阅读说明：本技术 一种磁反馈闭环加速度传感器及其温度补偿方法 (Magnetic feedback closed-loop acceleration sensor and temperature compensation method thereof ) 是由 伍文杰 刘丹丹 涂良成 刘金全 严世涛 于 2020-05-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁反馈闭环加速度传感器及其温度补偿方法；方法包括：获得磁反馈闭环加速度传感器中磁路的磁感应强度的温度系数；根据温度系数筛选出满足条件的热敏电阻；将热敏电阻与磁反馈执行机构中的压流转换电阻串联,实现磁反馈闭环加速度传感器的磁路的温度系数的补偿。本发明只需检测磁路的磁感应强度的温度系数,省去了复杂耗时的标度因子标定的相关工作,操作简单,省时省力；利用热敏电阻自身温度系数来抵消磁路的温度系数,从而减小磁反馈加速度传感器的标度因子的温度系数方法,可以避免传感器安装所带来的误差以及测试设备自身热胀冷缩所带来的误差所带来的影响,提高了测量精度。(The invention discloses a magnetic feedback closed-loop acceleration sensor and a temperature compensation method thereof; the method comprises the following steps: obtaining the temperature coefficient of the magnetic induction intensity of a magnetic circuit in the magnetic feedback closed-loop acceleration sensor; screening out the thermistors meeting the conditions according to the temperature coefficient; and the thermistor is connected in series with a pressure-current conversion resistor in the magnetic feedback actuating mechanism, so that the compensation of the temperature coefficient of the magnetic circuit of the magnetic feedback closed-loop acceleration sensor is realized. The invention only needs to detect the temperature coefficient of the magnetic induction intensity of the magnetic circuit, saves the related work of calibration of complicated and time-consuming scale factors, and has simple operation, time saving and labor saving; the temperature coefficient of the magnetic circuit is offset by the temperature coefficient of the thermistor, so that the temperature coefficient of the scale factor of the magnetic feedback acceleration sensor is reduced, errors caused by installation of the sensor and the influence caused by errors caused by expansion with heat and contraction with cold of the testing equipment can be avoided, and the measuring precision is improved.)

一种磁反馈闭环加速度传感器及其温度补偿方法

技术领域

本发明属于加速度传感器技术领域，更具体地，涉及一种磁反馈闭环加速度传感器及其温度补偿方法。

背景技术

加速度传感器用于敏感外界加速度的变化，在惯性导航与制导、重力资源勘探、智能制造、自动驾驶、消费电子等领域有重要应用。最常见的加速度传感器的作用原理是基于经典力学中的牛顿第二定理，通过弹簧-检验质量系统将加速度信号转换成检验质量相对平衡位置的位移，再通过检测位移实现对物体加速度的测量。一般根据控制方式又可将加速度传感器分为开环式和闭环式。通常开环式加速度计具有结构与读出电路简单、量程大等优点，但是带宽容易受到器件结构限制，且其线性度较差。相比较之下，闭环式加速度计虽然在电路结构和控制方式的设计上较为繁琐，但是通过将器件的敏感结构控制在平衡位置，系统将获得更大范围的高线性度、可调节的带宽和更大的动态范围。

磁反馈闭环加速度传感器利用通电导线在磁场中产生的安培力来提供反馈力，是最常见的闭环加速度传感器之一。闭环加速度传感器的标度因子由反馈执行机构所决定。外部环境温度的变化或者系统内部电路元器件的发热均会使反馈执行机构温度发生变化。由于磁反馈闭环加速度传感器的磁路的磁场强度的温度系数通常较大，加速度传感器标度因子极易受到温度扰动影响，直接影响磁反馈闭环加速度传感器检测准确度。标度因子温度系数的优化对高精度加速度检测至关重要。

