CN114740224B - 一种力平衡式硅微谐振加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种力平衡式硅微谐振加速度计，包括质量块、音叉谐振器和力反馈梳齿机构，所述质量块分别与所述音叉谐振器和所述力反馈梳齿机构相连，所述音叉谐振器和所述力反馈梳齿机构分别通过电信号与处理芯片相连，所述处理芯片作为信号输出端，输出信号为所述电压信号。本发明力平衡式硅微谐振加速度计，通过引入力反馈梳齿机构以及作为控制单元的处理芯片，将将硅微谐振加速度计始终工作在力平衡模式下，并将电压信号替代传统的频率信号作为最终的输出信号，由此消除音叉谐振器非线性特性影响，保证了硅微谐振加速度计在大量程下的测量精度。

Description

一种力平衡式硅微谐振加速度计
技术领域
本发明属于惯性传感器技术领域，具体涉及一种力平衡式硅微谐振加速度计。
背景技术
硅微谐振式加速度计因其动态范围大、共模误差抑制能力强、易于数字化等优势，成为当下广泛应用的一种高性能微机械加速度计。通常硅微谐振加速度计的输出信号为频率差，在理想情况中，作为输出的频率差与作为输入的加速度之间认定为线性关系，其比值定义为标度因数。然而在硅微谐振加速度计中充当力频转化机构的音叉谐振器，由于其具有内在的非线性力频特性，因此导致在真实情况中硅微谐振加速度计的输出频率差与输入加速度之间实际为非线性关系；其具体表达式为其中SF为实际标度因数，Sl为理想标度因素，f0为音叉谐振器的自然谐振频率，Aa为输入加速度的幅值；通过上述表达式可看出，实际标度因素随着输入加速度的增大而增大。因此随着加速度的增大，实际标度因素与理想标度因素之间偏差加大，由此导致通过理想标度因素计算出来的加速度测量值与实际加速度之间的误差增大。上述可总结为硅微谐振加速度计的测量误差随着加速度量程的增大而增大，其在小量程下具有较高精度，而在大量程下则精度较差。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种力平衡式硅微谐振加速度计，用以解决硅微谐振加速度计在大量程下的测量误差问题。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种力平衡式硅微谐振加速度计，包括质量块、音叉谐振器和力反馈梳齿机构，所述质量块分别与所述音叉谐振器和所述力反馈梳齿机构相连，所述音叉谐振器和所述力反馈梳齿机构分别通过电信号与处理芯片相连，所述处理芯片作为信号输出端，输出信号为所述电压信号。
进一步地，所述音叉谐振器输出频率信号给所述处理芯片，所述处理芯片输出电压信号给所述力反馈梳齿机构，所述处理芯片根据频率信号调节输出的电压信号大小，使力反馈梳齿机构的作用力与质量块的惯性力相抵消。
进一步地，所述处理芯片为FPGA。
进一步地，所述质量块通过放大机构与所述音叉谐振器相连。
进一步地，所述质量块四个顶角通过支撑梁连接在底座锚区上，所述音叉谐振器设置质量块中部，音叉谐振器两端分别通过放大机构与所述质量块相连。
进一步地，所述放大机构包括四个一级杠杆放大机构，四个一级杠杆放大机构分为两组，分别对称地连接于所述音叉谐振器两端。
进一步地，所述一级杠杆放大机构的支点端与底座相连，输入端与所述质量块相连，输出端与所述音叉谐振器相连。
进一步地，所述力反馈梳齿机构设有四个，均布在所述四个一级杠杆放大机构两侧。
进一步地，所述力反馈梳齿机构固定在底座上，力反馈梳齿机构的输出端与所述质量块相连。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种力平衡式硅微谐振加速度计，通过改进当前硅微谐振加速度计的硬件结构，引入力反馈梳齿机构以及作为控制单元的处理芯片，进而改变硅微谐振加速度计的测量原理，其中将传统的音叉谐振器输出的频率信号作为反馈信号，以此调节处理芯片输出的电压信号大小，使得力反馈梳齿机构的作用力与质量块的惯性力相平衡；也即通过上述方式将硅微谐振加速度计始终工作在力平衡模式下，并将电压信号替代传统的频率信号作为最终的输出信号，由此消除音叉谐振器非线性特性影响，保证了硅微谐振加速度计在大量程下的测量精度。
(2)本发明力平衡式硅微谐振加速度计中使用FPGA作为处理芯片，能够缩小整体硬件结构，并具有较高的处理性能。
(3)本发明力平衡式硅微谐振加速度计可以仅采用一个音叉谐振器，而现有硅微谐振加速度计则在一个测量方向上需要用到两个音叉谐振器，以此构成差分结构输出频率差；因而相比现有硅微谐振加速度计，本发明结构可以做到更加简单可靠。
(4)本发明力平衡式硅微谐振加速度计中均匀布置四个力反馈梳齿结构，保证质量块惯性力的平衡性，进而保证音叉谐振器输出频率信号的可靠性。
附图说明
图1为本发明力平衡式硅微谐振加速度计的结构原理图；
图2为本发明力平衡式硅微谐振加速度计的具体实施例机械结构图。
附图标记：
1-质量块；2-一级杠杆放大机构；3-音叉谐振器；4-力反馈梳齿机构；
