出的加速度信号；由于不同时刻，MEMS加速度传感器所受外界震动信号不同，不同时刻两个MEMS加速度传感器的输出不是在同一信号作用下的输出，而是在不同信号作用下的输出，输出的相关性会弱一些，对本发明所述噪声分析有影响，而本发明所述信号采集装置采集到的两个加速度信号是同一时刻输出的，没有时间差引起的干扰；
进一步地，所述模数转换器采用24-bit sigma-delta ADC，从而保证测量精度，在其他实施例中，也可以根绝实际情况选择其他高位的数模转换器，如32-bit sigma-deltaADC；
信号分析装置，所述信号分析装置用于分析所述加速度信号的各项数据，所述各项数据包括功率谱密度、互功率谱密度、互相关系数，从而得到更为准确的传感器噪声性能；
控制器，所述控制器用于设置信号采集参数，并存储所述加速度信号的各项数据；
进一步地，所述信号采集参数包括采样点数、采样频率等，在本发明的实施例中，可以根据实际需要进行噪声性能分析的频段范围来设置采样频率；
在本实施例中，尽可能采集了较多的采样点，从而使计算的噪声功率谱密度、互功率谱密度、互相关系系数更准确。
进一步地，所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述信号采集装置可以根据实际情况进行其他设计。
一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，同时采集所述MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2输出的加速度信号；
第二步，分析MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2各自输出的加速度信号的噪声的功率谱密度、互功率谱密度、互相关系数；
第三步，将分析过后的数据进行运算处理，从而得到MEMS加速度传感器的噪声特性。
在本发明实施例中，外界震动信号输入为U，MEMS加速度传感器1的噪声输入为N1，传递函数为H1(ω)，输出为X；MEMS加速度传感器2的噪声输入为N2，传递函数为H2(ω)，输出为Y。
MEMS加速度传感器1输出的功率谱密度为Px＝|H1|2[U+N1]；
MEMS加速度传感器2输出的功率谱密度为PY＝|H2|2[U+N2]；
MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2输出的互功率谱密度为
Figure BDA0003065183150000071
MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2的输出X和Y的相关系数为γXY(ω)，则有：
Figure BDA0003065183150000081
Figure BDA0003065183150000082
Figure BDA0003065183150000083
由于噪声引起的传感器输出与震动信号引起的传感器的输出不相关，则所述MEMS加速度传感器输出功率谱密度PX＝PU+PN；
噪声功率谱密度为
Figure BDA0003065183150000084
由此，通过本发明实施例的推演计算绘制噪声性能的对比图6以及输出的相关系数图7；
在本发明实施例中，所述试验场地为楼宇，楼宇的震动固定频率为10Hz左右，结合图6可知，采用本发明所述高精度加速度传感器噪声性能分析方法及装置后，处理过的加速度信号的高频段功率谱曲线中毛刺明显减少；低频段附近噪声水平显著下降；且本发明技术方案对工频干扰也有很好的压制作用；
进一步地，结合图7可知，在低频段，即楼宇震动的固有频段附近，MEMS加速度传感器的输出主要由楼宇震动引起，所述MEMS加速度传感器的输出信号有较强的相关性，而在其他频段MEMS加速度传感器的输出由噪声引起，由于噪声具有随机性，输出信号的相关性较弱。
在其他实施例中，所述高精度加速度传感器噪声性能分析方法也可以用于动圈式检波器、陀螺等传感器噪声水平的分析测试。
本发明的有益效果为：本发明所述高精度加速度传感器噪声性能分析方法，可以降低外界震动干扰对加速度传感器噪声性能分析的影响，更真实地反应加速度传感器及其后信号处理电路的噪声水平。由此，在常规环境下即可以得到较为准确的加速度传感器噪声性能，尤其是低频部分，不需要去专用的野外山洞等震动干扰较小的地方，进行噪声测试，减少了测试工作量。尤其在分析MEMS加速度传感器低频(0.1Hz以下)噪声性能时，为得到准确的低频(0.1Hz以下)噪声性能，低频噪声性能分析需采集较长时间。而长时间内，测试环境中震动信号的变化不可忽略，传统的噪声分析方法无法去除震动信号对噪声功率谱的影响，噪声功率谱中混叠着外界震动信号。用本发明所述方法，可以去除震动信号对噪声功率谱的影响，提高低频噪声性能分析的准确性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，包括：MEMS加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置和控制器；
MEMS加速度传感器，所述MEMS加速度传感器包括MEMS敏感单元、前置放大器单元、模拟环路滤波器单元、静电力反馈单元；所述MEMS敏感单元用于检测加速度信息，并将所述加速度信息转化为电容信号；所述前置放大器单元用于将所述电容信号转化为电压信号；所述模拟环路滤波器单元用于对所述电压信号进行相位补偿和噪声整形，所述噪声整形是指对所述电压信号的噪声的频谱分布形状进行控制的一种技术；所述静电力反馈单元用于将所述模拟环路滤波器单元处理后输出的信号转化为静电力信号，并将所述静电力信号反馈到所述MEMS敏感单元；经过上述处理后，所述MEMS加速度传感器输出的信号为加速度信号；
信号采集装置，所述信号采集装置包括差分运算放大器、抗混叠滤波器、模数转换器和数据通信模块；所述差分运算放大器用于将所述加速度信号转化为差分信号；所述抗混叠滤波器用于滤除高于1/2所述信号采集装置采样频率的频率成分；所述模数转换器用于将表征所述加速度信号的模拟信号转换为数字信号；所述数据通信模块用于将采集到的所述加速度信号传输到所述信号分析装置；
信号分析装置，所述信号分析装置用于分析所述加速度信号的各项数据；
控制器，所述控制器用于设置信号采集参数，并存储所述加速度信号的各项数据。
2.根据权利要求1所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器有两个，分别是MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2。
3.根据权利要求2所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2并排放置，且距离较近，并且由同一电源为其供电。
4.根据权利要求1所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述信号采集装置可以根据实际情况进行其他设计。
5.根据权利要求1所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述信号采集参数包括采样点数、采样频率等。
6.根据权利要求1所述的高精度加速度传感器噪声性能分析装置，其特征在于，所述各项数据包括功率谱密度、互功率谱密度、互相关系数。
7.一种高精度加速度传感器噪声性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，同时采集所述MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2输出的加速度信号；
第二步，分析MEMS加速度传感器1和MEMS加速度传感器2各自输出的加速度信号的噪声的功率谱密度、互功率谱密度、互相关系数；
第三步，将分析过后的数据进行运算处理，从而得到MEMS加速度传感器的噪声特性。
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