基于小波模糊阈值去噪方法在MEMS加速度计去噪中的应用

针对微机电系统(MEMS)加速度计的输出线加速度信号数据不可避免地存在随机噪声,会对捷联惯导系统的姿态解算造成干扰,导致解算精度降低。在传统小波阈值去噪法的基础上,引入模糊理论,将模糊理论与小波分析结合,提出了一种新的基于模糊理论的阈值,再利用离散小波变换对MEMS加速度计信号进行处理,以最大程度去除随机噪声。通过实际三轴MEMS加速度计输出静态数据进行仿真,并与传统小波阈值去噪方法进行去噪效果比较,表明基于模糊理论的阈值的效果更加理想。

基于MEMS加速度计与磁力计的位移计设计

基坑水平位移监测是基坑安全的重要检测项目之一。针对现有的阵列式位移计在基坑水平位移监测中容易产生扭转误差的问题,设计了一种基于MEMS加速度计与磁力计的位移计,能够同时满足基坑水平位移与沉降位移监测的需求。介绍了位移计自动化实时监测系统组成。对位移计的结构以及监测节的硬件电路进行了设计,并制作完成了位移计样机。阐述了位移计通过对加速度计与磁力计的数据进行融合,计算位移坐标的测量原理和扭转误差校正的方法。最后通过模拟监测节间发生扭转时位移计水平位移监测的实验,以及位移计沉降位移监测试验。实验结果表明,该位移计能够精确测量水平与沉降位移,并能够有效校正位移计竖直安装时监测节扭转带来的扭转误差。

MEMS加速度计全温性能优化方法

针对微机电系统(MEMS)加速度计全温性能低的问题,提出锚区应力对消方法、低应力粘接工艺和温度补偿方法。首先,通过调整两个键合的锚区面积大小实现锚区应力对消,使得加速度计的温度性能得到改善;然后,建立加速度计堆叠封装模型并对专用集成电路(ASIC)粘接参数、加速度计敏感结构点胶方式与点胶参数进行仿真分析,从而确定了加速度计的低应力粘接形式和粘接工艺;最后,对加速度计零偏和标度因数设计了三阶温度补偿方法并进行了实验测试。实验结果表明,加速度计全温零偏稳定性达到47.3μg(1σ)、全温标度因数稳定性达到43.6 ppm(1σ),提高了加速度计的全温性能。

一种用于振动测量的MEMS电磁式加速度计

基于电磁感应原理,设计并制备了一种用于振动测量的微机电系统(MEMS)电磁式加速度计,其具有无源、集成度高、对加工工艺精度要求低及不受温度、湿度影响等优势。首先通过有限元分析软件对加速度计敏感结构及永磁体磁场进行仿真分析,然后利用MEMS微加工工艺制备敏感结构及电磁线圈等主要部件,将加速度计芯片与嵌有永磁体的陶瓷基板进行键合封装。通过敏感结构受到振动并带动线圈相对永磁体发生位移产生电压信号。最后通过振动测试系统对电磁式加速度计的灵敏度、量程、线性度及抗过载能力等动态参量进行评估。实验结果表明,在0~3g量程范围内,加速度计可实现对63~69 Hz频率振动的测量,灵敏度最高为263 mV/g,非线性误差为3.3%,可用于恶劣环境下低g值的振动测量。

一种分时差分的频率调制MEMS加速度计

为提升MEMS加速度计温度适应性,设计了频率调制和分时差分方法。基于静电刚度效应,将敏感质量块因加速度产生的位移变化调制成谐振频率的变化,兼顾了位移检测的温度系数较低与谐振频率检测不易受电路噪声干扰的优点,且采用单个谐振器在时间上通过刚度切换进行分时差分,从而降低零偏随温度的漂移。通过实验测得,在10 V调谐电压下,加速度计室温下的零偏稳定性为76.79μg。-40℃~60℃全温范围内经过分时差分后得到的频差全温变化量为-0.072 Hz,相较于单个刚度状态下的谐振频率变化约7.7 Hz,减小了约99%,验证了静电刚度频率调制和分时差分的有效性。

用于三轴MEMS加速度计的集成数字调理电路

基于0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,设计了一种用于三轴微电子机械系统(MEMS)加速度计的集成数字调理电路,实现了三轴加速度信号的数字后处理。该数字调理电路采用级联积分梳状(CIC)与有限冲击响应(FIR)相结合的滤波器形式,有效滤除了带外的量化噪声,提高了输出信号的信噪比;零位采用四阶多项式拟合温补算法,标度因数采用二阶多项式拟合温补算法,有效降低了加速度输出随温度的漂移,提升了加速度计的测量精度。此外,FIR滤波器采用时分复用的实现形式,温补模块采用串行实现形式,有效减小了芯片面积,最终芯片面积为1.5 mm^(2)。测试结果表明,滤波器符合设计值,三轴MEMS加速度计的零偏不稳定性为15μg,速率随机游走为0.035 m/s/√h,温补后零偏全温区变化量为3.55mg,提升了5.4倍;温补后标度因数全温区变化量为0.0026,提升了4.1倍,电路性能良好。

