基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于连续ring‑down的谐振式传感器温度补偿方法，首先在谐振器闭环自激驱动系统幅度检测环节后，增加幅度比较器和触发器，构建连续ring‑down的系统，以测试ring‑down的时间，表征Q值；然后在全温范围内进行连续ring‑down测试，获取Q值和对应的谐振器频率，并用Q值对频率进行线性拟合，得到频率因为温度误差引起的变化量；最后测量谐振器的频率和Q值，并结合拟合的曲线进行谐振频率的温度补偿。本发明专利技术消除了外界温度传感器温度测量点不同，测试的温度存在误差，以及温度下降上升过程中引起的测温滞回效应，提高了谐振器的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法
本专利技术涉及温度补偿技术，特别是涉及一种基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法。
技术介绍
这几年，MEMS谐振器得到了很多的关注和研究，但MEMS谐振器的谐振频率容易受到温度漂移的影响，这制约了它的实际应用。为了提高MEMS谐振器的温度性能，通常对谐振器的温度误差进行补偿。那么，测温的准确度决定了温度补偿的好坏。文献一(LeeKI,TakaoH,SawadaK,etal.Improvementofthermalresponseintemperaturecontrolledprecisethree-axisaccelerometerwithstabilizedcharacteristicsoverawidetemperaturerange[C]//The,InternationalConferenceonSolid-StateSensors,ActuatorsandMicrosystems,2005.DigestofTechnicalPapers.Transducers.IEEE,2005:800-803Vol.1.)公开了一种温度测量方法，在组合系统外加入温度测量单元，对传感器的温度误差进行补偿。但是这种基于片外温度传感器的方法，温度传感器与谐振器之间的距离较大，测量精度低。为了减小误差和滞回，对片上测温的研究，如文献二(KoseT,AzginK,AkinT.TemperaturecompensationofacapacitiveMEMSaccelerometerbyusingaMEMSoscillator[C]//IEEEInternationalSymposiumonInertialSensorsandSystems.IEEE,2016:33-36.)公开了一种基于额外的谐振器作为片内温度传感器的方案。文献三(王帆,董景新,赵淑明.硅微振梁式加速度计的温度检测及闭环控制[J].光学精密工程,2014,22(6):1590-1597.)公开了一种基于溅射额外的金属层作为片内温度传感器的方案，这两种方案虽然在一定程度上减小了测温误差，但是还无法实现零距离测温。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法，包括如下步骤：步骤1、构建连续ring-down测试系统：在谐振器闭环自激驱动系统幅度检测环节后，增加幅度比较器和触发器，构建连续ring-down的系统，以测得ring-down的时间，表征Q值；步骤2、进行连续ring-down测试：在全温范围内进行连续ring-down测试，获取Q值和对应的谐振器频率，并用Q值对频率进行线性拟合，得到频率因为温度误差引起的变化量；步骤3、Q值温度补偿：测量谐振器的频率和Q值，并结合拟合的曲线进行谐振频率的温度补偿。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术通过谐振器本身参数Q值表征温度，消除了外界温度传感器温度测量点不同，测试的温度存在误差，以及温度下降上升过程中引起的测温滞回效应，提高了谐振器的稳定性；(2)本专利技术通过连续ring-down的原理将Q值的测试转化为频率的测试，对Q值进行频率调制，降低了温度误差对Q值测量的影响，提高了Q值的测试精度；(3)本专利技术无需额外的温度传感器，节约了成本，降低了功耗，(4)频率的测量上，本专利技术采用基于复位计数器原理频率计数器，降低了量化噪声。附图说明图1是本专利技术温度补偿方法框图。图2是谐振器闭环驱动控制系统框图。图3是ring-down信号示意图。图4是谐振器自由衰减曲线。图5是基于复位计数器原理的频率测量原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。Q值(品质因数)是表征系统阻尼特性的一个量，反映了系统的衰减特性。它由很多因素构成，包括：空气阻尼(Q空气)、热弹性阻尼(QTED)、锚点阻尼(Q锚点)等。