高精度微机械电容式加速度计温度补偿与闭环系统优化研究

发布时间：2020-08-23 17:10

【摘要】：微机械加速度计是一种基于硅微加工技术的用于测量加速度信息的惯性传感器,有着尺寸小、功耗低、与集成电路兼容性好、易于批量生产等优点,目前已广泛应用于民用和军用的各种领域。本论文主要围绕高精度电容式微机械加速度计工程化中的实时在线温度补偿与闭环系统参数优化展开研究:针对加速度计零偏随温度漂移的现象,提出了一种基于加速度计谐振频率信息的实时温度补偿方案;以降低加速度计功耗为目标,设计并实现了基于环形二极管电容检测的单板模拟型电路方案;设计了加速度计的幅频和相频特性的自动测试系统,能快速标定加速度计的开环特性,并在此基础上进行闭环系统优化。主要工作内容及成果包括以下几个方面:1)从工程应用的角度,分析并比较了双路载波调制型及环形二极管解调型两种电容检测方案各自的优缺点,并对两种方案分别进行了小型化电路实现以及测试比较。采用环形二极管检测的单板模拟型开环加速度计,与原双路载波调制型开环加速度计相比,电路形式更为简单,功耗降低了 85%以上,目前的噪声和稳定性最优指标为单位带宽噪声等效加速度12.6 μg/√Hz,偏置不稳定性5.9μg;2)提出了一种基于加速度计谐振频率的实时温度补偿方案,该方案在加速度计环路中加入额外的锁相环实时监测加速度计的谐振频率从而获得加速度计的温度信息,并利用该信息对加速度计的输出零偏进行实时补偿。测试结果表明补偿算法使得加速度计的零偏温度一次项系数从3.54 mg/℃降低至0.05 mg/℃。Allan方差分析显示,补偿方案显著地降低了曲线中的温度斜坡,加速度斜坡分量从补偿前的35 μg降低至2.4μg,且系统的偏置不稳定性低至1.6 μg;3)针对微机械加工误差导致加速度计的动力学参数存在较大波动而使得单个加速度计的力平衡闭环参数需要人工调校的情况,设计了加速度计动力学参数的自动扫频测试方案,快速获得加速度计的开环传递函数特性,为以后加速度计的批量校调与快速闭环打下基础。在扫频测试的基础上,在基于环形二极管检测方案的加速度计系统中进行开环特性分析与闭环研究,理论开环参数与实测特性的吻合度非常高,并据此有针对性地设计出优化开环传递函数零极点的PI控制器进行闭环控制。闭环优化过程中加速度计的闭环带宽设计值为37 Hz,实际的闭环特性同样利用自动扫频方案进行测试,实测带宽37.2 Hz。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH824.4
【图文】：

曲线,方差,分段划分,分段拟合

图１．２邋Ａｌｌａｎ方差分段拟合曲线的定义图示逡逑其中，Ａｌｌａｎ方差曲线被分段划分为斜率不同的五条线段，分别反映了对系统漂移产逡逑生影响的五种不同因素。对应到加速度计系统中，斜率为－１的线段代表系统的量化噪声对逡逑漂移的影响，斜率为－１／２的线段代表加速度计系统的速率随机游走（一般地，我们用积分逡逑时间Ｉｓ处对应的Ａｌｌａｎ方差结果来表征加速度计的单位带宽噪声等效加速度），这两种影逡逑响因素对应系统中频率比较高的干扰，通常为随机噪声。斜率为０的线段代表了系统的偏逡逑置稳定性，主要受系统内部的１丨／■噪声影响；斜率为１／２和１的线段分别代表了加速度随逡逑机游走和加速度斜坡分量，这两类影响因素对应了低频处的干扰，通常来自于系统的Ｉ／／２逡逑噪声，以及周围环境的极低频干扰，如温度的变化，湿度和压力的变化等条件。逡逑１．３微机械加速度计温度补偿技术综述逡逑微机械加速度计的测量精度除受到敏感元件的制造工艺和内部结构的不对称性等本逡逑

曲线,谐振器,加速度计,年报

（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．４西南交通大学２０１６年报道的具有温度补偿结构的加速度计（ａ）整体ＳＥＭ图；（Ｚ0局部ＳＥＭ图逡逑方法（４）虽然需要预先进行大量实验，还需要增加复杂的信号处理模块，且有可能需要逡逑增加温度传感器，但是相对来说结构最为简单，成本低且可移植性高。如２０１５年清华大逡逑学在其工程化加速度计的基础上提出了一种利用测温电路改变闭环控制点电压进行温度逡逑补偿的方案［２３］，补偿后加速度计输出的温度系数低于０．１邋ｍｇ／°Ｃ。又如２０１６年土耳其中逡逑东科技大学报道的温度补偿方案［２４］，将一个双端调谐音叉（ＤＥＴＦ）谐振器与加速度计器逡逑件集成，整机工作时有两个环路，一个环路采用闭环电路跟踪谐振器的谐振频率变化，另逡逑８逡逑

年报,加速度计,信号处理模块,西南交通大学

（ｃ）逦ｉｄ）逡逑图１．３加州大学欧文分校２０１５年报道的温度自补偿加速度计逡逑0）两个敏感轴方向相反的谐振器，箭头指示加速度Ｇ和温度Ｔ的敏感方向；逡逑（的谐振式加速度计温度自补偿的原理性框图；（ｃ）单个谐振器的控制环路框图；逡逑（ｃ／）测试结果的Ａｌｌａｎ方差曲线逡逑：逡逑＿W＿逡逑Ａｎｃｈｏｒ邋ｆｏｒ邋ｍｏｖｉｎｇ邋Ａｎｃｈｏｒ邋ｆｏｒ邋ＦＣＦＨ邋ＦＣＦＥ邋ＲＣＦＨ逡逑ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．４西南交通大学２０１６年报道的具有温度补偿结构的加速度计（ａ）整体ＳＥＭ图；（Ｚ0局部ＳＥＭ图逡逑方法（４）虽然需要预先进行大量实验，还需要增加复杂的信号处理模块，且有可能需要逡逑增加温度传感器，但是相对来说结构最为简单，成本低且可移植性高。如２０１５年清华大逡逑学在其工程化加速度计的基础上提出了一种利用测温电路改变闭环控制点电压进行温度逡逑补偿的方案［２３］，补偿后加速度计输出的温度系数低于０．１邋ｍｇ／°Ｃ。又如２０１６年土耳其中逡逑东科技大学报道的温度补偿方案［２４］，将一个双端调谐音叉（ＤＥＴＦ）谐振器与加速度计器逡逑件集成，整机工作时有两个环路，一个环路采用闭环电路跟踪谐振器的谐振频率变化，另逡逑８逡逑

【参考文献】