CN101858930B - 一种用于电容式微机械加速度计的温度补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电容式微机械加速度计的温度补偿装置，主要包括相干解调器、低通滤波器和温度补偿电路，相干解调器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与温度补偿电路的输入端相连。本发明利用电容式微机械加速度传感器的内部电容随温度的变化作为加速度计输出信号的补偿参考信号，不需要热敏电阻或集成温度传感器来测量加速度传感器的温度，简化温度补偿装置的结构，降低成本；排除温度测量误差对补偿精度的影响，提高温度补偿精度；且不需在电容式微机械加速度传感器上安装使用温度传感器，避免加速度传感器的金属管壳内因存在温度梯度而造成的温度测量误差，进一步提高温度补偿精度。

Description

一种用于电容式微机械加速度计的温度补偿装置

技术领域

本发明涉及微弱信号检测领域，尤其涉及对电容式微机械加速度计的温度特性进行改善的温度补偿装置。

背景技术

现有技术中的电容式微机械加速度计与其温度补偿装置的连接关系示意图如图1所示，系统由电容式微机械加速度传感器、模拟式处理电路和温度补偿装置组成。图1中，电容式微机械加速度计与其温度补偿装置的具体连接关系为：高频载波发生器的输出端与带通滤波器的输入端和移相器的输入端分别相连，带通滤波器的输出端与电容式微机械加速度传感器相连，电容式微机械加速度传感器的两个输出端分别与第一电荷放大器和第二电荷放大器的输入端相连，两个电荷放大器的输出端分别与仪表放大器的两个信号输入端相连，仪表放大器的输出端和移相器的输出端分别与第一相干解调器的两个信号输入端相连，第一相干解调器的输出端与第一低通滤波器的输入端相连，第一低通滤波器输出模拟直流电压，该直流电压与输入加速度的值成正比关系，温度传感器固定在电容式微机械加速度传感器上，温度传感器的输出端与第一放大器的输入端相连，第一低通滤波器的输出端与第二放大器的输入端相连，第一放大器和第二放大器的输出端分别与加法器的两个输入端相连，加法器输出补偿后的电压信号。

现有的电容式微机械加速度计的温度补偿装置主要包括温度传感器、第一放大器、第二放大器和加法器。其中温度传感器可以是热敏电阻，也可以是Analog devices公司生产的集成温度传感器AD590。现有的温度补偿装置若要实现温度补偿的功能，需要精确测量所使用的热敏电阻的电阻值与温度之间的函数关系或集成温度传感器的输出电压与温度之间的函数关系，以及电容式微机械加速度计中第一低通滤波器的输出电压与温度之间的函数关系，在此基础上构建温度补偿模型，设置第一放大器和第二放大器的增益，从而实现温度补偿的功能。温度传感器增加了系统硬件的复杂性。热敏电阻和集成温度传感器在测量温度时其自身会引入一定的测量误差，同时由于电容式微机械加速度传感器的尺寸在毫米量级，而将其封装起来的金属管壳的尺寸在厘米量级，因此在金属管壳内部存在一定的温度梯度。而温度补偿装置中的温度传感器置于加速度传感器金属管壳的外表面，因此温度传感器所测量得到的温度不能够准确的反映电容式微机械加速度传感器的真实温度，即温度的测量值存在一定的误差。因此，现有的温度补偿装置无法达到较高的补偿精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的用于电容式微机械加速度计的温度补偿装置。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该用于电容式微机械加速度计的温度补偿装置主要包括相干解调器、低通滤波器和温度补偿电路，所述相干解调器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与温度补偿电路的输入端相连。

进一步地，本发明所述温度补偿电路为数字式温度补偿电路，该数字式温度补偿电路包括第一模/数转换器、第二模/数转换器、FPGA算法补偿器和数/模转换器，第一模/数转换器和第二模/数转换器的输出端分别与FPGA算法补偿器的输入端连接，FPGA算法补偿器的输出端与数/模转换器的输入端连接。

进一步地，本发明所述温度补偿电路为模拟式温度补偿电路，该模拟式温度补偿电路包括第一放大器、第二放大器和加法器，所述第一放大器和第二放大器的输出端分别与加法器的输入端连接。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1)本发明利用电容式微机械加速度传感器的内部电容随温度的变化作为加速度计输出信号的补偿参考信号，因此不需要热敏电阻或集成温度传感器来测量加速度传感器的温度，简化了温度补偿装置的结构，并降低了成本。

