硅微谐振式压力传感器闭环检测系统研究

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硅微谐振式压力传感器广泛应用于航空、航天、军事、民用等领域。由于具有几乎超过目前所有压力传感器的精度,硅微谐振式压力传感器成为各种传感检测系统中不可或缺的一部分。由于其输出信号微弱,准确检测输出信号成为硅微谐振式压力传感器应用的一大难点。因此,建立精确的检测系统成为研究硅微谐振式压力传感器的重点,而检测系统的重点则是检测硅微谐振式压力传感器的谐振频率。检测谐振器的谐振频率的方法有多种多样,其中锁相环技术较为成熟。因此,本文首先采用锁相环技术构建模拟锁相环闭环检测系统,检测硅微谐振式压力传感器谐振频率。分别对模拟闭环检测系统中的前置放大模块、信号处理模块、锁相环模块和激励模块四个部分进行设计、匹配和仿真,最后在PCB板上实现实测,实测结果显示主谐振频率为81.72kHz,谐振峰值为6dBm。针对模拟闭环检测系统暴露出的谐振频率峰值不高和存在分谐振频率等问题,本文采用全数字锁相环代替模拟锁相环电路改进模拟闭环检测系统,搭建起数字闭环检测系统。分别对全数字锁相环的数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器三部分在Quartus软件上进行了仿真,并在FPGA上实现硬件实测,实测结果显示在主谐振频率处谐振峰值相比于模拟闭环检测系统提升了8dBm,但分谐振频率现象依旧存在。针对依旧存在的分谐振频率现象,考虑到由于采用锁相环技术是将硅谐振式压力传感器作为线性模型为前提,而实际上硅谐振式压力传感器线性工作区远小于非线性工作区,而且维持在线性工作区对于处于复杂条件下的微机械系统来说太困难。本文建立起硅谐振式压力传感器非线性模型,利用Matlab对传感器非线性模型进行仿真分析,并与线性模型进行比较,结果显示非线性模型与谐振器实际工作状态更加符合。在此基础上,首先建立基于非线性模型锁相环闭环检测系统并进行仿真,结果显示采用锁相环技术并不能消除分谐振频率现象,然后尝试建立线性反馈控制器,通过求解得到线性反馈器的参数,构建起基于线性反馈闭环检测系统,仿真结果显示分谐振频率现象得到消除。
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