CN116295541A - 一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于弱耦合谐振式传感器的方法及装置。在执行所述方法时，先根据待测物理量转化得到扰动信号，后将扰动信号输入目标传感器，以使目标传感器根据该扰动信号生成至少一个谐振信号，其中目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器，该目标传感器通过模态局域化效应得到至少一个谐振信号。最后，根据得到的谐振信号生成反馈信号并输出。这样，通过生成的反馈信号平衡作用于目标传感器的刚度扰动信号，将反馈信号作为传感结果输出，使传感器中多自由度弱耦合谐振器的灵敏度与传感器整体的量程范围解除关联关系，如此，在不影响传感器中多自由度弱耦合谐振器超高灵敏性的前提下，大大拓宽了传感器的检测量程。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置。
背景技术
谐振式传感器是利用谐振元件把被测参量转换为频率信号的传感器，又称频率式传感器。当被测参量发生变化时，振动元件的固有振动频率随之改变，通过相应的测量电路，就可得到与被测参量成一定关系的电信号。谐振式传感器以其体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高以及便于数据传输、处理和存储等优点在多个领域中被广泛应用，特别是力、加速度、微质量、电场和磁场等测量方面有着广泛的应用。
近年来为了开发高灵敏度的谐振式传感器，在单自由度谐振式传感器的基础上，应用模态局部化效应形成了多自由度弱耦合谐振式传感器。通过将多个对称的谐振器形成弱耦合连接，当多个对称的弱耦合谐振器系统接收到被测物理量时，使得能量在这多个弱耦合谐振器中重新分配，检测多个弱耦合谐振器振动幅值比、幅值差等信息，推算出被测物理量的大小。与传统的谐振式传感器相比，弱耦合谐振式传感器利用模态局域化效应，实现了检测灵敏度的大幅度提高。然而，由于现有的弱耦合谐振式传感器具有超高的灵敏度，其能识别的被测物理量的量程范围受到了极大的限制，不利于弱耦合谐振式传感器的广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置，旨在不影响传感器中多自由度弱耦合谐振器的超高灵敏性的同时，拓宽传感器的检测量程。
第一方面，本申请提供了一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法，所述方法包括：
接收扰动信号，所述扰动信号是根据待测物理量转化得到的；
将所述扰动信号输入目标传感器，以使所述目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号，所述目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器；
检测到所述目标传感器生成的至少一个谐振信号后，并根据所述至少一个谐振信号生成反馈信号，以根据所述反馈信号平衡所述扰动信号；
将所述反馈信号作为测量结果输出。
可选地，所述目标传感器包括多个相互耦合的谐振器，所述以使所述目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号，包括：
将所述目标传感器中的多个相互耦合的谐振器调节至目标振动模态频率；
利用所述扰动信号使所述目标传感器发生模态局域化效应，产生至少一个谐振信号。
可选地，所述将所述扰动信号输入目标传感器，以使目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号后，还包括：
检测所述目标传感器的实际振动模态频率；
根据所述实际振动模态频率生成调谐电压信号，所述调谐电压信号用于调节所述目标传感器所需的振动模态频率。
可选地，所述根据所述至少一个谐振信号生成反馈信号，包括：
将所述至少一个谐振信号分别进行解调；
根据解调后的谐振信号确定谐振信号信息，所述谐振信号信息包括所述至少一个谐振信号对应的幅值、幅值比或幅值差；
根据所述谐振信号信息生成反馈信号。
可选地，所述目标传感器根据所述谐振信号信息生成反馈信号，包括：
根据所述谐振信号信息生成负反馈控制信号，所述负反馈控制信号用于控制所述目标传感器对于扰动信号的平衡能力；
根据所述负反馈控制信号生成反馈信号，以平衡所述扰动信号。
可选地，所述以根据所述反馈信号平衡所述扰动信号，包括：
将所述反馈信号输入到目标传感器中；
利用所述反馈信号抵消目标传感器接收到的所述扰动信号，以使所述目标传感器生成的谐振信号的幅值、幅值比或幅值差回到初始值。