现有技术1(中国专利公开号为CN110823216A和CN205027781U)中所公开的技术方案均需要利用带温箱的转台对每个加速度计标度因子的温度系数进行标定，再搭建增益随温度变化的电路来抵消标度因子的温度效应，从而降低标度因子温度系数。这种方法具有通用性好的优点，但同时需引入复杂的标定仪器与标定流程，相对复杂的电路也在一定程度增大电路的成本与噪声源，尤其难以满足蓬勃发展的MEMS加速度计产业对大规模测试与低成本的需求。此外，因为加速度计需要安装在带温箱的转台里进行标度因子的温度系数的标定，所以加速度计安装在转台的误差以及转台自身随温度热胀冷缩带来的误差都是无法进行评估的。

现有技术2(中国专利公开号为CN101707113A)中公开报道了一种具有磁温度补偿的仪表用复合磁铁，该发明采用铝镍钻磁体原料与磁温度补偿合金原料分层叠放、一次成型，经烧结后形成一种合金化的复合材料。该复合材料具有相应磁性能随温度变化而保持稳定的特点，材料的温度系数降低至100ppm/℃。然而该技术提出的复合磁体的烧制工艺复杂、成本较大，且对磁场的温度系数补偿效果有限。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁反馈闭环加速度传感器，旨在解决现有技术中磁反馈闭环加速度传感器标定时的安装与测试设备自身热胀冷缩所带来的误差导致测量精度低的技术问题。

本发明提供的磁反馈闭环加速度传感器包括：机械结构，开环检测电路，PID控制器和反馈执行机构；机械结构用于感应外界加速度的变化并将加速度的变化转化为电容量；开环检测电路用于检测所述电容量并将其调制解调后获得表征加速度的电压量；PID控制器用于根据电压量来判断机械结构中检验质量偏离平衡位置的量，通过反馈调节输出使其机械结构中检验质量回到平衡状态时所需的反馈的电压量；反馈执行机构用于将电压量转化为电流量并将电流量施加在所述机械结构的反馈线圈上，并在磁路中产生一个用于平衡外界加速度的平衡力使得所述机械结构处于平衡状态；实现了通过抵消磁路的磁感应强度的温度系数来减小传感器的标度因子的温度系数。

更进一步地，反馈执行机构包括：运算放大单元、压流转换电阻和温度补偿单元；运算放大单元用于将所述反馈电压量进行缩放；压流转换电阻用于将缩放后的反馈电压量转化为电流量；并将电流量施加在所述机械结构的反馈线圈上产生可平衡外界加速度的平衡力；温度补偿单元用于补偿该传感器中的磁路的磁感应强度的温度效应。

更进一步地，温度补偿单元为热敏电阻，与压流转换电阻串联，用于补偿磁反馈闭环加速度传感器中磁路的磁感应强度的温度系数α_B的温度效应。

更进一步地，机械结构包括磁路和设置于所述磁路中的敏感结构，磁路用于产生恒定的磁场，敏感结构用于感应外界加速度的变化并将加速度的变化转化为电容量。

更进一步地，敏感结构包括振子结构以及与所述振子结构键合在一起的上盖。

更进一步地，振子结构的制作材料可以为单晶硅或石英等；上盖的制作材料可以为单晶硅、石英或玻璃等。

更进一步地，振子结构包括：弹簧、检验质量、设置在检验质量上的动极板和设置在检验质量上的反馈线圈；外框架经由弹簧与检验质量连接；检验质量上的动极板与上盖上的静极板共同组成了极板阵列，主要作用是将外界加速度经由阵列极板转化成电容量；检验质量上的反馈线圈主要是为了切割磁路中的磁感线来产生平衡外界加速度的平衡力

本发明提供的磁反馈闭环加速度传感器中，通过反馈执行机构将电压量转化为电流量并将电流量施加在机械结构的反馈线圈上，并在磁路中产生一个用于平衡外界加速度的平衡力使得机械结构处于平衡状态；实现了通过抵消磁路的磁感应强度的温度系数来减小传感器的标度因子的温度系数；提高了测量精度。

