【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于加速度检测，尤其涉及一种基于模态局部化的低噪声高频加速度检测方法。
技术介绍
1、加速度是反应物体运动状态的重要物理学基本参数，对加速度的精确测量对工业安全、便携设备、惯性导航等领域有着重要意义。因此，研究人员一直热衷于加速度传感器的开发与研究。其中，隧道磁电阻(简称tmr)加速度计因其具有灵敏度高、量程广、能耗低、稳定性好等优点，近年来得到了广泛关注。
2、传统的加速度传感器主要以电容式、压电式、压阻式三大类为主，它们有其各自的优缺点。电容式加速度计是各种加速度计中性能最稳定、技术最成熟、应用最广泛的一类加速度传感器，但其电极板间的寄生电容以及叉指电容间的空气阻尼使其噪声水平较高。压电式加速度计是目前性能较优的加速度传感器，但在低频情况下，由于固有噪声和漂移，精确度可能受到影响，在高频情况下，传感器的频率响应可能受到衰减，导致无法准确测量快速变化的加速度，且压电材料对温度的敏感性亦会影响加速度传感器的性能。压阻式加速度计的制造工艺较为成熟，但是压阻式加速度计的灵敏度、检测范围、温度漂移等性能参数相较于前面两者有明显不足。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计及检测方法，以解决传统加速度传感器存在的检测灵敏度低、输出信号噪声大、检测高频加速度精度低等问题，其能够检测高频变化加速度，且其具有较高的加速度检测灵敏度及分辨率，理论上调制效率可达100％，噪声较低。
2、本专利技术采取的技术方案是：包括压电晶体、高频谐
3、本专利技术所述压电晶体为pzt压电陶瓷或pvdf压电薄膜。
4、本专利技术所述隧道磁电阻tmr空间上位于永磁铁一及永磁铁二的正中间位置。
5、本专利技术所述质量块的中心轴空间上与隧道磁电阻tmr的中心轴重合。
6、本专利技术所述耦合悬臂梁包括一个主边梁、一个中间梁、一个副边梁及一个耦合矩形块，其中主边梁、中间梁、副边梁一端分别与耦合矩形块固定连接。
7、本专利技术所述外壳包括前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、上侧板和下侧板，各板连接成一个封闭的壳体。
8、一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计的检测方法，包括下列步骤：
9、第一步，将外壳固定在待检测加速度的物体上，其中，待检测加速度方向需与耦合悬臂梁自由端振动方向，即隧道磁电阻tmr及质量块轴线方向一致；
10、第二步，对隧道磁电阻tmr供电；
11、第三步，对压电晶体输入高频的恒频率恒幅值激励电压信号，驱动高频谐振悬臂梁进行高频振动，从而使两个矩形永磁铁z方向的空间位置发生高频移动，进而使隧道磁电阻tmr处的磁场发生高频变化，其中两个矩形永磁铁产生的空间变化磁场解析式如下：
12、
13、
14、
15、其中x，y，z分别表示两矩形永磁铁宽度方向、两矩形永磁铁连线方向、两矩形永磁铁高度方向的位置坐标，bx，by，bz分别表示磁场在x、y、z三个方向的分量，a，b，c分别表示矩形永磁铁的长、宽、高，d为两矩形永磁铁间距，系数μ0＝4π×10-7是真空中的磁导率，j是与平面xoy平行的任何平面的面电流密度；
16、定义函数其中γ1,γ2,γ3表示函数的三个自变量，z0为一常数；
17、定义函数函数
18、
19、，其中表示函数的三个自变量；
20、第四步，周期性高频磁场变化将含有较高噪声的加速度信号调制为低噪声高频信号，其中：
21、固定有隧道磁电阻tmr的耦合悬臂梁主边梁自由端振幅信号为：
22、x1＝acos(2πfat)
23、高频谐振悬臂梁自由端振幅信号为：
24、x2＝bcos(2πfrt)
25、调制后的低噪声高频信号为：
26、
27、其中a为比例系数，b为隧道磁电阻tmr感应到的磁场函数，t为时间，fa为被测加速度信号的频率，fr为高频谐振悬臂梁的振动频率，ai、bi为拟合系数函数；
28、函数γi(t)表达式为：
29、
30、其中向下取整，
31、
32、第五步，在待测物体高频加速度作用下，利用模态局部化，使固定有质量块的耦合悬臂梁主边梁振幅最大，同时耦合悬臂梁的中间梁及副边梁振幅几乎为零；
33、第六步，根据检测到的耦合悬臂梁主边梁上的隧道磁电阻tmr输出电压，结合双磁铁的磁场分布解析式及耦合悬臂梁系统的运动方程解出被测加速度a；
34、其中，耦合悬臂梁系统的运动方程为：
35、
36、
37、
38、f＝δma