第二方面，本申请提供了一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感装置，所述装置包括：扰动信号接收模块、谐振信号生成模块、反馈信号生成模块和反馈信号输出模块；
所述扰动信号接收模块，用于接收扰动信号，所述扰动信号是根据待测物理量转化得到的；
所述谐振信号生成模块，用于将所述扰动信号输入目标传感器，以使所述目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号，所述目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器；
所述反馈信号生成模块，用于在检测到所述目标传感器生成的至少一个谐振信号后，并根据所述至少一个谐振信号生成反馈信号，以根据所述反馈信号平衡所述扰动信号；
所述反馈信号输出模块，用于将所述反馈信号作为测量结果输出。
可选地，所述目标传感器为谐振式传感器，其中，所述目标传感器包括多个相互耦合的谐振器，所述谐振信号生成模块还用于将所述目标传感器的多个相互耦合的谐振器调节至目标振动模态频率，然后利用所述扰动信号使所述目标传感器发生模态局域化效应，产生至少一个谐振信号。
可选地，所述反馈信号生成模块还用于将所述至少一个谐振信号分别进行解调，然后根据解调后的谐振信号确定谐振信号信息，所述谐振信号信息包括所述至少一个谐振信号对应的幅值、幅值比或幅值差，最后根据所述谐振信号信息生成反馈信号。
第三方面，本申请提供了一种传感系统，所述传感系统应用前述第一方面中任一项所述的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法。
本申请提供了一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法。在执行所述方法时，先根据待测物理量转化得到扰动信号，后将扰动信号输入目标传感器，以使目标传感器根据该扰动信号生成至少一个谐振信号，其中目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器，该目标传感器通过模态局域化效应得到至少一个谐振信号。最后，根据得到的谐振信号生成反馈信号，以根据反馈信号平衡作用于目标传感器的扰动信号。这样，通过生成的反馈信号平衡刚度扰动信号，将反馈信号作为传感结果输出，使得传感器中多自由度弱耦合谐振器的灵敏度与传感器整体的量程范围解除关联关系，而是由反馈信号的范围决定传感器的量程范围，达到了扩大了传感器量程范围的效果。如此，在不影响传感器中多自由度弱耦合谐振器的超高灵敏性的前提下，大大拓宽了传感器的检测量程。
附图说明
为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的一种方法流程图；
图2为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的一种目标传感器的简化模型图；
图3为本申请实施例提供的应用基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的一种具体电路示意图；
图4为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的另一种方法流程图；
图5为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感装置的一种结构示意图；
图6为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感装置的另一种结构示意图。
具体实施方式
正如前文所述，谐振式传感器为一种基于机械谐振技术，以谐振元件作为敏感元件而实现测量的传感器。其工作原理为直接将被测量的变化转换为物体谐振特性变化，达到对压力，位移，密度等被测参数的测量。谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性，决定了其具有高的灵敏度和分辨率。与传统的单谐振式传感器相比，弱耦合谐振式传感器将多个对称的谐振器形成弱耦合连接，利用模态局域化效应，实现了检测灵敏度的大幅度提高。然而，利用模态局域化效应的传感器的灵敏度越高，其能识别的被测量的变化量越小，即检测量程就会越小。而且模态局域化传感器的输出量与被测量理论上存在弱非线性关系，即传感器在测量某一区间的微小扰动信号的灵敏度是变化的，如果用线性函数去拟合输出和输入的关系，得到的测量值就会和实际值有误差。利用模态局域化效应的传感器只能在输出量和被测量存在高线性关系的区间进行测量，这就一定程度上也限制了传感器的量程范围。