本发明还提供了一种磁反馈闭环加速度传感器的温度补偿方法，旨在解决现有技术中由于磁反馈闭环加速度传感器的标度因子的温度系数的具体表达式缺失导致无法对温度系数进行补偿的技术问题。

本发明提供的磁反馈闭环加速度传感器的温度补偿方法，包括下述步骤：

S1：获得磁反馈闭环加速度传感器中磁路的磁感应强度的温度系数α_B；

S2：根据所述温度系数α_B筛选出满足条件的热敏电阻R2；

S3：将所述热敏电阻R2与磁反馈执行机构中的压流转换电阻R1串联，实现磁反馈闭环加速度传感器的磁路的温度系数α_B的补偿。

更进一步地，在S1步骤中，根据磁路的磁感应强度的温度系数α_B是磁反馈闭环加速度传感器标度因子温度系数的主要影响因素，通过测试传感器中磁路的磁感应度的温度系数来表征传感器的标度因子的温度系数。

更进一步地，在步骤S2中，根据公式R2α_R2＝(R1+R2)α_B筛选满足条件的热敏电阻R2；其中，R2是温度补偿单元的热敏电阻，α_R2是热敏电阻R2的温度系数，R1是压流转换电阻，α_B是磁反馈闭环加速度传感器的磁路的温度系数。

更进一步地，在步骤S3中，通过抵消磁路中磁感应强度的温度效应来减小传感器的温度效应。

本发明提供的温度补偿方法与现有技术相比，具有以下优点：

(1)在本发明提供的用于磁反馈闭环加速度传感器的温度补偿方法中，通过理论分析得到了标度因子的具体表达式；并且分析了标度因子的温度系数的具体表达式，得到了磁路中的磁感应强度的温度系数远远大于其他因素，是标度因子温度系数的最主要因素；因此直接通过抵消磁路的磁感应强度的温度系数来减小传感器的标度因子的温度系数；该发明只需检测磁路的磁感应强度的温度系数，因此省去了传统且复杂耗时的标度因子标定的相关工作，操作简单，省时省力。

(2)在本发明的用于磁反馈闭环加速度传感器的温度补偿方法中，针对不同类型的磁反馈闭环传感器的标度因子的标定以及相关温度系数的测试；其相应的传感器都需要被安装固定在测试设备中，由于传感器安装所带来的误差以及测试设备自身热胀冷缩所带来的误差均是随机的，无法进行相关误差的判断；而本发明提出的利用热敏电阻自身温度系数来抵消磁路的温度系数，从而减小磁反馈加速度传感器的标度因子的温度系数方法，可以避免这两种误差所带来的影响，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁反馈闭环加速度传感器的原理框图。

图2是本发明实施例提供的磁反馈闭环加速度传感器中机械结构的具体结构示意图。

图3是本发明实施例提供的磁反馈闭环加速度传感器中反馈执行机构的具体结构示意图。

图4是本发明实施例提供的磁反馈闭环加速度传感器的温度补偿方法的实现流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为传感器机械结构，2为开环检测电路，3为PID控制器，4为反馈执行机构，11为上盖，12为上盖的静极板，13为外框架，14为弹簧，15为检验质量，16为检验质量上的动极板，17为检验质量上的反馈线圈，18为轭铁，19为永磁铁，10为磁极片，A1和A2均为运算放大器，R1为压流转换电阻，R2为热敏电阻。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种利用热敏电阻的温度效应来补偿磁反馈闭环加速度计的标度因子的温度效应的技术；本发明从磁反馈闭环加速度传感器的温度效应主要来源出发，首先测量磁路的磁感应强度的温度系数α_B，选取满足所测得的磁感应强度温度系数α_B与热敏电阻的温度系数α_R2的关系式的热敏电阻串联到反馈执行机构中用于补偿磁路的温度效应。与现有方法相比，本发明可以避免复杂且耗时的传感器标度因子的标定工作、也没有额外的加工工艺、不需做大量重复试验。在大规模、低成本地标度因子温度系数的补偿场合具有重要应用价值。