39、其中m1、m2、m3为三根悬臂梁的等效质量，x1、x2、x3为三根悬臂梁的振动幅值随时间变化的函数，为三根悬臂梁的振动幅值随时间变化的函数对时间的二阶导数，k1、k2、k3为三根悬臂梁的等效刚度，kc1、kc2为主边梁与中间梁之间、副边梁与中间梁之间的耦合刚度，δm为固定在耦合悬臂梁主边梁自由端的隧道磁电阻tmr质量及质量块的质量之和，a为被测加速度。
40、本专利技术所述第三步中的永磁铁产生的空间变化磁场解析式推导如下：
41、步骤一，从分子环流模型出发，根据毕奥-萨伐尔定理，得出z方向、单方向均匀充磁的矩形永磁铁磁场分布表达式：
42、
43、
44、
45、其中x，y，z分别表示两矩形永磁铁宽度方向、两矩形永磁铁连线方向、两矩形永磁铁高度方向的空间位置坐标，bx，by，bz分别表示磁场在x、y、z三个方向的分量，a，b，c分别表示矩形永磁铁的长、宽、高，系数μ0＝4π×10-7是真空中的磁导率，j是与平面xoy平行的任何平面的面电流密度；
46、定义函数其中γ1,γ2,γ3表示函数的三个自变量，z0为一常数；
47、定义函数函数
48、
49、其中表示函数的三个自变量；
50、步骤二，根据空间磁场梯度的线性可叠加性，将双磁铁考虑为两个单磁铁并进行空间叠加，可得双磁铁的磁场分布解析式：
51、
52、
53、
54、其中，d为两矩形永磁铁间距。
55、本专利技术所述第四步中的低噪声高效率调制理论的调制信号表达式及调制效率推导过程如下：...
【技术保护点】
1.一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：包括压电晶体、高频谐振悬臂梁、永磁铁一、隧道磁电阻TMR、永磁铁二、质量块、耦合悬臂梁及外壳；其中高频谐振悬臂梁一端固支、一端自由，固支端固定在外壳的前侧板上，压电晶体固定在高频谐振悬臂梁的靠近固支端表面，永磁铁一及永磁铁二固定在高频谐振悬臂梁的自由端表面，耦合悬臂梁一端固支、一端自由，其固支端固定在外壳的右侧板上，其自由端竖直方向上位于永磁铁一及永磁铁二的中间位置，隧道磁电阻TMR及质量块分别固定在耦合悬臂梁的主边梁的自由端上、下表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：所述压电晶体为PZT压电陶瓷或PVDF压电薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：所述隧道磁电阻TMR空间上位于永磁铁一及永磁铁二的正中间位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：所述质量块的中心轴空间上与隧道磁电阻TMR的中心轴重合。
5.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低
6.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：所述外壳包括前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、上侧板和下侧板，各板连接成一个封闭的壳体。
7.一种采用如权利要求1～6任一项所述的基于模态局部化的低噪声高频加速度计的检测方法，其特征在于，包括下列步骤：
8.根据权利要求7所述的基于模态局部化的低噪声高频加速度计的检测方法，其特征在于，所述第三步中的永磁铁产生的空间变化磁场解析式推导如下：
9.根据权利要求7所述的基于模态局部化的低噪声高频加速度计的检测方法，其特征在于，所述第四步中的低噪声高效率调制理论的调制信号表达式及调制效率推导过程如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：包括压电晶体、高频谐振悬臂梁、永磁铁一、隧道磁电阻tmr、永磁铁二、质量块、耦合悬臂梁及外壳；其中高频谐振悬臂梁一端固支、一端自由，固支端固定在外壳的前侧板上，压电晶体固定在高频谐振悬臂梁的靠近固支端表面，永磁铁一及永磁铁二固定在高频谐振悬臂梁的自由端表面，耦合悬臂梁一端固支、一端自由，其固支端固定在外壳的右侧板上，其自由端竖直方向上位于永磁铁一及永磁铁二的中间位置，隧道磁电阻tmr及质量块分别固定在耦合悬臂梁的主边梁的自由端上、下表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：所述压电晶体为pzt压电陶瓷或pvdf压电薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：所述隧道磁电阻tmr空间上位于永磁铁一及永磁铁二的正中间位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的低噪声高频加速度计，其特征在于：所述质量...
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