有鉴于此，本申请提供了一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置。在执行所述方法时，先根据待测物理量转化得到扰动信号，然后将扰动信号输入目标传感器，以使目标传感器根据该扰动信号生成至少一个谐振信号，其中目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器，该目标传感器通过模态局域化效应得到至少一个谐振信号。最后，根据得到的谐振信号生成反馈信号，以根据反馈信号平衡作用于目标传感器的扰动信号。这样，利用该反馈信号抵消目标传感器接收到的扰动信号，以使目标传感器生成的谐振信号的幅度、幅值比或幅值差回到初始值。由于此时的反馈信号可以与目标传感器接收到的扰动信号相互抵消，可以根据反馈信号得到待测物理量的大小，使得传感器的量程范围由能够抵消扰动信号的反馈信号的大小决定，不受其弱耦合谐振器的灵敏度的限制。如此，在不影响传感器中的多自由度弱耦合谐振器具有超高灵敏性的前提下，能够实现大大拓宽传感器的检测量程。
本申请实施例提供的方法可以应用于多自由度弱耦合谐振式传感器，扩大该传感器的检测量程，减少该传感器的应用范围的限制。本申请实施例提供的方法可以用于测量各种待测物理量，如力、加速度、倾角、电场或磁场等物理量。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
参见图1，图1为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的一种方法流程图，方法包括：
S101：接收扰动信号。
其中，扰动信号是根据待测物理量转化得到的。待测物理量可以为力、加速度、倾角、电场或磁场等物理量。可以将不同的物理量转化为刚度扰动的形式作用于目标传感器。
S102：将扰动信号输入目标传感器，以使目标传感器根据扰动信号发生模态局域化效应，生成至少一个谐振信号。
其中，目标传感器可以用于不同物理量的测量。传感器为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
在本实施例中，目标传感器的类型为谐振式传感器，基于谐振技术,利用谐振子的振动频率、相位和幅值作为敏感参数，达到对力、加速度、倾角、电场或磁场等被测参数的测量。按谐振元件的不同，谐振式传感器可分为振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和压电谐振式等，主要用于测量压力、转矩、密度、加速度和温度等物理量。
其中，目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器。其中，多自由度弱耦合谐振式传感器为多个(至少两个)对称的谐振器通过机械和/或静电的形式形成弱耦合连接，利用模态局域化效应，通过检测多个谐振器的振动幅值比及幅值差等信息，来推算出被检测量的大小。
其中，模态局部化效应的具体定义可表述为：“在一个失调的弱耦合系统中，振动能量不能传播无限远的距离，而是会被局部化地集中到靠近驱动能量源头的子系统中”。在一个理想的多自由度弱耦合谐振系统中，在未受到干扰的情况下，谐振器的振幅相同。当其中的某一个谐振器的固有特性(质量或者刚度)受到干扰时，谐振器的振型模态会发生剧烈变化。通过对多自由度弱耦合系统的振动模态(振幅、振幅比或振幅差)的变化进行检测，来敏感子系统固有特性的变化。利用了振动模态的能量局部集中效应，实现了检测灵敏度的大幅度提高，基于该原理的传感器具有很好的环境适应性。
其中，谐振信号为在扰动信号作用于目标传感器后，目标传感器中的谐振器的振型模态会发生变化，发生模态局部化效应后生成了谐振信号。由于目标传感器可以含有多个谐振器，因此可以生成多路谐振信号。其中，生成的谐振信号为调制信号，目标传感器通过模态局域化效应将低频的扰动信号调制到高频的谐振信号中，在谐振信号传输时同时会进行信号的放大，从而有利于信号的传播。
可选地，目标传感器发生模态局域化效应之前，目标传感器可以通过特定的电路跟踪锁定多自由度弱耦合谐振式传感器中所需谐振器的振动模态频率，从而将目标传感器中的弱耦合谐振器驱动至工作状态。该特定的电路可以是锁相环(PLL)电路和自激振荡电路。当然，也可以在特定的电路中增加自动增益控制电路，以便更精准的控制振动模态频率。
可选地，可以通过如下方式时目标传感器得到谐振信号：首先，将所述目标传感器中的各个相互耦合的谐振器调节至目标振动模态频率，此时，各个谐振器已被驱动至谐振状态。然后，将接收到的扰动信号作用于目标传感器。最后，检测目标传感器中每一个谐振器的谐振信号。当然，也可以采用其他方式得到谐振信号，也不影响本申请实施例的正常进行。
