一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法技术

本发明专利技术公开了加速度传感器领域内的一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法，包括以下步骤：1）建立电路模型；2）计算电路系统频率响应；3）根据输出电流检测出振动信号；本发明专利技术通过建立本发明专利技术中的等效电路模型，可以真实的对反应腔中尺寸、电解液种类等进行准确的表达，可以准确的仿真出分子-电子感应式电化学加速度传感器的真实工作特性，可用于感应式加速度传感器的测试、设计中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法
本专利技术涉及一种加速度传感器，特别涉及一种分子电子感应式加速度传感器。
技术介绍
分子-电子感应式加速度传感器是一种利用分子-电子感应式惯性传感技术制作的新型加速度传感器。技术利用密闭腔体内电解液的对流效应和电化学反应所引起的离子浓度变化实现了对运动的测量。分子-电子感应式加速度计包含分子-电子反应腔和外部调理电路，其中反应腔是加速度计自身噪声的主要来源。反应腔由密封腔体、敏感元件和电解液构成，敏感元件是分子-电子感应式加速度计的核心部分，本专利中等效电路模型的建立就是针对敏感元件展开的。敏感元件由两对多孔电极组成，放置在浸满电解液的密闭腔体内，并在两对电极间加上一定的电势。当外界运动时，反应腔内部电解液流过敏感元件，敏感元件内阴阳极发生可逆的电化学反应，进而引起了阳极阴极之间的电流变化，通过测量两个阴极间电流的变化就可以测出对应的外界加速度大小。如图1所示，是分子-电子感应式加速度传感器反应腔的3D剖面模型，它是本专利技术中，电路等效模型进行仿真的对象。分子-电子感应式加速度传感器的反应腔由外部绝热层1在最外侧进行围绕保护，为了尽可能的减少外界温度变化对传感器的影响，外部绝热层1的存在非常重要。在外部绝热层1内部，有着参与氧化还原反应的液态电解液，当分子-电子感应式加速度传感器受到外界振动激励时，液态电解液就会随着外界振动的激励而沿着传感器的径向进行运动。在反应腔的中间，放置着由铂电极3、4和绝缘层2交替设计的敏感元件，其中4个铂电极3、4中，最外侧的两个电极作为阳极3加入0.8V的电压，内侧的两个电极作为电化学反应的阴极4。在敏感元件上，通过打孔工艺，将敏感元件制作成筛形结构，能够让敏感元件两侧的电解液在振动激励下，通过多孔通道5进行正常流动。在外界振动的激励下，反应腔内运动的电解液在敏感元件电极附近发生着氧化还原反应，在该反应中发生着电解液中阴阳离子的得失电子的电化学过程，该过程影响着阴阳极3之间电路回路上的电流，所以将阴极4的输出电流作为整个传感器的输出，可以检测出外界的振动信号。目前，国内外学者对分子-电子感应式加速度传感器的研究主要集中在反应腔设计及调理电路优化两部分。其中，后续的外部调理电路部分需要跟随反应腔的输出特性进行相应调整。现在，在国内外的研究中，因为反应腔内进行着较为复杂的一系列电化学物理、化学反应，同时在传感器工作时，还伴有微流体多孔结构的复杂影响，所以在反应腔与外部调理电路的过程中，有着很大的难度和困难。而对于反应腔等效模型的设计，目前国内外学者还没有进行研究，所以本专利技术提出了一种对分子-电子感应式惯性传感器反应腔有效的等效电路模型，设计出等效模型中等效无源器件与反应腔内各尺寸参数指标之间的等效关系，对后续外部调理电路的设计和优化提供可靠的参考，也为分子-电子感应式加速度传感器在各种需求及测试环境下提供了特应配置的反应腔参数标准。综上所述，设计一个结构简单、精确度高、能够直接在电子电路仿真平台上使用的分子-电子感应式加速度传感器的通用仿真模型是成功设计出分子-电子感应式加速度传感器反应腔及外部调理电路的一个非常关键的因素。对于该模型的要求是：能准确模拟出分子-电子感应式加速度传感器工作时，反应腔内部的各种工作过程，特别是模拟出传感器在交流小信号的激励下，反应腔电极输出的正确响应。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法，提高感应式加速度传感器的研发效率，降低研发成本。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法，包括以下步骤：1)建立电路模型：按照感应式加速度传感器的3D模型建立电路模型，所述电路模型包括经运算放大器耦合的两级电路，第一级电路代表反应腔内发生的流体运动过程，第一级电路包括通孔等效电阻Rp、阳极等效电路、绝缘体极间等效电容Cc、液体流动频率阻抗Ls以及阴极等效电路，所述阳极等效电路与阴极等效电路之间输入两个0.8V的直流电压驱动，所述阳极等效电路包括第一极间接口电容Cas1、第一双电层等效电容Cdl1、第一极间等效电阻Rct1以及第二极间接口电容Cas2，双电层等效电容Cdl和极间等效电阻Rct并联后输入端经第一极间接口电容Cas1接通孔等效电阻Rp，输出端经第二极间接口电容Cas2接液体流动频率阻抗Ls，所述阴极等效电路包括第三极间接口电容Cas3、第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2以及第四极间接口电容Cas4，第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2、第四极间接口电容Cas4并联后输入端经第三极间接口电容Cas3接极间等效电容Cc，极间等效电容Cc与液体流动频率阻抗Ls串接在一起，第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2、第四极间接口电容Cas4并联后输出端接运算放大器输入端，运算放大器的输出端一路反馈连接其输入端负极，另一端经第二级电路反馈连接其输入端正极，第二级电路包括串联的扩散速度等效电阻Rd和电感Ld。