Q值的计算公式可以表示为：这些阻尼因素都会随着温度的变化而变化，比如梁的热弹性阻尼与温度的关系可以表示为：式中Ead为非弛豫或绝热条件下的杨氏模量，E为弛豫或等温条件下的杨氏模量，α为材料的热膨胀系数，T0为系统温度，Cv为定容比热容，w为梁宽，τZ弛豫时间。空气阻尼与温度的关系可以表示为：式中h为普朗克常数，ρ为气体密度，f为结构振动频率，P为气体压强，kb玻尔兹曼常数，T为气体温度，m为气体总质量，n为气体摩尔数。因此，Q值可以作为一个用来表征温度的一个参数。通常，采用Ring-down法进行Q值的测量与计算。谐振器在静电驱动力下以固有频率进行振荡，撤去驱动电压，谐振器在阻尼的作用下自由衰减振荡，衰减曲线如图4所示，包络线函数为：其中F(t)是振动的幅度，ζ是阻尼，ωn是谐振器振动角频率，Q是Q值。考虑到连续ring-down特性，只考虑正半轴，进行对数变换，并取两个点，那么Q值可以写成：这里F(t1)和F(t2)分别被设定为振动的初始和结束的幅度，ωn是谐振器振动角频率，可以通过频率读出电路来获得。所以为了得到Q值，需要测量的就只有(t1-t2)，Q值的测量也转化成了频率的测量。通过连续ring-down的原理将Q值的测试转化为频率的测试，对Q值进行频率调制，降低了温度误差引起的电路参数波动对Q值测量的影响。综上所述，本专利技术提出基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法，利用连续ring-down原理测得谐振器Q值，表征温度，对频率进行补偿，步骤如下：步骤1、构建连续ring-down测试系统：在谐振器闭环自激驱动系统幅度检测环节后，增加幅度比较器和触发器，构建连续ring-down的系统，以测得ring-down的时间，表征Q值；谐振器闭环自激驱动系统(如图2)主要包括模拟前放电路(放大和差分)、ADC/DAC转换电路、幅度检测电路、PI控制、乘法器等。模拟前放电路对谐振器出来的小电流信号进行放大转化为电压信号，再经过差分，消除一些共模误差，进入数字电路进行进一步的处理。数字与模拟电路之间采用16位的ADC和DAC进行数据转换。幅度检测和PI控制及乘法器环节在数字电路中实现，为了让谐振器的振幅维持在一个定值，数字电路里面首先对谐振器的幅值进行检测，然后与参考幅度信号作差，形成误差控制信号，进入PI，控制PI输出，调整驱动信号值，使得检测得到的振动幅度保持在固定值。在上述的闭环自激驱动的环路中，增加幅度比较和触发器环节，当幅度上升达到一个值时，触发器为0，驱动信号撤除，即为down，当幅度下降达到一个值时，触发器为1，驱动信号加载，即为ring，通过测得ring-down的时间，则可以表征Q值。步骤2、进行连续ring-down测试：在全温范围内进行连续ring-down测试，获取Q值和对应的谐振器频率，对获取数据进行去大点处理，并用Q值对频率进行线性拟合，得到频率因为温度误差引起的变化量。Q值的计算公式如式5。谐振器频率基于复位计数器的原理测量，如图5所示。通过计数器连续记录晶体振荡器参考时钟的上升沿数，谐振器输出信号的每一个上升边缘到达时，计算两个相邻时刻计数器的差值，确定振器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于连续ring‑down的谐振式传感器温度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、构建连续ring‑down测试系统：在谐振器闭环自激驱动系统幅度检测环节后，增加幅度比较器和触发器，构建连续ring‑down的系统，以测得ring‑down的时间，表征Q值；步骤2、进行连续ring‑down测试：在全温范围内进行连续ring‑down测试，获取Q值和对应的谐振器频率，并用Q值对频率进行线性拟合，得到频率因为温度误差引起的变化量；步骤3、Q值温度补偿：测量谐振器的频率和Q值，并结合拟合的曲线进行谐振频率的温度补偿。

【技术特征摘要】
1.基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、构建连续ring-down测试系统：在谐振器闭环自激驱动系统幅度检测环节后，增加幅度比较器和触发器，构建连续ring-down的系统，以测得ring-down的时间，表征Q值；步骤2、进行连续ring-down测试：在全温范围内进行连续ring-down测试，获取Q值和对应的谐振器频率，并用Q值对频率进行线性拟合，得到频率因为温度误差引起的变化量；步骤3、Q值温度补偿：测量谐振器的频率和Q值，并结合拟合的曲线进行谐振频率的温度补偿。2.根据权利要求1所述的谐振式传感器温度补偿方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雅刚，朱欣华，苏岩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32