2)本发明由于不需要热敏电阻或集成温度传感器，因此排除了温度测量误差对补偿精度的影响，提高了温度补偿精度。

3)本发明的温度补偿装置由于不需要在电容式微机械加速度传感器上安装使用温度传感器，避免了加速度传感器的金属管壳内因存在温度梯度而造成的温度测量误差，进一步提高了温度补偿精度。

附图说明

图1是现有技术中的电容式微机械加速度计与其温度补偿装置的连接关系示意图。

图2是一种常见的电容式微机械加速度计与本发明温度补偿装置的连接关系图。

图3是本发明数字式温度补偿电路的内部连接关系图。

图4是本发明模拟式温度补偿电路的内部连接关系图。

具体实施方式

电容式微机械加速度传感器敏感外界的加速度信号，并将加速度信号转换为差分电容的变化，通过第一电荷放大器和第二电荷放大器将传感器内部的差分电容转换为差分电压信号，并经后级的处理电路即可得到输入加速度信号的大小，从而实现对加速度的检测。由于电容式微机械加速度传感器的关键单元是电容，且当温度改变时，电容的容值也会发生变化，从而引起加速度计零位输出信号的变化，影响加速度计对真实加速度信号的检测。为了降低温度对电容式微机械加速度计输出信号的影响，就需要采用有效的温度补偿装置来提高加速度计的温度稳定性。利用电容式微机械加速度传感器的内部电容与温度之间的关系，将电容的变化作为加速度计输出信号的补偿参考信号，实现无温度传感器的温度补偿。该温度补偿装置由于不需要热敏电阻或集成温度传感器，因此排除了温度测量误差对补偿精度的影响，同时避免了加速度传感器的金属管壳内因存在温度梯度而造成的温度测量误差，提高了温度补偿精度。

如图2所示，本发明用于电容式微机械加速度计的温度补偿装置包括相干解调器、低通滤波器和温度补偿电路，相干解调器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与温度补偿电路的信号输入端相连。其中，相干解调器可以选用Analog devices公司生产的相干解调芯片AD630，低通滤波器可以选用Analog devices公司生产的集成运算放大器AD8513。

本发明的温度补偿电路可为数字式温度补偿电路或模拟式温度补偿电路。

本发明的温度补偿电路若为数字式温度补偿电路，则该数字式温度补偿电路可以由第一模/数转换器、第二模/数转换器、FPGA算法补偿器和数/模转换器构成，其内部连接关系图如图3所示。第一模/数转换器和第二模/数转换器的输出端分别与FPGA算法补偿器的输入端连接，FPGA算法补偿器的输出端与数/模转换器的输入端连接。在数字式温度补偿电路中，可以选用TI公司生产的THS4522与ADS5553配合使用组成模/数转换器；可以选用Xil inx公司生产的Virtex-4系列的FPGA作算法补偿器，具体型号为XC4VLX25；可以选用TI公司生产的DAC2904与OPA690配合使用组成数/模转换器。

本发明的温度补偿电路若为模拟式温度补偿电路，则该模拟式温度补偿电路可以由第一放大器、第二放大器和加法器构成，其内部连接关系图如图4所示。其中，第一放大器和第二放大器的输出端分别与加法器的信号输入端连接。放大器和加法器均可以选用Analog devices公司生产的集成运算放大器AD8513来实现。

图2示出了一种常见的电容式微机械加速度计与本发明温度补偿装置的连接关系示意图。其中，电容式微机械加速度计包括电容式微机械加速度传感器和模拟式处理电路两个部分。其中，模拟式处理电路包括高频载波发生器、带通滤波器、第一电荷放大器、第二电荷放大器、仪表放大器、移相器、第一相干解调器和第一低通滤波器。高频载波发生器的输出端分别与带通滤波器的输入端和移相器的输入端相连，带通滤波器的输出端与电容式微机械加速度传感器相连，电容式微机械加速度传感器的两个输出端分别与第一电荷放大器和第二电荷放大器的两个输入端相连，两个电荷放大器的输出端分别与仪表放大器的两个信号输入端相连，仪表放大器的输出端和移相器的输出端分别与第一相干解调器的两个输入端相连，第一相干解调器的输出端与第一低通滤波器相连。温度补偿装置包括第二相干解调器、第二低通滤波器和温度补偿电路，第一电荷放大器的输出端和移相器的输出端分别与第二相干解调器的两个输入端相连，第二相干解调器的输出端与第二低通滤波器的输入端相连，第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出端分别与温度补偿电路的两个输入端相连。例如，当温度补偿电路为如图3所示的数字式温度补偿电路时，第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出端分别与第一模/数转换器和第二模/数转换器的输入端连接。当温度补偿电路为如图4所示的模拟式温度补偿电路时，第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出端分别与第一放大器和第二放大器的输入端连接。