可选地，在将所述目标传感器的多个相互耦合的谐振器调节至目标振动模态频率前，可以检测目标传感器的实际振动模态频率。然后，根据实际振动模态频率生成调谐电压信号。最后，利用调谐电压信号调节目标传感器所需的振动模态频率。其中，调谐是为了使得传感器中的各个谐振器满足模态局域化效应所需条件，通过改变传感器中谐振器的工作振动模态，调节谐振器中的振荡电路的频率达到目标工作模态所需范围，使谐振器在接收到扰动信号时能够在工作振动模态发生谐振。由此产生的信号被称为调谐电压信号。可选地，调节谐振器的振动模态频率还可以用于根据实际需求将各个谐振器调节至不同的偏置点，从而改变目标传感器的测量带宽，影响目标传感器的测量量程。可选地，由于目标传感器中各个谐振器需要保持对称，即各个谐振器的有效刚度比或质量比相等，但是实际制造中工艺的误差导致各个谐振器之间可能会发生失配，因此调谐电压信号还可以用于调节各个谐振器之间的失配维持在合理范围内。
S103：检测到所述目标传感器生成的至少一个谐振信号后，根据所述至少一个谐振信号生成反馈信号，以根据所述反馈信号平衡所述扰动信号。
其中，反馈是把信号输出端用耦合的方式引到输入端。该反馈信号通常是根据负反馈控制信号生成的信号，主要用于抵消扰动信号对于目标传感器的作用，从而调整目标传感器生成的谐振信号的幅值、幅值比或幅值差，使该谐振信号的幅值、幅值比或幅值差平衡在预定的参考偏置点周围，达到控制目标传感器的量程范围的目的。可选地，还可以通过设置不同的参考偏置点，改变被测物理量的范围。可选地，反馈信号可以为电压信号，电流信号以及其他控制信号。例如，在目标传感器为加速度传感器时，反馈信号可以为电压信号，利用该电压信号可以转化为静电力施加于目标传感器，抵消目标传感器接收的扰动信号。在一些可能的方式中，可以通过如下方式得到反馈信号：首先，将检测到的多路谐振信号进行幅值解调，得到多个解调后的谐振信号。然后，根据得到的多个解调后的谐振信号进行运算，得到谐振信号之间的幅值比、幅值差或者其他振幅信息，作为谐振信号信息。最后，根据得到的谐振信号信息生成反馈信号。当然，也可以采用其他方式从谐振信号中提取出谐振信号信息来生成反馈信息，也不影响本申请实施例的正常进行。
可选地，可以采用相干解调方法或非相关解调方法来实现谐振信号的解调。其中，相干解调也叫同步检波，它适用于所有线性调制信号的解调。相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干(同频同相)的参考信号与载频相乘。而非相干解调是指不需要提取载波信息的一种解调方法。
可选地，可以通过如下方式根据谐振信号信息生成反馈信号：首先，根据谐振信号信息生成负反馈控制信号，该负反馈控制信号用于控制目标传感器对于外部干扰的抑制能力。然后，根据负反馈控制信号生成反馈信号。其中，负反馈控制信号主要用于控制目标传感器抑制外界噪声和干扰以及控制目标传感器对于扰动信号的响应速度。可选地，可以利用反馈信号来满足负反馈控制信号所需的条件，以维持整个反馈传感方法的稳定性和鲁棒性。其中可以采用现代控制方法，如最优控制方法、自适应控制方法或鲁棒性控制方法等。当然，还可以采用其他方式得到反馈信号，均不影响本申请实施例的正常实现。
可选地，还可以将反馈信号输入到目标传感器中，利用该反馈信号抵消目标传感器接收到的扰动信号，以使目标传感器生成的谐振信号的幅值、幅值比或幅值差回到初始值。
S104：将反馈信号作为测量结果输出。
其中，由于此时的反馈信号可以与目标传感器接收到的扰动信号相互抵消，因此，可以根据反馈信号直接得到待测物理量的大小。
本申请实施例将根据待测物理量转化成的扰动信号作用于目标传感器得到谐振信号，利用谐振信号中的信息生成反馈信号，以平衡扰动信号，将该反馈信号作为测试结果输出。实现了传感器中的多自由度弱耦合谐振器的灵敏度与传感器整体的量程范围的解耦，使得传感器的反馈能力决定传感器的量程范围，解决了之前该目标传感器因其多自由度弱耦合谐振器的灵敏度超高，而导致其检测量程小的问题。另外，本申请中多自由度弱耦合谐振式传感器利用了模态局域化效应对被测物理量进行转化、调制以及放大，随着扰动信号的变化，反馈信号可以使目标传感器的谐振信号的幅值、幅值比或幅值差一直维持在工作区间，由此，可以忽略模态局域化传感器的输出量与被测量理论上存在弱非线性关系，一定程度上也拓宽了传感器的量程范围。如此，在不影响其多自由度弱耦合谐振器的超高灵敏性的前提下，大大拓宽了传感器的检测量程。
上面介绍了本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法，下面结合具体的应用场景，搭建具体的电路系统，对该传感方法做示例性的说明。
在本实施例中，目标传感器为单轴加速度传感器，如图2所示，该图为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的一种目标传感器的简化模型图。
