[发明专利]一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置

说明书

本发明公开了一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置，其具体由弱耦合谐振器、两路位移信号处理回路、数字锁相环模块、幅度闭环控制模块、数模转换器组成，其中数字锁相环模块和幅度闭环控制模块均由FPGA编程实现。弱耦合谐振器由两组相同的谐振器以及耦合结构组成。每路位移信号处理回路包括电容‑电压变换器、低噪放大器、开关整流器、比较器、低通滤波器、模数转换器。数字锁相环模块包括鉴频鉴相器、环路滤波器、第一PI控制器、数字压控振荡、比较器。幅度控制模块包括低通滤波器、第二PI控制器。本发明可实现对于弱耦合谐振器的振幅比的直接测量，无需进行后续的除法运算过程，实现了测量信号的电路直接输出，减少了信号后处理过程的复杂度。

技术领域

本发明涉及微机械弱耦合谐振器系统，特别是涉及一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置。

背景技术

弱耦合谐振器是一种采用振幅比作为输出评价指标的多自由度谐振系统。理论和实验表明，与传统单自由度谐振器的频率调制机制相比，弱耦合谐振器的振幅比调制机制的相对机械灵敏度要高出2到3个数量级。另外，由于弱耦合谐振系统结构都为差分测量形式，系统整体对于外界共模干扰如温度波动等具有良好的抑制作用。因此，弱耦合谐振器在信号测量领域具有有着重要的军民用价值和广阔的应用前景。

近年来，国内的研究机构逐渐展开了关于弱耦合谐振器的研究。2018年，研究者们提出了一种模拟自激振荡闭环控制方案，通过调节反馈电路的增益并布置移相器，满足Barkhausen准则，从而实现弱耦合谐振器的自激振荡。但是，目前大部分机构对于弱耦合谐振器的振幅比的测量都是通过数据的后处理得到，仍然无法从测控电路输出端直接得到系统输出，限制了弱耦合谐振器的一体化应用前景。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了为了解决上述存在的问题，本发明提供一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置，通过对弱耦合谐振器的其中一个谐振单元的振幅实现闭环稳定控制，另一谐振单元的振幅即可以作为弱耦合谐振系统的整体输出。本装置可以实现弱耦合谐振系统的振幅比的测控电路直接输出，无需进行后续的振幅信号除法过程，简化了弱耦合传感器的信号后处理流程。

技术方案：一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置，包括由弱耦合谐振器、第一、二路位移信号处理回路、数字锁相环模块、幅度闭环控制模块、数模转换器组成；其中数字锁相环模块和幅度闭环控制模块均由FPGA编程实现；弱耦合谐振器的第一、二检测梳齿分别与对应的第一、二两路位移信号处理电路的信号输入端相连接；第一路位移信号处理电路的信号输出端为本装置的整体输出，而第二路位移信号处理电路的比较器输出端与数字锁相环模块的信号输入端相连接，信号输出端与幅度闭环控制模块的信号输出端相连接；数字锁相环模块的信号输出端信号与幅度闭环控制模块的信号输出端信号相乘后经数模转换器转换为模拟信号传输至后弱耦合谐振器的两路第一、二驱动梳齿；基于自动增益控制对弱耦合谐振系统的其中一个谐振单元进行幅度闭环控制，使其振动位移幅值稳定在归一化设定值；此时另一个谐振单元的振动位移幅值的即可代表整体系统的振幅比，而无需进行另外的除法运算过程；外界输入信号即可通过测量未作幅度闭环控制的谐振单元的振动位移幅值的变化得到。

其中所述第一、二路位移信号处理回路完全一致，以精确的提取第一、二谐振梁单元的振动位移的频率、相位、幅值信息；其中第一、二路位移信号处理回路均分别包括电容-电压变换器、低噪放大器、开关整流器、比较器、低通滤波器、模数转换器；所述电容-电压变换器的输入端与弱耦合谐振器的第一、二检测梳齿相连接，所述电容-电压变换器的输出端与低噪放大器输入端相连接；低噪放大器的输出端分别与比较器和开关整流器相连接；其中比较器的输出端与开关整流器的信号控制端相连接；开关整流器的输出端与低通滤波器相连接；低通滤波器的输出端和模数转换器相连接。