若无温度补偿装置，那么图2所示的电容式微机械加速度计的输出信号即第一低通滤波器的输出信号的表达式如式(1)所示。

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{carrier}}\·\frac{(C_{01}-C_{02})}{C_f}\·C_{\mathrm{IN}}\·G---\left(1\right)$

式(1)中，V_out是最后输出的直流信号，V_carrier是高频正弦波的幅值电压，C₀₁和C₀₂分别是电容式微机械加速度传感器内部的两个初始电容，当有输入加速度时，C₀₁增大，C₀₂减小，即两者之差ΔC与输入加速度信号成正比，C_f是电荷放大器中的反馈电容，G_IN是仪表放大器的增益，G是仪表放大器输出交流信号的幅值到第一低通滤波器输出直流信号的比例系数。

零加速度输入时，温度由初始值t₀变化到t₁，设温度变化量为Δt。此时第一低通滤波器的输出直流信号的表达式如式(2)所示。

${V_{\mathrm{out}}}^{\′}=V_{\mathrm{carrier}}\·(1+K_{\mathrm{TC}1}\·\mathrm{\Δt})\·\frac{[C_{01}\·(1+K_{\mathrm{TC}2}\·\mathrm{\Δt})-C_{02}\·(1+K_{\mathrm{TC}3}\·\mathrm{\Δt})]}{C_f\·(1+K_{\mathrm{TC}4}\·\mathrm{\Δt})}\·G_{\mathrm{IN}}.---\left(2\right)$

(1+K_TC5·Δt)·G(1+K_TC6·Δt)

式(2)中，K_TC1为高频正弦波幅度的温度系数，K_TC2为C₀₁的温度系数，K_TC3为C₀₂的温度系数，K_TC4为电荷放大器中反馈电容的温度系数，K_TC5为仪表放大器增益的温度系数，K_TC6为仪表放大器输出交流信号的幅值到第一低通滤波器输出直流信号的比例系数的温度系数。

因此，温度变化Δt后第一低通滤波器的输出直流信号的变化量如式(3)所示。

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}}={V_{\mathrm{out}}}^{\′}-V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{carrier}}\·(1+K_{\mathrm{TC}1}\·\mathrm{\Δt})\·\frac{[C_{01}\·(1+K_{\mathrm{TC}2}\·\mathrm{\Δt})-C_{02}\·(1+K_{\mathrm{TC}3}\·\mathrm{\Δt})]}{C_f\·(1+K_{\mathrm{TC}4}\·\mathrm{\Δt})}\·G_{\mathrm{IN}}.$ (3)

$(1+K_{\mathrm{TC}5}\·\mathrm{\Δt})\·G\·(1+K_{\mathrm{TC}6}\·\mathrm{\Δt})-V_{\mathrm{carrier}}\·\frac{(C_{01}-C_{02})}{C_f}\·G_{\mathrm{IN}}\·G$

由于K_TC1、K_TC4、K_TC6的温度系数均很小，小于20ppm/℃。K_TC5的温度系数在100～150ppm/℃之间。而K_TC2和K_TC3的温度系数很大，在200～300ppm/℃之间，且两者不相等。由于C₀₁小于C₀₂，且K_TC2小于K_TC3，因此V_out和ΔV_out都是负值，且ΔV_out随着温度的升高而减小。

如图2所示，将现有的电容式微机械加速度计与本发明的温度补偿装置相连接。第二低通滤波器的输出直流信号的表达式如式(4)所示。

$V_{\mathrm{out}1}=V_{\mathrm{carrier}}\·\frac{C_{02}}{C_f}\·G---\left(4\right)$

零加速度输入时，温度由初始值t₀变化到t₁，设温度变化量为Δt。此时第二低通滤波器的输出直流信号的表达式如式(5)所示。

${V_{\mathrm{out}1}}^{\′}=V_{\mathrm{carrier}}\·(1+K_{\mathrm{TC}1}\·\mathrm{\Δt})\·\frac{C_{02}\·(1+K_{\mathrm{TC}3}\·\mathrm{\Δt})}{C_f\·(1+K_{\mathrm{TC}4}\·\mathrm{\Δt})}\·G\·(1+K_{\mathrm{TC}6}\·\mathrm{\Δt})---\left(5\right)$