本发明实施例提供了一种磁反馈闭环MEMS电容式加速度传感器，如图1所示，包括：机械结构1，开环检测电路2，PID控制器3，反馈执行机构4；机械结构1用于感应外界加速度的变化，进而转化为电容量；开环检测电路2用于检测该电容，将其调制解调得到相应电压量；PID控制器3用于通过上述解调的电压量来判断机械结构中检验质量偏离平衡位置多少，进而输出相应的电压量；反馈执行机构4用于将上述的电压量转化为电流量，将该电流施加在机械结构的反馈线圈上，在磁路中产生一个平衡外界加速度的平衡力，是机械结构处于平衡状态。

机械结构系统模型如图2所示，机械结构1包括：玻璃上盖11，玻璃上盖的静极板12，硅外框架13，弹簧14，检验质量15，检验质量上的动极板16，检验质量上的反馈线圈17，轭铁18，永磁铁19，磁极片10；玻璃上盖的静极板12位于玻璃上盖11表面；硅外框架13、弹簧14、检验质量15、检验质量上的动极板16和检验质量上的反馈线圈17共同组成了硅振子结构；然后将玻璃上盖11和硅振子结构键合在一起构成了敏感结构；而轭铁18、永磁铁19和磁极片10共同构成了磁路；将敏感结构置于磁路中，即构成了机械结构。磁路产生了恒定的磁场；机械结构工作在恒定磁场中；通电流的反馈线圈11切割恒定磁场中的磁感线，使其产生适当的安培力来将检验质量9拉回平衡位置。

如图3所示，反馈执行机构4包括：运算放大器A1、A2、压流转换电阻R1，以及与压流转换电阻R1串联连接的热敏电阻R2；运算放大器A1和A2用于将反馈电压量进行缩放；压流转换电阻R1用于将经过运算放大器缩放后的反馈电压量转化为电流量；该部分主要是用来产生施加在上述反馈线圈17上的电流。该线圈切割磁路中的磁感线，产生平衡机械结构的安培力。热敏电阻R2用于根据其温度效应实现磁反馈闭环加速度传感器系统标度因子的温度效应补偿。

本发明是基于磁反馈闭环加速度传感器的基础上，提出了关于其标度因子温度系数的补偿方式；磁反馈闭环加速度传感器的标度因子K₁主要是由反馈执行机构4决定的；对其标度因子K₁表达式进行分析，发现其机械结构1中磁路的磁感应强度的温度系数α_B占据了主要作用；最后从标度因子的温度系数表达式出发，发现可通过压流转换电阻R1串联一个热敏电阻R2，借由热敏电阻的温度系数α_R2来抵消磁路中磁感应强度的温度系数α_B，以此来达到标度因子温度系数的补偿。

本发明还提供了一种磁反馈闭环加速度传感器的温度补偿方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤1：获得磁反馈闭环加速度传感器中磁路的磁感应强度的温度系数α_B；

步骤2：根据所述温度系数α_B筛选出满足条件的热敏电阻R2；

步骤3：将所述热敏电阻R2与磁反馈执行机构中的压流转换电阻R1串联，实现磁反馈闭环加速度传感器的磁路的温度系数α_B的补偿。

作为本发明的一个实施例，步骤1中的磁路装置包括四个永磁铁、四个磁极片和两个轭铁。磁反馈闭环加速度传感器是采用通电线圈切割磁路中磁感线所产生的安培力作为平衡传感器的反馈力，该反馈力可表示为：

F＝NBIL＝NBLV/R1＝ma， (1)

