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微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究

微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究 2011年12月10日 来源： 　基于硅微机械加工技术制造的，具有力学谐振频率的微谐振式传感器是一类非常重要的传感器。微谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性非常优良，抗干扰性强，制作成本低廉，功耗小［1］。微谐振式传感器可以利用振动频率、相位或振动幅值作为敏感被测物理量的参数。它适于测量多种物理量，如压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度和气体成分等。一般通过开环激励的方法测量微谐振器特性，如谐振频率、谐振峰值、谐振相移、品质因数Q等；而应用时则采用闭环驱动微谐振器工作。闭环工作的谐振器可以提高测量精度，扩大量程，改善系统动态特性［2］。目前谐振传感器大多是频率输出，因此其闭环驱动电路主要是围绕着频率输出来设计的。但是，近年来随着谐振式微机械陀螺等传感器的发展，以幅度为输出信号的谐振式传感器受到了人们的重视。这类谐振式传感器的闭环驱动电路与频率输出的电路有明显的不同，由于其输出信号是振幅，为了分离出被测量和驱动电压对振幅的影响，其驱动方式采用闭环恒幅驱动较为合适，这样可以很方便地将两者分离开来，提取出所需要的信号。本文对微机械谐振器的闭环恒幅驱动电路进行研究，并将研制出的电路用在了谐振式真空传感器和谐振式微机械陀螺上，取得了好的结果，为以幅度为输出的谐振传感器提供了好的闭环恒幅驱动电路。2　谐振器闭环工作特性分析　　采用二阶质量—弹簧模型，可得到以下描述谐振运动的关系式［3］：(1)其中｜V｜为振幅，∠Φ为相位，k为刚度系数，F0为简谐激励力(矩)幅度，Δω／ω为激励频率相对于谐振频率的频偏，Q为微谐振器的品质因数，且它和粘滞阻尼λ有如下关系式：(2)　　从式(1)可以知道，当激励频率等于谐振频率且F0一定时，谐振器的幅度响应主要由Q值决定，Q值越大越好。Q值高时，由公式来看，即使微小的频偏，也会对幅值响应产生很大影响。例如，Q＝1000时的频偏Δω／ω＝1%，则有效Q值仅为　　　　这么巨大的衰减表明了频率准确调谐的重要性，没有闭环电路，很难做到这一点；特别是当被测物理量影响谐振器的谐振频率、阻尼系数或相移时，开环驱动的方法更明显不适用谐振器的应用研究。　　为了微谐振器在闭环驱动下产生连续的振动，按照正弦振荡理论，闭环电路应该满足幅值平衡条件和相位平衡条件，即环路增益Aβ＞1和环路相移θ＝2nπ，对于敏感频率的微谐振器，应在其整个工作频率范围(ωL，ωH)内均满足闭环自激条件。这就给设计谐振器的闭环电路提出了特殊要求［4］。设，则(3)　　其中ωi为激励频率，ω0为谐振频率。当P＝1，考虑以-π/2为中心的相位范围，当时，随Q值单调增加。这表明，相同的频率变化所引起的相位变化随Q值增大而增加。当需要相同的相位变化时，Q值大的，ωi对ω0的相对偏差小；即在相同的幅值增益下，Q值大的谐振器提供的相位范围大，便于构成闭环自激电路，使电路设计更容易实现。　　对于工作频率范围在(ωL,ωH)的谐振器，谐振器的相移为(ΦL，ΦH)，由式可得任意相位下的振频为(4)　　可以看出，对于给定的Φ，Q值大时，｜P-1｜就小，即激励频率越接近谐振器的固有频率，传感器的自激谐振频率的随机漂移就越小，系统的振动状态就越稳定，精度就越高。高Q值的谐振器对于构成闭环自激系统及提高系统性能是有利的。而且由公式可知，谐振器有一个最佳激励点。P＝1时，系统的振动频率就是谐振器的固有频率，不受Q值影响。这表明，当谐振器以固有频率振动时，应把它设置为最佳激励点。对于以振幅为测量参数的微谐振器，设计其闭环驱动电路就应遵循这一点。我们可以通过开环激励的频率响应来确定微谐振器的固有频率，然后以此频率为中心满足闭环谐振条件的幅值增益和相位增益。对于工作频率范围在(ωL，ωH)的谐振器，从减小干扰考虑，利用下式来设计最佳激励点：　　｜1-PL｜＝｜1-PH｜ (5)　　即PL+PH＝2，最佳激励点为

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