一种提高电磁式MEMS振动传感器频率精度的改进方法与流程

本发明涉及传感器，尤其涉及一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法。

背景技术：

1、电磁式mems振动传感器由两大核心系统构成：振动检测系统和信号转换系统。振动检测系统用来捕捉外界振动,而信号转换系统将振动信号转换为电动势输出。通过测量这一电动势的大小,我们便能获取外部振动的加速度、频率等关键参数,实现了振动信号的测量。在弹簧-振子结构中,检测质量块在加速度的作用下会产生惯性力。根据牛顿第二定律,该惯性力与被测加速度之间存在着以下转换关系：

2、f惯性＝ ma (1-1)

3、式中,f惯性表示检测质量产生的惯性力；m表示检测质量的重量；a外表示加速度传感器受到的外界输入加速度,其方向与输入加速度方向相同。振动传感器的工作原理一般都基于机械振动,通常振动检测系统物理模型通常可以等效看作一个质量-弹簧-阻尼系统,在整个系统中将中间质量块等效质量为m、悬臂梁的刚度等效为k,外界阻尼等效为b。在上述物理模型中,检测质量块m被一个高刚度弹簧k绑定。当外部加速度作用时,检测质量块m受到的惯性力会使其在平衡位置附近进行简谐振动。当振动传感器相对于惯性系静止或匀速运动时,内部检测质量块处于平衡位置,相对于振动传感器的外部框架静止。然而,当振动传感器的外部框架受到外界加速度的影响时,内部检测质量块将会与外部框架发生相对运动。这种相对运动会导致位移,并通过电路产生电学信号的变化。通过测量这种信号的变化,可以确定外界动态加速度的值。因此，提出一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、鉴以此，本发明的目的在于提供一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法，以至少解决以上问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1、通过理论仿真获取影响电磁式mems振动传感器频率测量精度的质量块和固有谐振频率因素；

5、步骤2、基于获得的质量块和固有谐振频率因素进行调整以提高振动传感器的测量精度；

6、步骤3、针对电磁式mems振动传感器的固有谐振频率进行评估测试。

7、进一步的，在步骤1中，通过理论仿真获取影响电磁式mems振动传感器频率测量精度的模块质量和固有谐振频率因素具体为：

8、通过对振动检测系统中的力学模型进行分析，并且列出力学模型进的二阶微分方程：

9、

10、其中m为结构质量,x为结构位移,t为结构运动的时间,b为系统的等效阻尼系数,k为弹簧弹性系数,a为外界环境中待测加速度；

11、对式(1-2)进行拉普拉斯变化,则得到加速度信号到敏感质量块相对位移的传输函数：

12、ms2x(s)+bsx(s)+k(s)＝ma(s)(1-3)

13、

14、式(1-4)中,ω0为振动传感器机械结构的谐振频率,q为敏感质量块的品质因子,ζ为阻尼比因子,其对应公式为:

15、

16、从式(1-4)得出mems振动传感器敏感结构中的质量块相对于加速度信号的响应是二阶低通系统特性，其频率响应表达式如(1-8)：

17、

18、振动传感器机械灵敏度由敏感质量块的相对位移x和加速度信号a的比值确定,通其表达式如(1-9)：

19、

20、(1)当外界加速度频率ω远小于振动传感器机械结构的谐振频率ω0时,振动传感器机械灵敏度与成反比；

21、(2)当外界加速度频率ω与振动传感器机械结构的谐振频率ω0接近时,振动传感器机械灵敏度受质量块质量m、系统的等效阻尼系数b及ω0共同影响；

22、(3)当外界加速度频率ω远大于振动传感器机械结构的谐振频率ω0时,振动传感器机械灵敏度与ω2成反比。

23、进一步的，在步骤s2中，基于获得的质量块和固有谐振频率因素进行调整以提高振动传感器的测量精度具体为：通过对悬臂梁-质量块构成的敏感结构做固有频率分析，并且对固有频率进行优化仿真，具体包括以下步骤：

24、建立结构的有限元模型,包括定义几何形状、材料属性和边界条件；

25、设置系统的约束条件,将结构从所有方向上固定,以便进行自由振动分析；

26、进行数值求解,通过数值方法计算结构的不同振动模态和各模态下的固有频率；

27、设定优化目标,通过增加固有频率或改善特定振动模态；查看每个振动模态的振幅、振型和固有频率大小,获得结构的振动特性；

28、重复进行固有频率分析,评估优化后的结构的固有频率及振动模态。

29、进一步的，敏感结构的结构参数包括悬臂梁长度、悬臂梁宽度和质量块尺寸。

30、进一步的，在步骤3中，针对电磁式mems振动传感器的固有谐振频率进行评估测试，具体包括以下步骤：

31、通过将电磁振动传感器和商用加速度传感器通过夹具固定在振动台上,以保证二者激励加速度一致,将其都放置于振动台中央；

32、将振动台的振动台频率设为待测振动传感器固有频率及其附近频率,并且通过参考加速度传感器确定标准加速度值；

33、将激励加速度从0.1g开始以0.1g增幅增加,直到3g，按顺序记录对应标准加速度下振动传感器的输出电压；

34、使用振动台和功率放大器提供固定加速度的正弦振动,频率范围为30～200hz,激励振动传感器产生受迫振动并输出电压信号,随后将信号接入示波器和数字万用表进行记录扫频数据；

35、通过调节信号发生器来改变振动台的振动频率,从30～200hz,以5hz为步长开始测试；

36、当找到大致的固有频率位置后,以1hz为步长继续测试,获得不同振动频率下样机的输出电压，当出现峰值时,对应的频率即为振动传感器的固有频率。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、本发明通过理论仿真,分析了影响振动传感器频率测量精度的关键因素,得出了通过调整模块质量,调整系统固有谐振频率,可以提高振动传感器的测量精度，本发明所提供的通过调整测量质量块的方法解决了提高振动传感器测量精度的方法。

技术特征：

1.一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法，其特征在于，在步骤1中，通过理论仿真获取影响电磁式mems振动传感器频率测量精度的质量块和固有谐振频率因素具体为：

3.根据权利要求2所述的一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法，其特征在于，在步骤s2中，基于获得的质量块和固有谐振频率因素进行调整以提高振动传感器的测量精度具体为：通过对悬臂梁-质量块构成的敏感结构做固有频率分析，并且对固有频率进行优化仿真，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法，其特征在于，敏感结构的结构参数包括悬臂梁长度、悬臂梁宽度和质量块尺寸。

5.根据权利要求4所述的一种提高电磁式mems振动传感器频率精度的改进方法，其特征在于，在步骤3中，针对电磁式mems振动传感器的固有谐振频率进行评估测试，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明提供一种提高电磁式MEMS振动传感器频率精度的改进方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、通过理论仿真获取影响电磁式MEMS振动传感器频率测量精度的质量块和固有谐振频率因素；步骤2、基于获得的质量块和固有谐振频率因素进行调整以提高振动传感器的测量精度；步骤3、针对电磁式MEMS振动传感器的固有谐振频率进行评估测试。本发明通过理论仿真,分析了影响振动传感器频率测量精度的关键因素,得出了通过调整模块质量,调整系统固有谐振频率,可以提高振动传感器的测量精度，本发明所提供的通过调整测量质量块的方法解决了提高振动传感器测量精度的方法。

技术研发人员：王作松,王清,杨志奇,杨思炫,范盛荣,田庆生,梁仕斌,王磊,吴旭程,丁心志
受保护的技术使用者：云南电力试验研究院（集团）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/24