5-支撑梁；6-锚区。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示为本发明力平衡式硅微谐振加速度计的结构原理图，包括质量块、放大机构、音叉谐振器、FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程逻辑门阵列，一种处理芯片)和力反馈梳齿机构；所述质量块通过放大机构与音叉谐振器相连，质量块还与力反馈梳齿机构相连，所述音叉谐振器以及所述力反馈梳齿机构分别通过电信号与FPGA相连，所述FPGA还作为本发明力平衡式硅微谐振加速度计的测量结果信号输出端。
上述力平衡式硅微谐振加速度计的工作原理为：首先在被测物加速度的带动下，通过质量块产生惯性力压迫放大机构，惯性力经放大机构放大后输入给音叉谐振器，进而音叉谐振器输出相应大小的频率信号至FPGA，FPGA根据接收到的频率信号输出电压信号给力反馈梳齿机构，力反馈梳齿机构能够根据输入的电压对外产生相应大小的作用力，并且输入电压与输出力之间呈线性关系；基于此驱使力反馈梳齿机构对质量块施加平衡力，所述平衡力为与质量块惯性力相反的作用力，用以抵消质量块所发出的惯性力；FPGA通过调节电压信号控制平衡力大小，直至平衡力与惯性力完全抵消、音叉谐振器输出的频率信号回归初始值(即输入惯性力为0时的频率)，最终FPGA将此时的电压值信号作为测量结果输出。
如图2所示为基于上述技术方案给出的一种具体硅微谐振加速度计的机械结构，包括质量块1、四个一级杠杆放大机构2、音叉谐振器3和四个力反馈梳齿机构4，其中质量块1的四个顶角通过支撑梁5连接在底座锚区6，质量块1能够在支撑梁5的支撑下，相对底座沿图示上下方向自由小幅移动。所述音叉谐振器3设置在质量块1中部，四个一级杠杆放大机构2分为两组，分别对称地连接于音叉谐振器3两端，其中一级杠杆放大机构2的支点端与底座相连，输入端与所述质量块1相连，输出端与所述音叉谐振器3相连。所述四个力反馈梳齿机构4均布在四个一级杠杆放大机构2的两侧，力反馈梳齿机构4固定在底座上，力反馈梳齿机构4的输出端与所述质量块1相连，且输出力的方向与质量块1运动方向相反。上述音叉谐振器3和力反馈梳齿机构4分别通过电信号与FPGA相连，同时FPGA又作为输出端，对外输出电压信号。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：包括质量块(1)、音叉谐振器(3)和力反馈梳齿机构(4)，所述质量块(1)分别与所述音叉谐振器(3)和所述力反馈梳齿机构(4)相连，所述音叉谐振器(3)和所述力反馈梳齿机构(4)分别通过电信号与处理芯片相连，所述处理芯片作为信号输出端，输出信号为电压信号；
所述音叉谐振器(3)输出频率信号给所述处理芯片，所述处理芯片输出电压信号给所述力反馈梳齿机构(4)，所述处理芯片根据频率信号调节输出的电压信号大小，使力反馈梳齿机构(4)的作用力与质量块(1)的惯性力相抵消。
2.根据权利要求1所述的力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：所述处理芯片为FPGA。
3.根据权利要求1所述的力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：所述质量块(1)通过放大机构与所述音叉谐振器(3)相连。
4.根据权利要求3所述的力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：所述质量块(1)四个顶角通过支撑梁(5)连接在底座锚区(6)上，所述音叉谐振器(3)设置质量块(1)中部，音叉谐振器(3)两端分别通过放大机构与所述质量块(1)相连。
5.根据权利要求4所述的力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：所述放大机构包括四个一级杠杆放大机构(2)，四个一级杠杆放大机构(2)分为两组，分别对称地连接于所述音叉谐振器(3)两端。
6.根据权利要求5所述的力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：所述一级杠杆放大机构(2)的支点端与底座相连，输入端与所述质量块(1)相连，输出端与所述音叉谐振器(3)相连。
7.根据权利要求4所述的力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：所述力反馈梳齿机构(4)设有四个，均布在所述四个一级杠杆放大机构(2)两侧。
8.根据权利要求7所述的力平衡式硅微谐振加速度计，其特征在于：所述力反馈梳齿机构(4)固定在底座上，力反馈梳齿机构(4)的输出端与所述质量块(1)相连。
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