一种用于MEMS加速度计温度性能提升的双质量全差分结构

微电子机械系统(MEMS)加速度计作为应力敏感器件,很容易受到外界应力的影响,尤其是对温度应力非常敏感,MEMS加速度计的温度性能成为了制约加速度计性能提升的关键因素。为了提高MEMS加速度计的温度性能,减小温度漂移,提出了一种新型的双质量、全差分MEMS敏感结构方案。通过双质量的差分效果,可以将外界温度变化引起的变形差分掉,从而降低加速度计的温度系数,提高温度性能。利用有限元仿真的手段,优化双质量结构的布局,验证加速度计的温度漂移结果。实验结果表明,加速度计温度性能得到了有效提升。

基于IAO的随钻MEMS加速度计误差参数识别方法

针对随钻测量中MEMS加速度计器件误差变化难以精确识别的问题,提出一种基于改进天鹰算法(IAO)的随钻MEMS加速度计误差参数识别方法。首先根据MEMS加速度计输出模型变换得到非线性误差函数,采用天鹰算法(AO)求解到非线性误差函数的最优值。在AO算法基础上,利用误差参数平均值和迭代次数改善AO算法开采参数的全局搜索能力,基于误差参数最优值和平均值构造径向因子提高AO算法误差参数识别精度。然后采用IAO算法极限逼近非线性误差函数的参数最优值,并通过采样点插值误差数据库完成误差参数校准。最后将IAO算法应用于识别加速度计误差参数,结果表明:IAO算法识别精度比PSO算法、SSA算法和AO算法提高了1~2个数量级,补偿后的加速度计输出误差明显减小。

一种振动测量用电容式硅基MEMS加速度计

为了解决目前微电子机械系统(MEMS)加速度计在振动测量领域量程小和振动测量精度低等问题,基于绝缘体上硅(SOI)加工工艺,设计并制作了一款梳齿电容式MEMS加速度计。通过提高工作模态频率和干扰模态频差,提升了加速度计振动环境适应性;加速度计量程达到±50g,非线性度0.2%,横向灵敏度0.17%,分辨率优于0.5mg,体积9 mm×9 mm×2.7 mm,功率损耗30 mW。针对随机振动环境对加速度计的输出精度进行了实验验证,结果表明,MEMS加速度计与标准传感器的输出误差为2.69%,能够满足大部分工程应用需求。

基于几何反弹簧结构的高分辨率MEMS加速度计

为了提高MEMS加速度计分辨率和灵敏度,提出并设计了一种基于几何反弹簧原理的新型MEMS加速度计结构。拟采用静电力将加速度计静态工作点设置在梁低刚度位置来提高灵敏度。首先通过理论计算和有限元仿真,分析了几何反弹簧结构实现准零刚度的原理,并优化了关键几何参数;其次基于免划片SOI工艺完成了MEMS芯片制作;最后搭建了开环测试电路进行测试验证。测试结果表明:施加25 V偏置电压后,加速度计灵敏度从46.3 mV/g提高至51.1 mV/g,线性度为0.99%。验证了静电偏置几何反弹簧结构通过降低刚度系数来提高加速度计的灵敏度的可行性。

±16g三质量块三轴MEMS电容式加速度计的设计

微电子机械系统(MEMS)惯性传感器(如加速计、陀螺仪)具有高性能、低功耗、低成本、集成度高、可靠性高、体积小等特点。但MEMS传感器交叉串扰仍较大,影响了加速度的测量。该文设计了一个量程为±16 g的三质量块三轴MEMS电容式加速度计结构,通过对所设计的结构进行静力学分析和模态分析,保证加速度计良好的抗过载能力。仿真结果表明,该结构实现了模态分离避免了模态干扰,且交叉灵敏度均小于0.3%,有效地降低了交叉串扰。

基于深度学习的MEMS加速度计随机漂移补偿方法

为了有效地抑制MEMS加速度计的随机漂移,文中提出了一种将深度学习与神经网络相结合的方法补偿MEMS加速度计随机漂移。在循环神经网络(RNN)的基础上,建立长短期记忆神经网络(LSTM)模型,利用基于自适应性矩估计(ADAM)的优化算法对LSTM模型进行训练。结果表明,与传统的滤波算法相比,文中方法将MEMS加速度计补偿后的零偏稳定性、零偏不稳定性和加速度随机游走等性能指标降低了80%以上。通过实验验证了所提方法的有效性。

芯片粘接对MEMS加速度计性能影响分析

研究了一种针对微电子机械系统(MEMS)变电容间隙式加速度计芯片粘接应力对零位输出影响的分析方法。通过建立加速度计的数学解析模型,从理论上推导出了电容变化量与间隙变化量的关系式。然后对影响间隙变化量的粘接应力进行了分析,得到了影响粘接应力的因素,并选取关键影响因素(粘结胶点直径)进行仿真分析。为了验证降低加速度计零位输出随温度变化的改进思路,分别装配了0.9 mm直径胶点和1.5 mm直径胶点粘接的加速度计进行了实验。实验结果表明,改进封装方案有效,采用直径0.9 mm胶点方案使零位输出变化量降低了75%。

