一種電容式微加速度計(jì)偏置電壓和標(biāo)度因數(shù)自動(dòng)標(biāo)定方法

耿賽柳，徐大誠，郭述文

（蘇州大學(xué)微納傳感器研究中心，江蘇蘇州 215100）

0 引言

電容式微加速度計(jì)已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車工業(yè)和航天領(lǐng)域。在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中，其測(cè)量精度、測(cè)量范圍、零偏穩(wěn)定性等參數(shù)是決定性能的關(guān)鍵。國內(nèi)外有大量報(bào)道改善這些參數(shù)性能的文獻(xiàn)［1～3］，測(cè)量范圍這一性能指標(biāo)，可以通過標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)定來確定。

電容式微加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)定，一般采用與MS3110配套的MS3110DPC測(cè)試板［4］或者是采用單片機(jī)搭建的測(cè)試系統(tǒng)［5］，手動(dòng)調(diào)整MS3110片內(nèi)EEPROM的值來實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)度因數(shù)（SF）的標(biāo)定。傳統(tǒng)方法存在以下主要問題:

1）擴(kuò)展性差，滿足不了加速度計(jì)多項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試;

2）受敏感元件安裝誤差和溫度漂移困擾，從而影響SF標(biāo)定精度;

3）傳統(tǒng)標(biāo)定都為手動(dòng)，操作復(fù)雜、精度不高，而且增加生產(chǎn)成本，不適應(yīng)于批量生產(chǎn)。

電容式微加速度傳感器一般采用差分電容輸出，零偏電壓取決于差分電容的對(duì)稱性，而SF則與電容的變化量靈敏度有關(guān)。由于微細(xì)加工工藝的誤差不可避免地造成差分電容的非對(duì)稱性誤差和靈敏度誤差，這些誤差需要通過外圍電路的電容來校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的方法是通過手工標(biāo)定，然后再外接電容來進(jìn)行補(bǔ)償。MS3110是一種數(shù)?；旌想娐穬?nèi)置了1只傳感器接口電路，含有2個(gè)衛(wèi)星電容開關(guān)陣列，一個(gè)用于差分電容進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn);另一個(gè)用于對(duì)傳感器的SF進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。這2個(gè)電容開關(guān)陣列可以通過內(nèi)置EEPROM來進(jìn)行控制調(diào)整。

本文將介紹一種三點(diǎn)靜態(tài)標(biāo)定法，利用虛擬儀器作為控制單元和MS3110作為電容檢測(cè)電路來實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)SF的自動(dòng)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過多次自動(dòng)定標(biāo)，傳感器SF的相對(duì)誤差為0．79%。

1 三點(diǎn)靜態(tài)標(biāo)定法

在正常工作溫度－40～80℃范圍內(nèi)，MS3110輸出電壓在0．5～4V之間，可以讀取低至4．0aF/Hz1/2的電容變化，它既可以測(cè)量單電容的變化，也可以測(cè)量差動(dòng)電容的變化，在整個(gè)感應(yīng)電容范圍內(nèi)輸出信號(hào)線性度比較好［6］，片內(nèi)電容Cs1，Cs2為可調(diào)補(bǔ)償電容陣列，用于調(diào)節(jié)由于輸入電容不對(duì)稱而引起的偏置。電容Cf為電荷放大器的可調(diào)積分電容，通過調(diào)節(jié)可以設(shè)置前端積分器的增益，決定加速度計(jì)SF，因此，確定電容Cf的值是自動(dòng)標(biāo)定法的關(guān)鍵。

1．1 三點(diǎn)靜態(tài)標(biāo)定法原理

根據(jù)MS3110的傳遞函數(shù)可以推導(dǎo)出SF的數(shù)學(xué)模型

其中，SF的單位為mV/gn，Gain一般為2 V或者4 V，V為參考電壓，一般為 2．25 VDC，ΔC1g和 ΔC0g分別是加速度計(jì)處于90°和180°位置時(shí)的電容差。由SF的數(shù)學(xué)模型可以得出:SF只取決于其中積分電容Cf的大小，因此，先確定積分電容Cf的值，最后再根據(jù)SF和偏置電壓（bias voltage）預(yù)設(shè)值確定補(bǔ)償電容Cs1和Cs2的值。

首先通過上位機(jī)軟件給SF和bias voltage設(shè)定預(yù)值，并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中，然后使得電容式微加速度計(jì)依次經(jīng)過1，0，－1gn3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)位置，測(cè)量加速度計(jì)的電壓輸出并通過虛擬儀器調(diào)整MS3110片內(nèi)Cs1，Cs2，Cf3個(gè)電容值，計(jì)算SF和bias voltage的極值，使其無限接近預(yù)設(shè)值，從而得出最佳Cs1，Cs2，Cf的值，最后將其3個(gè)電容值寫入 MS3110片內(nèi)EEPROM中，自動(dòng)標(biāo)定完成。

