【摘 要】
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MEMS加速度传感器是重要的惯性测量器件,在消费电子、汽车、航天航空等各领域都得到了广泛应用,其中MEMS电容加速度计所具有的高精度、高灵敏度、高动态范围等优势,使之在加速度传感器中占据了主导地位,这吸引了国内外诸多科研机构的关注与研究。电容式加速度计由加速度传感器和读出电路组成,为了提高加速度计性能,可从改进加速度传感器结构和读出电路两方面进行,在加速度传感器的结构给定的情况下,读出电路的设计决
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MEMS加速度传感器是重要的惯性测量器件,在消费电子、汽车、航天航空等各领域都得到了广泛应用,其中MEMS电容加速度计所具有的高精度、高灵敏度、高动态范围等优势,使之在加速度传感器中占据了主导地位,这吸引了国内外诸多科研机构的关注与研究。电容式加速度计由加速度传感器和读出电路组成,为了提高加速度计性能,可从改进加速度传感器结构和读出电路两方面进行,在加速度传感器的结构给定的情况下,读出电路的设计决定了加速度计的总体性能,于是设计合适的读出电路显得尤为重要。针对本实验室自制的变面积式电容加速度计,本文设计了与之匹配的载波调制解调型读出电路。同时为了提高电容加速度计的实用性和便捷性,本文还设计了一套低时延、高精度、易操作、低成本的电容加速度计读出系统。研究工作主要包括以下内容:1、针对本实验室自制的变面积式电容加速度计,本文设计了载波调制解调型读出电路,由差分放大电路、带通滤波电路、乘法器解调电路和低通滤波电路组成。同时,本文分析了各模块的工作原理,给出了设计过程,并从元件选择、参数设置、PCB板制作等方面进行了优化。2、针对调制解调型读出电路,本文设计了一套MEMS电容加速度计读出系统,用于实现电压信号的模拟/数字转换、异常值检测与过滤、无线数据传输、数值与波形显示等功能。此外,本文还采用基于最小二乘多项式拟合的电压-加速度映射模型和基于高斯过程回归的电压-加速度映射模型对读出系统进行了优化,提升系统的测试准确性。3、参考相关测试标准对MEMS电容加速度计及其读出系统进行性能测试,测试结果表明,本文设计的加速度计系统零偏为126.5m V,灵敏度为1518m V/g,非线性误差为859.5ppm,量程为-0.6～0.6g,达到了加速度计测试要求;在采用基于最小二乘多项式拟合的电压-加速度映射模型和基于高斯过程回归的电压-加速度映射模型对读出系统进行优化后,读出系统的加速度测试平均绝对误差由优化前的0.1694m/s~2分别降低至0.1526m/s~2和0.0770m/s~2,最大误差由优化前的0.7609m/s~2分别降低至0.5133m/s~2和0.3195m/s~2,整体性能得到了有效提升。
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