[发明专利]基于非线性域模态耦合的传感器灵敏度提升方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于非线性域模态耦合的传感器灵敏度提升方法及系统，该方法利用谐振器中至少两个振动模态之间的耦合特性，将两模态中的第一模态作为频率输出模态，第二模态作为腔模态来敏感外界待测变量。为了激发第一模态与第二模态之间的耦合特性，该方法需要施加至少一个泵浦。同时，为了提升传感器的灵敏度，该方法需要将第一模态的振动状态激发至非线性振动区域，将第二模态的高枝频率作为最终输出，并可以采用锁相环对第一模态进行相位闭环控制，实现频率的快速采集和测量。本发明应用于频率输出型传感器，可以提升频率输出型传感器的灵敏度，无需引入其他辅助器件，具有易于操作、便于集成、稳定可靠、应用范围广等优势。

技术领域

本发明涉及频率输出型传感器技术领域，具体是一种基于非线性域模态耦合的传感器灵敏度提升方法及系统。

背景技术

频率输出型传感器是现代生活不可或缺的传感器件，广泛应用于温度、压力、加速度、角速度等物理量的表征与测量。因其具有性能稳定、结构简单、可靠性高、承载能力大、体积小、重量轻和成本低等优点，也成为了诸多军用武器装备的核心器件，目前处于国内外研究的热点领域。

传统频率输出型传感器通常使谐振器保持在稳定的振动状态，当外界待测物理量发生变化时，谐振器的谐振频率发生变化，通过测量该谐振频率，即可表征待测物理量。以谐振式加速度计为例，当载体沿其敏感方向的加速度发生变化时，加速度计的谐振频率将因为惯性力产生变化，通过后端测控电路将此谐振频率读取，即可获得此加速度。由此可见，传统频率输出型传感器通常只利用谐振器的单一振动模态，其灵敏度往往受到该单一模态性质(如谐振频率、品质因数、振动幅度等)所限，在谐振器结构确定后，无法进一步提升。

传统的灵敏度提升方案往往局限于谐振器加工工艺的提升，旨在优化谐振频率、提升品质因数、扩大振动幅度等；或者对传感器测控电路进行优化设计，旨在匹配机电接口、优化控制方案、创新电路修调方法等。然而，传统的频率输出型传感器灵敏度提升方法往往局限于谐振器的单一振动模态。而高精度频率输出型传感器越来越受到市场的追捧，传统的传感器灵敏度提升方法已经不能满足需求。因此，对于高精度频率输出型传感器而言，需要一种易于操作、便于集成、稳定可靠、应用范围广的方法来进一步提升灵敏度。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于非线性域模态耦合的传感器灵敏度提升方法及系统，该传感器灵敏度提升方法不仅无需引入辅助器件，而且易于操作、便于集成、稳定可靠、应用范围广，能够有效地满足市场对高精度频率输出型传感器的需求。

为实现上述目的，本发明提供一种基于非线性域模态耦合的传感器灵敏度提升方法，利用传感器的谐振器中至少两个振动模态之间的耦合特性，将其中一个振动模态作为频率输出模态，另一个振动模态作为腔模态来敏感外界待测变量。

作为优选地技术方案，将作为频率输出模态的振动模态定义为第一模态，其中，所述第一模态保持谐振状态，且所述第一模态工作在非线性振动区间。

作为优选地技术方案，将作为腔模态的的振动模态定义为第二模态，将所述第二模态的高枝频率作为传感器的最终输出。

作为优选地技术方案，通过施加至少一个泵浦激发所述第一模态与所述第二模态之间的耦作为优选地技术方案，采用锁相环对所述第一模态进行相位控制，使所述第一模态稳定工作在非线性振动区间，实现频率的快速采集和测量。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于非线性域模态耦合的传感器灵敏度提升系统，其特征在于，采用上述方法进行传感器的灵敏度提升，所述传感器的谐振器中具有第一模态与第二模态，其中，第一模态为频率输出模态，第二模态为敏感外界待测变量的腔模态。

作为优选地技术方案，所述传感器灵敏度提升系统包括直流偏置电压、交流驱动电压、交流泵浦电压与锁扣环；

所述直流偏置电压施加传感器中谐振器的硅敏感结构上；