1．2 三點(diǎn)靜態(tài)標(biāo)定法實(shí)現(xiàn)

此方法以預(yù)設(shè) SF為 －66．7 mV/gn和 bias voltage為2．25 V為例，通用電容讀取芯片MS3110的電壓輸出范圍為0．5～4 V，那么，電容式微加速度計(jì)的理論測(cè)量范圍為±26gn。

1．2．1 標(biāo)定環(huán)境

由于加速度計(jì)會(huì)受到角度基準(zhǔn)精度和溫度漂移的影響，所以，在標(biāo)定之前需要將加速度計(jì)固定在分度臺(tái)上并放置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，來減小標(biāo)定誤差。

1．2．2 電容差測(cè)量

分度臺(tái)轉(zhuǎn)到90°位置時(shí)，即加速度為1gn。調(diào)節(jié)Cf值，通過采集卡測(cè)量出2組加計(jì)電壓輸出值分別記為V1g1，V1g2，根據(jù)傳遞函數(shù)得

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算（取Cs1=0 pF，Cs2=0．209 pF，Cf1=0．38 pF，Cf2=3．8 pF）得

1．2．3 積分電容Cf測(cè)定

分度臺(tái)轉(zhuǎn)到180°位置時(shí)，即加速度為0gn，調(diào)節(jié)Cf電容值來確定SF。根據(jù)Vref和ΔC1g計(jì)算出V1g

通過數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量出0gn時(shí)的加計(jì)輸出V0g，由標(biāo)度因數(shù)的數(shù)學(xué)模型求SF的極限得

Cf的范圍從 0～19．437 pF，當(dāng)SF的值在（－66．7 ±3）mV/gn之內(nèi)，記錄下積分電容Cf的值。

1．2．4 補(bǔ)償電容Cs1與Cs2測(cè)定

分度臺(tái)轉(zhuǎn)到270°位置時(shí)，加速度為－1gn，調(diào)節(jié)Cs1，Cs2值來確定（bias voltage），通過數(shù)據(jù)采集卡測(cè)出－1gn時(shí)加計(jì)輸出V－1g，這時(shí)對(duì)bias voltage求極值

Cs1和Cs2的取值范圍分別為 0～9．709 pF，0～1．197 pF，當(dāng)bias voltage的值在（2．25±0．05）V范圍之內(nèi)，記錄下補(bǔ)償電容Cs1，Cs2的值。

1．2．5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

最后將Cs1，Cs2，Cf3個(gè)電容值通過數(shù)據(jù)采集卡寫入MS3110的EEPROM中，實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)SF的自動(dòng)標(biāo)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在恒溫條件下，通過對(duì)電容式微加速度計(jì)SF多次自動(dòng)標(biāo)定，測(cè)得一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，從表中數(shù)據(jù)中可以得出SF 為（－66．7±3）mV/gn，bias voltage為（2．25±0．05）V。

表1 多次自動(dòng)標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab 1 Several automatic calibration data

利用最小二乘原理來取擬合直線可保證加速度計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的殘差平方和最小，擬和曲線如圖1所示，加速度計(jì)SF相對(duì)誤差為0．79%，在高鐵應(yīng)用領(lǐng)域，滿足SF標(biāo)定精度的要求。

3 結(jié)論

圖1 SF擬合直線Fig 1 Fitting straight line of SF

基于MS3110微電容檢測(cè)電路和虛擬儀器，通過三點(diǎn)靜態(tài)標(biāo)定法，對(duì)傳感器補(bǔ)償電容陣列和積分電容的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了電容式微加速度計(jì)SF的自動(dòng)標(biāo)定，并能滿足高鐵領(lǐng)域的標(biāo)定要求。但因MS3110內(nèi)部補(bǔ)償電容Cs1，Cs2只能調(diào)節(jié)0．019 pF的步進(jìn)值，所以，標(biāo)定的精度會(huì)受到一定的影響。針對(duì)這個(gè)問題，可以嘗試使用ASIC電容檢測(cè)電路，具有更小的電容調(diào)節(jié)步進(jìn)值和閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能進(jìn)一步提高標(biāo)定的精度。

［1］ 劉民杰，董景新．電容式微加速度計(jì)零偏的補(bǔ)償方法［J］．中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，16（1）:86 －89．

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