该单轴加速度传感器包括：锚点1、弹性支撑梁2、敏感质量块3、上电极4、下电极5、微杠杆放大结构6、应力输出端7、两个单自由度谐振器R1、R2和一个机械耦合结构8。其中，谐振器R1包含谐振主结构R11、调谐电极模块R12、驱动电极模块R13和检测电极模块R14。谐振器R2包含谐振主结构R21、调谐电极模块R22、驱动电极模块R23和检测电极模块R24。
以上部件具体连接方式为：锚点1和弹性支撑梁2相连，共有四对，均匀对称分布在质量块3两侧，弹性支撑梁2与质量块3直接相连。电极4、5与质量块3电学绝缘，电极和质量块之间设计为具有合适间距的电容。微杠杆放大结构6共两组，且对称分布，微杠杆6的输入端与质量块3直接相连，支撑端与锚点直接相连，输出端则与应力输出端7相连。应力输出端7与谐振器R1的谐振主结构R11相连。谐振器R1的谐振主结构R11和谐振器R2的谐振主结构R21之间通过耦合结构8连接。谐振器R2的谐振主结构R21的另一端固定在锚点上。
基于该单轴传感器搭建对应的电路系统，如图3所示，该图为本申请实施例提供的应用基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的一种具体电路示意图。
其中，该电路系统包括：跨阻放大器(TIA)9和幅值放大器10、限幅器11、带通滤波器(BPF)12、移相器(Phase Shifter)13、分压控制器14、两路偏置电压15、16、模数转换电路(ADC)17、乘法混频器18、低通滤波器(LPF)19、解耦单元20、PI控制模块21、数字控制振荡器(NCO)22、幅值比(AR)计算模块23、误差计算模块24和PI控制器25。反馈信号生成模块包含偏置电压26、数模转换电路(DAC)27和电压缓冲器(Buffer)28。
基于该搭建的电路系统，参见图4，该图为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的另一种方法流程图，该传感方法包括：
S201：对目标传感器施加待测加速度。
其中，当对在图2中的目标传感器的锚点1上施加待测加速度信号时，敏感质量块3由于自身质量对加速度敏感产生惯性力作用。通过调节上电极4、下电极5和敏感质量块3的电压，上电极4和下电极5可以对敏感质量块3产生敏感轴方向的静电力作用。惯性力和静电力的合力作用在微杠杆放大结构6上，微杠杆对该合力作用放大后传递到应力输出端7。该合力从应力施加端7施加在弱耦合谐振器组的谐振器R1，导致谐振器R1出现刚度微扰，有效刚度发生变化，从而发生模态局域化效应。
可选地，图2中的驱动电极R13和R23可以施加电压信号，激励谐振器主结构R1和R2振动，谐振主结构R1、R2与另一侧的检测电极R14、R24之间的电容发生变化，因此可以从检测电极R14、R24上检测到响应电流。调谐电极R12和R22则可以施加直流偏置，对谐振主结构R1和R2产生静电负刚度效应，调节谐振主结构R1和R2的谐振频率。
S202：从目标传感器的检测电极上获得检测信号。
可选地，可以从目标传感器的两个谐振器R1和R2的检测电极R14和R24上检测响应电流，获得检测信号。当然，也可以采用其他方式获得检测信号，也不影响本申请实施例的正常实现。
可选地，获得的检测信号还可以在经过图3中的跨阻放大器(TIA)9后，可以再经过模数转换电路(ADC)17量化为数字信号，便于后续信息的提取。当然，也可以不对该检测信号进行转换，也不影响本申请实施例的正常实现。
可选地，可以先通过两路偏置电压15和16使得谐振器R1和R2达到所需的初始工作状态，不仅可以弥补工艺误差带来的模态频差过大，还可以通过静电负刚度调节使两个谐振器处于不同的幅值比偏置点。
可选地，谐振器R2检测到的检测信号还可以通过与电极相连的跨阻放大器(TIA)9和幅值放大器10后，再通过限幅器11输入到带通滤波器12中，经过滤除低频噪声和高频噪声后，再通过移相器13和分压控制器14输入至谐振器R2的驱动电极上以驱动谐振器在谐振频率处振动，或调节谐振器的谐振频率。
S203：提取该检测信号中的信息。
其中，提取的信息可以包括检测信号对应的幅值信息或相位信息。可选地，可以采取如下方式中提取检测信息中的信息：首先，从谐振器R1和R2中得到的两路检测信号分别与sinωt和cosωt进入乘法器混频器18相乘，各自得到两路输出信息。然后，在两路输出信号经过低通滤波器(LPF)19处理后，得到初步的幅值和相位信息。最后，初步的幅值和相位信息进入解耦单元20进行处理，得到检测信号中的幅值和相位信息。
可选地，经过处理后的相位信息还需要进入PI控制模块21，再经过数字控制振荡器(NCO)22，得到开始的两路sinωt和cosωt信号，以便后续得到对应的反馈电压。
S204：根据提取到的信息生成反馈电压，并使该反馈电压作用于目标传感器。