因此，温度变化Δt后第二低通滤波器的输出直流信号的变化量如式(6)所示。

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}1}={V_{\mathrm{out}1}}^{\′}-V_{\mathrm{out}1}=V_{\mathrm{carrier}}\·(1+K_{\mathrm{TC}1}\·\mathrm{\Δt})\·\frac{C_{02}\·(1+K_{\mathrm{TC}3}\·\mathrm{\Δt})}{C_f\·(1+K_{\mathrm{TC}4}\·\mathrm{\Δt})}\·G\·(1+K_{\mathrm{TC}6}\·\mathrm{\Δt})-V_{\mathrm{carrier}}\·\frac{C_{02}}{C_f}\·G---\left(6\right)$

由于K_TC1、K_TC4、K_TC6的温度系数均很小，小于20ppm/℃，而K_TC3的温度系数很大，在200～300ppm/℃之间。因此V_out1和ΔV_out1为正值，且ΔV_out1随着温度的升高而增大。

在数字式温度补偿电路或模拟式温度补偿电路中对V_out和V_out1进行增益调整并进行相加运算后，t₀温度下温度补偿电路的输出直流信号的表达式如式(7)所示。

$V_{\mathrm{out}2}=K_1\·V_{\mathrm{out}1}+K_2\·V_{\mathrm{out}}=K_1\·(V_{\mathrm{carrier}}\·\frac{C_{02}}{C_f}\·G)+K_2\·(V_{\mathrm{carrier}}\·\frac{(C_{01}-C_{02})}{C_f}\·G_{\mathrm{IN}}\·G)---\left(7\right)$

式(7)中，K₁和K₂分别为V_out1和V_out的增益。

零加速度输入时，温度由初始值t₀变化到t₁，设温度变化量为Δt。此时温度补偿电路的输出直流信号的表达式如式(8)所示。

V_out2′＝K₁·V_out1′+K₂·V_out′

$=K_1\·(V_{\mathrm{carrier}}\·(1+K_{\mathrm{TC}1}\·\mathrm{\Δt})\·\frac{C_{02}\·(1+K_{\mathrm{TC}3}\·\mathrm{\Δt})}{C_f\·(1+K_{\mathrm{TC}4}\·\mathrm{\Δt})}\·G\·(1+K_{\mathrm{TC}6}\·\mathrm{\Δt}))---\left(8\right)$

$+K_2\·\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{carrier}}\·(1+K_{\mathrm{TC}1}\·\mathrm{\Δt})\·\frac{[C_{01}\·(1+K_{\mathrm{TC}2}\·\mathrm{\Δt})-C_{02}\·(1+K_{\mathrm{TC}3}\·\mathrm{\Δt})]}{C_f\·(1+K_{\mathrm{TC}4}\·\mathrm{\Δt})}\\ \·G_{\mathrm{IN}}\·(1+K_{\mathrm{TC}5}\·\mathrm{\Δt})\·G\·(1+K_{\mathrm{TC}6}\·\mathrm{\Δt})\end{array}\right)$

因此，温度变化Δt后温度补偿电路的输出直流信号的变化量如式(9)所示。

ΔV_out2＝V_out2′-V_out2＝(K₁·V_out1′+K₂·V_out′)-(K₁·V_out1+K₂·V_out)＝K₁·ΔV_out1+K₂·ΔV_out2(9)

由式(9)可见，合理选择K₁和K₂能够降低温度对电容式微机械加速度计输出直流信号的影响，K₁和K₂选择的越精确，则温度补偿的精度就越高。理想情况下温度变化后ΔV_out2趋于零。

Claims (1)

1.一种用于电容式微机械加速度计的温度补偿装置，其特征在于：包括相干解调器、低通滤波器和温度补偿电路，所述相干解调器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与温度补偿电路的输入端相连；

所述温度补偿电路为数字式温度补偿电路或模拟式温度补偿电路；

所述数字式温度补偿电路包括第一模/数转换器、第二模/数转换器、FPGA算法补偿器和数/模转换器，第一模/数转换器和第二模/数转换器的输出端分别与FPGA算法补偿器的输入端连接，FPGA算法补偿器的输出端与数/模转换器的输入端连接；

所述模拟式温度补偿电路包括第一放大器、第二放大器和加法器，第一放大器和第二放大器的输出端分别与加法器的输入端连接。

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