- 相關(guān)推薦
微機(jī)械慣性傳感器檢測平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
摘要：一種用于微機(jī)械慣性傳感器研制與開發(fā)的檢測平臺，介紹電容式慣性傳感器微電容信號的檢測原理、該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各個組成部分的工作原理及自動檢測方法。關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS） 微機(jī)械陀螺（MMG） 檢測
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項(xiàng)前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來，繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達(dá)到30%。微機(jī)械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進(jìn)工業(yè)國家都十分重視對MMG的研究及開發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問世，正在向高精度發(fā)展。
1 微機(jī)械振動陀螺儀的簡要工作原理
陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅(qū)動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動器的差動電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅(qū)動力矩的作用，質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動軸Z軸的簡諧角振動。當(dāng)在振動平面內(nèi)沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質(zhì)量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度非常小，可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進(jìn)行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號。
在科研及加工過程中，一個重要的內(nèi)容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機(jī)械慣性傳感器檢測平臺的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅(qū)動信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅(qū)動信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)勸信號，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，經(jīng)過放大、解調(diào)處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機(jī)中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。
2 微電容檢測技術(shù)
在MMG檢測技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗(yàn)質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動角位移，獲取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測量分辨率達(dá)到（0.01×10 -15）～(1×10 -18)法拉。因此，對于微機(jī)械加速度計(jì)和向機(jī)械陀螺儀來說，檢測試驗(yàn)質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。
2.1 開關(guān)電容電路
其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關(guān)的時序，如圖2所示。
在測量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時序控制，不斷重復(fù)，使未知電容總處于動態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測電路的傳遞函數(shù)為：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2 單位增益放大器電路
[1] [2] [3] [4] [5]
【微機(jī)械慣性傳感器檢測平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用】相關(guān)文章：
環(huán)保機(jī)械加工中CAPP工作平臺的設(shè)計(jì)應(yīng)用04-26
自抗擾控制器在慣性平臺穩(wěn)定回路中的應(yīng)用04-30
機(jī)載水平慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)05-02
慣性平臺測漂方案的研究04-26
分子印跡技術(shù)在水質(zhì)檢測傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用04-27
機(jī)載傳感器綜合設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用04-26