可选地，可以采用如下方式生成反馈电压，并使反馈电压作用于目标传感器：首先，将得到的幅值信息经过幅值比计算模块23，得到两路检测信号对应的幅值比。再进入误差计算模块24，根据该幅值比与预定幅值比参考点的比较信息得到误差信息。然后，经过PI控制器25，根据得到的误差信息输出反馈电压Vt，并向该输反馈电压施加不同的偏置电压，经过数模转换电路(DAC)27转换，输入电压缓冲器(Buffer)28，得到两路偏置电压。最后将得到的两路偏置电压分别施加在上电极4和下电极5，将两路偏置电压转化为对质量块3施加的静电力。该静电力用于与加速度对质量块3造成的惯性力相抵消，使得检测信号的幅值比稳定在设定幅值比参考点周围。当然，也可以采用其他方式生成反馈电压，也不影响本申请实施例的正常实现。
S205：输出反馈电压作为测试结果。
其中，输出的反馈电压可以为PI控制器25输出的反馈电压。
在一些可能的实现方式中，可以通过如下方式计算出测试结果：由于上电极4与质量块3之间的电容C1为：
其中，x为谐振器振动位移，d为上电极4与下电极5之间初始间距，A为上电极4与下电极5之间相对面积，电容C0表示上电极4与质量块3之间的初始电容。
因此，施加了偏置电压的上电极4对质量块施加的静电力Fe1为：
其中，Vt为反馈电压，Vdc为质量块上偏置电压，(Vt+Vbias)为施加于上电极4的偏置电压。
同理，下电极5与质量块3之间的电容C2为：
因此，施加了偏置电压的下电极5对质量块3施加的静电力Fe2为：
其中，(Vt–Vbias)为施加于下电极5的偏置电压。
由此，质量块所受的静电力Fe为：
当静电力与惯性力平衡时，x＝0，因此可以得到：
Fe＝-m*Acc
其中m为质量块3的质量，Acc为待测加速度。
因此可以得到待测加速度Acc为：
在本申请实施例中，将待测加速度作用于目标传感器，通过检测传感器的检测电极得到检测信号，利用检测信号中的信息生成反馈电压，以抵消待测物理量施加于目标传感器的惯性力，并将该反馈信号作为测试结果输出。其中，利用反馈电压作为输出则能极大地拓宽线性工作量程，从而极大地拓宽传感器的测量量程，解除了传感器的多自由度弱耦合谐振器的灵敏度与量程范围的关联关系。如此，在不影响该传感器中多自由度弱耦合谐振器的超高灵敏性的前提下，极大地拓宽了传感器的检测量程。
以上为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法的一些具体实现方式，基于此，本申请还提供了对应的装置。下面将从功能模块化的角度对本申请实施例提供的装置进行介绍。
参见图5所示的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感装置300的结构示意图，该装置300包括扰动信号接收模块310、谐振信号生成模块320和反馈信号生成模块330。
扰动信号接收模块310，用于接收扰动信号。其中，扰动信号是根据待测物理量转化得到的。
谐振信号生成模块320，用于将扰动信号输入目标传感器，以使该目标传感器根据扰动信号生成至少一个谐振信号。
反馈信号生成模块330，用于检测目标传感器生成的至少一个谐振信号后，并根据至少一个谐振信号生成反馈信号，以根据反馈信号平衡扰动信号。其中，该目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器。
反馈信号输出模块340，用于将反馈信号作为测量结果输出。
可选地，该目标传感器为谐振式传感器，其中，目标传感器包括多个谐振器，谐振信号生成模块还用于将目标传感器的多个相互耦合的谐振器调节至目标振动模态频率，然后利用扰动信号使目标传感器发生模态局域化效应，产生至少一个谐振信号。
可选地，反馈信号生成模块还用于将至少一个谐振信号分别进行解调，然后根据解调后的谐振信号确定谐振信号信息，其中，谐振信号信息包括至少一个谐振信号对应的幅值、幅值比和幅值差，最后根据谐振信号信息生成反馈信号。
作为举例，本申请实施例提供的装置还可以参见图6所示，图6为本申请实施例提供的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感装置的另一种结构示意图，该装置包括：敏感单元、模态局域化效应单元、谐振器驱动检测单元和闭环反馈控制单元。
其中，敏感单元用于将外界待测物理量的输入转换成扰动信号，将该扰动信号作用于模态局域化效应单元。
模态局域化效应单元用于利用弱耦合谐振器模态局域化效应的超高灵敏度，将含待测物理量信息的扰动信号进行稳定的放大和调制。其中，模态局域化效应单元中包括多自由度弱耦合谐振式传感器。
谐振器驱动检测单元用于使模态局域化效应单元满足模态局域化效应所需条件，并检测模态局域化效应单元中一个或多个谐振器的谐振信号，将其转换成电信号，完成对待测物理量的放大和调制。