基于反对称模态驱动的MEMS加速度计灵敏度优化方法

为了便于驱动谐振梁的反对称模态,提高加速度检测灵敏度,该文提出了一种分布式的电极驱动方式,利用分布式电极更易驱动谐振梁的反对称模态并检测信号。设计了弹性梁质量块系统,用作感知外部加速度的敏感质量,并将谐振梁作为测量加速度的敏感元件。建立了谐振梁前两阶动力学方程。实验测量了不同加速度下谐振梁一阶、二阶的频率变化。实验表明,二阶模态检测正向灵敏度比一阶模态检测正向灵敏度提高了49%,负向灵敏度提高了89%,且二阶模态品质因数是一阶模态品质因数的3.19倍。最后分析了偏置直流电压对灵敏度的影响:随着电压提高,正向加速度检测灵敏度提高,负向加速度检测灵敏度降低。

全新MEMS DC响应加速度计3743F系列上市

2023年2月2日,PCB Piezotronics(PCB■)推出新型号3743F,扩展了“F”系列MEMS DC响应传感器,目前已有型号有3711F, 3713F和3741F。PCB公司新品3743F三轴变电容加速度计使用差分输出,实现共模噪声抑制,而且小巧并使用气密钛金属壳体。它利用变电容MEMS技术实现在宽输入电压范围5~32 V的稳定精确的测量。它在正交的3个轴(X,Y,Z)上同时测量加速度和低频振动。

基于MEMS加速度计的结构倾角检测方法探究

基于MEMS加速度计的倾角检测已成功应用于结构物的健康监测中。为了进一步提高倾角检测精度,本文以MEMS加速度计为基础,通过组合不同的数字滤波方法,增加倾角值补偿系数,提出了一种优化的倾角检测方法。结果表明,本文倾角检测方法的测量结果更加稳定,绝对误差平均减小约90%,实现了低成本、高精度的倾角检测,为实际工程中的结构倾角检测方法提供了一个新方案。

基于CEEMDAN-SSA的MEMS加速度计振动噪声抑制方法

针对以MEMS加速度计制成的倾角传感器在倾角测量中易受到载体振动噪声干扰的问题,提出了基于自适应噪声完全集合经验模态分解(CEEMDAN)和奇异谱分析(SSA)结合的MEMS加速度计信号降噪方法。CEEMDAN方法能够按照信号自身尺度自适应地进行信号分解,保留趋势分量后使用模态相关准则分离噪声层和信号层。使用SSA方法对信号层内低频噪声进行处理,根据奇异值所占比例选择有效秩阶数进行信号去噪,最后将去噪后信号与趋势分量相加得到降噪后的加速度计信号。通过对实验数据的处理和其他方法的对比证明该方法能够较好地消除噪声的干扰恢复原始信号。

位置探测器与加速度计结合的测振方法

非接触式的振动测量方法具有非侵入和易布置的优点,在实际的工业生产和科研实验中有广泛的应用,但目前的非接触测量方式对测量装置自身受环境冲击振动产生的影响考虑较少。文中提出了一种振动自补偿的低成本的测振方法,采用位置探测器测量振动信号,并利用MEMS加速度计测量测振系统自身振动用于补偿。搭建实验系统对该方法进行了验证。实验结果表明:基于位置探测器的方法能够测量待测物体与测振系统间的振动,而MEMS加速度计能够测量环境引起的测振系统自身振动。经补偿后,环境振动冲击对使用位置探测器方法得到的振动测量结果的影响显著减弱。

基于小波分析的MEMS加速度计输出噪声消除

目前MEMS加速度计普遍存在信噪比低、灵敏度不高等缺点,其主要原因是系统内部电路中的干扰与噪声使得有用信号完全淹没在噪声之中,其中1/f分形噪声是主要的噪声。由于1/f分形噪声在小波域中展示出某些特殊性质,且小波分析兼具时-频分析与尺度分析的功能,为了有效消除1/f分形噪声,提出了一种基于小波分析与自适应阈值滤波的多尺度滤波算法。以信噪比、均方根误差作为去噪效果的定量指标,将本文算法与Donoho小波阈值滤波算法进行比较,仿真结果表明,改进的自适应阈值滤波算法优于Donoho阈值滤波算法。运用于MEMS加速度计噪声消除上科学有效。

高g值加速度计恶劣环境下测试信号处理方法

针对国产高g值加速度计应用环境恶劣的问题,提出了一种使用阈值改进的小波变换处理加速度计输出信号的方法。加速度计主要应用在弹丸侵彻及火炮膛内参数测试等恶劣环境下,测试信号受到干扰较大,需对其进行降噪处理。本文根据加速度计测试信号的特点对小波降噪阈值函数进行修改,提出了一种新的小波降噪阈值函数;其降噪效果优于小波变换原有阈值函数,对加速度计信号的处理有着明显的优势。为验证本文所提数据处理方法的效果,设计相关实验进行分析并采用计算信噪比及均方差的方法对其进行验证。结果表明,新的方法对于高g值加速度计测试信号的降噪取得了更好的效果。