其中，m是检验质量15的质量，a是待检测的外界加速度，N是反馈线圈17的匝数，B是磁路的磁感应强度，I是反馈线圈17中的电流大小，L是垂直敏感方向的反馈线圈的长度，V是施加在压流转化电阻R1电压可直接反应外界加速度的大小，R1是压流转化电阻。则磁反馈闭环加速度传感器的标度因子K₁的表达式为：

K₁＝mR1/(NBL)， (2)

公式(2)对温度求导，可得到所述的标度因子温度系数的表达式为：

等式3表明了磁反馈闭环加速度传感器的标度因子的温度系数由三部分组成：一是反馈执行机构4中压流转化电阻的温度系数，通常采用高稳定电阻，其温度系数小于20ppm/℃；二是敏感质量块上的垂直敏感方向的反馈线圈的长度的温度系数，其温度系数主要与线圈的附着衬底相关，一般衬底为单晶硅，其温度系数约为2.56ppm/℃；三是磁路的磁感应强度的温度系数，其温度系数主要与磁路的永磁铁材料的温度系数相关，以钐钴材料为例，其温度系数约为-350ppm/℃。磁路的磁感应强度的温度系数占据了主要作用，故等式(3)可简化为：

因此，可以直接测试磁路的磁感应强度的温度系数即可代替磁反馈闭环加速度传感器的标度因子的温度系数，从而无需复杂的传感器标度因子温度系数的标定。

作为本发明的一个实施例，步骤2中对传感器的标度因子的温度效应补偿，在压流转换电阻R1处串联一个热敏电阻R2，补偿后的标度因子可以表示为：

K₁＝m(R1+R2)/(NBL)， (5)

相应补偿后的标度因子的温度系数为：

基于步骤1所述因素，等式(6)可简化为：

将步骤1实测磁路的磁感应强度的温度系数以及压流电阻的参数代入步骤2中的等式(7)中；为了完全抵消磁路的温度效应对磁反馈闭环加速度传感器的影响，这里令等式(7)左边为零即标度因子的温度系数为零，可得到：

R2α_R2＝(R1+R2)α_B (8)

因此可以挑选一个满足等式(8)的热敏电阻R2，将其应用到实际的磁反馈闭环加速度传感器中即可实现该传感器的标度因子的温度补偿。

为了更进一步说明本发明实施例提供的磁反馈闭环加速度传感器的温度补偿方法，现结合具体实例详述如下：

步骤1：将磁反馈闭环MEMS电容式加速度计的磁路、高斯计以及温度计共同固定在温箱里；温度点共设置9段，如[10℃，15℃，…，50℃]；每一个温度稳定1h。利用MATLAB对磁路的磁感应强度和相应的温度进行拟合，可以得到磁路的磁感应强度的温度系数α_B＝dB/BdT。

步骤2：由步骤1可得到该磁反馈闭环MEMS电容式加速度计中磁路的磁感应强度的温度系数-400ppm/℃；该电阻的反馈执行机构4的压流转换电阻阻值为120kΩ；将参数代入等式(6)，即R2α_R2＝(R1+R2)α_B，可以得到关于热敏电阻的阻值R2和热敏电阻的温度系数α_R2的关系式R2α_R2+48+4×10^-4R1＝0，满足该关系式的电阻可以被用来补偿加速度计标度因子的温度系数；将符合条件的电阻与压流转换电阻串联起来即可补偿加速度计标度因子的温度系数。

本发明与现有方法相比，本发明提出的利用热敏电阻自身温度系数来抵消磁路的温度系数，从而减小磁反馈加速度传感器的标度因子的温度系数方法，可以避免由传感器被安装固定在测试设备中来进行标度因子的温度系数测试时，由于传感器安装所带来的误差以及测试设备自身热胀冷缩所带来的误差的影响；并且本发明只需检测磁路的磁感应强度的温度系数，因此省去了传统且复杂耗时的标度因子标定的相关工作，操作简单，省时省力，无额外的加工工艺、无需做大量重复试验。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。