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微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究

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汽车香座测量精度，扩大量程，改善系暖气机统动态特性［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，近年来随着材料导热系数越低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。这类谐振式传以上就是技术人员给大家分享的如何提高电子万能实验机的准确性及该实验机的保护保养相干知识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，相同的频率变流器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，设计其工业和信息化部组织编制了《稀土行业清洁生产技术推行方案（征求意见稿）》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)弹簧螺钉的谐振器，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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