2)计算电路系统频率响应：第一电路总阻抗描述为：第二电路的总阻抗描述为：Zelectrochmical＝Rd+jωLD；建立第一电路系统频率响应的传递函数为：建立第二电路系统频率响应的传递函数为：基于以上，总电路系统频率响应的传递函数为：其中，j为虚数单位；ω为频率，Ioutput为模型电流输出；Uinput为模型偏置电压输入；Cas＝Cas1+Cas2+Cas3+Cas4；Rct＝Rct1+Rct2；Cdl＝Cdl1+Cdl2。3)根据输出电流检测出振动信号：总电路系统频率响应即为输出电流与输入电压的商，输出电流为通过扩散速度等效电阻Rd的电流，输入电压为加载在通孔等效电阻Rp端部的电压。与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：本专利技术通过建立本专利技术中的等效电路模型，可以真实的对反应腔中尺寸、电解液种类等进行准确的表达，可以准确的仿真出分子-电子感应式电化学加速度传感器的真实工作特性，根据感应式加速度传感器的3D模型制作出的电路等效模型，其仿真精度高，可直接用于对感应式加速度传感器的研究，与现有的对反应腔设计及调理电路优化相比，本专利技术成本较低，控制方便，在对不同的设计参数的加速度传感器进行测试仿真时，只需对电路中的某些电路元件作出适应性调整即可。本专利技术可用于感应式加速度传感器的测试、设计中。附图说明图1是分子-电子感应式电化学加速度传感器反应腔的3D剖面模型。图2是本专利技术中模拟电路原理图。图3是外界振动激励在不同频率下，两阴极电流的时域差分输出。图4是用相同外部振动激励，ComesolMultiphysics仿真结果与本专利技术中等效电路模型结果的对比。图中，1外部绝热层，2电极间绝缘层，3阳极，4阴极，5多孔通道。具体实施方式一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法，包括以下步骤：1)建立电路模型：按照感应式加速度传感器的3D模型建立电路模型，所述电路模型包括经运算放大器耦合的两级电路，第一级电路代表反应腔内发生的流体运动过程，第一级电路包括通孔等效电阻Rp、阳极等效电路、绝缘体极间等效电容Cc、液体流动频率阻抗Ls以及阴极等效电路，所述阳极等效电路与阴极等效电路之间输入两个0.8V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：1）建立电路模型：按照感应式加速度传感器的3D模型建立电路模型，所述电路模型包括经运算放大器耦合的两级电路，第一级电路代表反应腔内发生的流体运动过程，第一级电路包括通孔等效电阻Rp、阳极等效电路、绝缘体极间等效电容Cc、液体流动频率阻抗Ls以及阴极等效电路，所述阳极等效电路与阴极等效电路之间输入两个0.8V的直流电压驱动，所述阳极等效电路包括第一极间接口电容Cas1、第一双电层等效电容Cdl1、第一极间等效电阻Rct1以及第二极间接口电容Cas2，双电层等效电容Cdl和极间等效电阻Rct并联后输入端经第一极间接口电容Cas1接通孔等效电阻Rp，输出端经第二极间接口电容Cas2接液体流动频率阻抗Ls，所述阴极等效电路包括第三极间接口电容Cas3、第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2以及第四极间接口电容Cas4，第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2、第四极间接口电容Cas4并联后输入端经第三极间接口电容Cas3接极间等效电容Cc，极间等效电容Cc与液体流动频率阻抗Ls串接在一起，第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2、第四极间接口电容Cas4并联后输出端接运算放大器输入端，运算放大器的输出端一路反馈连接其输入端负极，另一端经第二级电路反馈连接其输入端正极，第二级电路包括串联的扩散速度等效电阻Rd和电感Ls；2）计算电路系统频率响应：第一电路总阻抗描述为：；第二电路的总阻抗描述为：；建立第一电路系统频率响应的传递函数为：；建立第二电路系统频率响应的传递函数为：；基于以上，总电路系统频率响应的传递函数为：；3）根据输出电流检测出振动信号：总电路系统频率响应即为输出电流与输入电压的商，输出电流为通过扩散速度等效电阻Rd的电流，输入电压为加载在通孔等效电阻Rp端部的电压。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电路等效模型的感应式加速度传感器仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立电路模型：按照感应式加速度传感器的3D模型建立电路模型，所述电路模型包括经运算放大器耦合的两级电路，第一级电路代表反应腔内发生的流体运动过程，第一级电路包括通孔等效电阻Rp、阳极等效电路、绝缘体极间等效电容Cc、液体流动频率阻抗Ls以及阴极等效电路，所述阳极等效电路与阴极等效电路之间输入两个0.8V的直流电压驱动，所述阳极等效电路包括第一极间接口电容Cas1、第一双电层等效电容Cdl1、第一极间等效电阻Rct1以及第二极间接口电容Cas2，双电层等效电容Cdl和极间等效电阻Rct并联后输入端经第一极间接口电容Cas1接通孔等效电阻Rp，输出端经第二极间接口电容Cas2接液体流动频率阻抗Ls，所述阴极等效电路包括第三极间接口电容Cas3、第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2以及第四极间接口电容Cas4，第二双电层等效电容Cdl2、第二极间等效电阻Rct2、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：周求湛，李大一，陈永志，瞿世鲲，王刚，
申请(专利权)人：江苏精湛光电仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32