闭环反馈控制单元用于解调提取谐振信号中的信息，产生反馈信号作用于敏感单元，以平衡外界待测物理量对模态局域化效应单元产生的扰动。
其中，敏感单元包括待测物理量响应模块和负反馈执行模块。待测物理量响应模块将待测物理量稳定的转换成多自由度弱耦合谐振式传感器的输入信号。负反馈执行模块将反馈信号稳定的转换成多自由度弱耦合谐振式传感器的输入信号，并在传感器量程范围内，抵消由于待测物理量引起的扰动。
其中，模态局域化效应单元包括弱耦合谐振器模块、驱动模块，调谐模块和检测加载模块。弱耦合谐振器模块为多个相互耦合的弱耦合谐振器，其耦合方式可以为机械耦合方式、静电耦合方式或是两者耦合方式均有。可选地，弱耦合谐振器模块可以采取差分设置方式进行设计，以进一步提高传感精度和共模抑制比。驱动模块用于驱动弱耦合谐振器中的每一个谐振器至所需振动模态，驱动模块的种类可以包括静电驱动执行器可以是压电驱动执行器、电磁驱动执行器、热电偶驱动执行器以及其他驱动执行器等等。例如，驱动模块可以为静电梳齿驱动器或静电平行板驱动器。调谐模块用于调节弱耦合谐振器中的每一个谐振器所需振动模态的频率。当然，调谐模块也可以用于根据实际需求调节至不同的偏置点处，均在本申请实施例的保护范围内。检测加载模块用于检测弱耦合谐振器中的每一个谐振器的谐振信号。
其中，谐振器驱动检测单元包括信号放大模块、振荡模块和信号调控模块。信号放大模块用于将检测加载模块输出的谐振信号转化放大成电压或者电流信号。振荡模块用于控制弱耦合谐振器中的各个谐振器的振动模态频率，振荡模块可以为锁相环(PLL)电路和自激振荡电路。可选地，为了实现更精准的控制，也可以增加自动增益控制电路。信号调控模块用于将振荡模块输出的信号进行处理，以产生满足驱动模块所需的驱动信号，如增加驱动能力、阻抗匹配、进行反向，实现差分驱动、幅度调整或者产生多路驱动信号等。同时，信号调控模块也可以产生调谐信号加载至调谐模块，也不影响本申请实施例的正常实现。
其中，闭环反馈控制单元包括幅度解调模块、信号运算模块、闭环控制模块和反馈信号生成模块。幅度解调模块用于对谐振器驱动检测单元输出的信号进行解调，得到低噪声解调信号。信号运算模块用于将解调后的多路信号进行运算，如计算出幅值比或幅值差的运算等等，以提取得到的解调信号相关信息。闭环控制模块用于维持整个装置的稳定性，同时控制装置整体对待测物理量的响应速度，并产生负反馈控制信号。可选地，该闭环控制模块还可以采用经典控制方法，如PID控制方法，来实现对装置响应速度的控制。当然，也可采用现代控制方法，如最优控制方法、自适应控制方法以及鲁棒性控制等等，也不影响本申请实施例的正常实现。反馈信号生成模块用于根据闭环控制模块产生的负反馈控制信号产生反馈信号，以平衡待测物理量施加于目标传感器的扰动。
本申请实施例还提供了对应的传感系统，用于实现本申请实施例提供的方案。
本申请实施例中提到的“第一”、“第二”(若存在)等名称中的“第一”、“第二”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一、第二。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-only memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅是本申请示例性的实施方式，并非用于限定本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置，其特征在于，所述方法包括：
接收扰动信号，所述扰动信号是根据待测物理量转化得到的；
将所述扰动信号输入目标传感器，以使所述目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号，所述目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器；
检测到所述目标传感器生成的至少一个谐振信号后，并根据所述至少一个谐振信号生成反馈信号，以根据所述反馈信号平衡所述扰动信号；
将所述反馈信号作为测量结果输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标传感器包括多个相互耦合的谐振器，所述以使所述目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号，包括：
将所述目标传感器中的多个相互耦合的谐振器调节至目标振动模态频率；
利用所述扰动信号使所述目标传感器发生模态局域化效应，产生至少一个谐振信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述扰动信号输入目标传感器，以使目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号后，还包括：
检测所述目标传感器的实际振动模态频率；
根据所述实际振动模态频率生成调谐电压信号，所述调谐电压信号用于调节所述目标传感器所需的振动模态频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少一个谐振信号生成反馈信号，包括：
将所述至少一个谐振信号分别进行解调；
根据解调后的谐振信号确定谐振信号信息，所述谐振信号信息包括所述至少一个谐振信号对应的幅值、幅值比或幅值差；
根据所述谐振信号信息生成反馈信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标传感器根据所述谐振信号信息生成反馈信号，包括：
根据所述谐振信号信息生成负反馈控制信号，所述负反馈控制信号用于控制所述目标传感器对于扰动信号的平衡能力；
根据所述负反馈控制信号生成反馈信号，以平衡所述扰动信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以根据所述反馈信号平衡所述扰动信号，包括：
将所述反馈信号输入到目标传感器中；
利用所述反馈信号抵消目标传感器接收到的所述扰动信号，以使所述目标传感器生成的谐振信号的幅值、幅值比或幅值差回到初始值。
7.一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感装置，其特征在于，所述装置包括：扰动信号接收模块、谐振信号生成模块、反馈信号生成模块和反馈信号输出模块；
所述扰动信号接收模块，用于接收扰动信号，所述扰动信号是根据待测物理量转化得到的；
所述谐振信号生成模块，用于将所述扰动信号输入目标传感器，以使所述目标传感器根据所述扰动信号生成至少一个谐振信号，所述目标传感器为多自由度弱耦合谐振式传感器；
所述反馈信号生成模块，用于在检测到所述目标传感器生成的至少一个谐振信号后，并根据所述至少一个谐振信号生成反馈信号，以根据所述反馈信号平衡所述扰动信号；
所述反馈信号输出模块，用于将所述反馈信号作为测量结果输出。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述目标传感器包括多个相互耦合的谐振器，所述谐振信号生成模块还用于将所述目标传感器的多个相互耦合的谐振器调节至目标振动模态频率，然后利用所述扰动信号使所述目标传感器发生模态局域化效应，产生至少一个谐振信号。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反馈信号生成模块还用于将所述至少一个谐振信号分别进行解调，然后根据解调后的谐振信号确定谐振信号信息，所述谐振信号信息包括所述至少一个谐振信号对应的幅值、幅值比或幅值差，最后根据所述谐振信号信息生成反馈信号。
10.一种传感系统，其特征在于，所述传感系统应用权利要求1-6任一项所述的基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310284870.5A CN116295541A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310284870.5A CN116295541A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116295541A true CN116295541A (zh) | 2023-06-23 |
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ID=86784835
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310284870.5A Pending CN116295541A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种基于弱耦合谐振式传感器的反馈式传感方法及装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116295541A (zh) |
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2023
- 2023-03-22 CN CN202310284870.5A patent/CN116295541A/zh active Pending
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