CN109828141B - 基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度电压测量方法及装置，属于电子测量仪器领域。包括了电压测量芯片及信号处理电路，电压测量芯片包括了不低于两个，通过机械耦合梁或者静电耦合连接在一起的弱耦合谐振器、电压输入电极、检测电极和驱动电极。电压信号的输入将改变电压输入电极与谐振器形成的静电负刚度，从而改变弱耦合谐振器***的总刚度，谐振器***刚度的变化会使得谐振器能量分布出现急剧失衡，作为输出的两个谐振器的幅值比会剧烈变化，因此，以两谐振器幅值比作为输出可实现超高灵敏的电压测量；输出的两个谐振器都设计有两组检测电极，可实现对于单谐振器的振幅实现差分检测，不仅可以增强信号的强度还消除由驱动电极与检测电极之间存在的电势差引起的馈通电容信号干扰，可以大幅提升测量信号的稳定性与准确度。基于谐振式电压计的测量方法可实时对待测电压信号进行连续测量并且具有较强的抗干扰能力，弥补了数字电压表显示不连续、抗干扰能力差的缺点。

Description

基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置及测量 方法

所属领域：

本发明涉及了一种高灵敏度电压测量方法及装置，属于电子测量仪器领域。

背景技术：

电压的测试在工业生产、科学研究等众多领域都有广泛的应用，并且人们对电压测量的精度要求也越来越高，作为常用的电压测量仪器，电压表的测量精度、响应速度以及稳定性等参数也影响着其实际使用效果。

传统的指针式电压表是根据电流的磁效应测量电压大小，流过导线线圈的电流越大，产生的磁力也就使得指针的偏转越大。但是电压表的表头可以通过的电流很小，允许在两端加载的电压也很小，需要给表头并联一个大电阻，做成电压表。理想情况下电压表在电路中被视为断路，但是实际上的测量精确与内阻大小有直接关系。

数字电压表通过模/数转换将测量电压值转换成数字，避免读数时的视觉误差，取得了比传统指针式电压表更为广泛的应用。但目前的数字电压需要专用的A/D转换器进行模拟信号的采样，转换器本身的精度也在很大程度上限制了数字电压表的精度，且精度和速度在一定程度上呈反比。同时，需要搭配专门的译码以及锁存电路将模拟信号转换成数字信号，使得***的外部设置和电路设计较为复杂。综上，数字电压表存在抗干扰能力差、显示不连续、转换和控制部分难以控制、精度受限等缺点。

本发明提出基于多个串联的弱耦合谐振器，其基于电荷量的计量，来测量电压。基于弱耦合谐振器的电荷分辨率与电压分辨率有如下关系

其中，R_v为电压分辨率，R_e为电荷分辨率，C电压测量芯片的敏感电容。基于弱耦合谐振器的电荷分辨率可达到单个电子级别，因此，基于弱耦合谐振器的电压分辨率可达到高灵敏度。与数字电压表相比，该发法可实时对待测电压信号进行连续测量并且具有较强的抗干扰能力。

发明内容：

本发明的目的是：基于电荷计量，提供一种高灵敏度电压测量装置和测量方法，可实现高灵敏度微弱电压信号的测量。

本发明提出了基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置，包含电压测量芯片及信号处理电路；电压测量芯片包括至少两个谐振器，具体的说，包括谐振器一301、谐振器阵列302及谐振器二303，其中谐振器阵列302可为空，谐振器阵列302中的谐振器刚度完全相同，谐振器一301和谐振器二303的刚度完全相同，谐振器一301、谐振器阵列302及谐振器二303在水平方向即谐振方向上顺序放置；在垂直方向上，每个谐振器两侧均通过一组谐振梁与水平方向的机械耦合梁304相连接，所述每组谐振梁为至少一根互相平行的垂直方向直梁，所述机械耦合梁304两端各通过一根垂直方向短梁固定于固定锚点305上，故将所述机械耦合梁304与两端的垂直方向短梁合称为“桥式耦合梁”；桥式耦合梁的刚度远小于谐振梁刚度，从而实现谐振器之间弱耦合；在谐振器一301左侧布置交流驱动电极306用于对弱耦合谐振器进行驱动，使谐振器在水平方向振动；在谐振器二303右侧布置电压输入电极307用于敏感待测电压信号，谐振器二303与电压输入电极307之间形成水平方向的刚度干扰电容308；整个***使用谐振器一301、谐振器二303作为信号输出端，因此在谐振器一301右侧上下分别布置第一检测309和第二检测310，形成谐振器一301的差分检测电极，在谐振器二303左侧上下分别布置第三检测311和第四检测312，形成谐振器二303的差分检测电极。由第一检测309、第二检测310、第三检测311和第四检测312输出的信号经信号处理电路206得到电压测量芯片最终的输出信号。

作为一种可选的方式，每个谐振器也也可以一侧通过一组谐振梁与水平方向的机械耦合梁304相连接，另一侧直接固定在锚点305上。

作为一种可选方式，桥式耦合梁304为互相分离的多段水平直梁，每段直梁使相邻两个谐振器的互相连接。

工作过程：在谐振器一301和谐振器二303施加直流电流，在交流驱动电极306施加交流电压的驱动下，弱耦合谐振器在一阶模态或二阶模态谐振频率处做同相振动或反相振动，此时谐振器一301与谐振器二303的振幅比为1或-1。当待测电压信号输入到电压输入电极307时，会改变电压输入电极307与谐振器二303之间的静电负刚度，该静电负刚度会影响谐振器二303的刚度，导致谐振器一301和谐振器二303的振幅比发生变化，通过检测振幅比的变化可以得到输入电压的大小。

本发明提出的一种高灵敏度电压测量方法，包括如下步骤：

步骤一：在电压输入电极307上施加一组电压值V_i，得到一组谐振器振幅比u_i。

步骤二：得到振幅比u_i对输入电压V_i的拟合曲线。

步骤三：将未知待测电压V₀施加在电压输入电极307上，得到一个振幅比u₀。

步骤四：将该振幅比u₀代入振幅比u_i对输入电压V_i的拟合曲线中，得到对应的电压值，该电压值即为上述未知待测电压V₀。

本发明的有益效果：该电压测量芯片包括了多个通过机械耦合梁串联在一起的谐振器、电压输入电极、检测电极和驱动电极。

本发明中每个谐振器通过桥型梁进行弱耦合，该桥型耦合梁可以释放由于加工过程中产生的轴向应力，保证了器件不受残余应力的影响。

作为输出的两个谐振器都设计有两组检测电极，可实现对谐振器的振幅实现差分检测，这种检测方法不仅可以增强信号的强度，更重要的是可以消除由驱动电极与检测电极之间存在的电势差引起的馈通电容信号干扰，可以大幅提升测量信号的稳定性与准确度。

在其中谐振器二303的一侧设计了与该谐振器有相同截面积的电压输入电极，用于敏感待测电压，充分利用了谐振器较大的截面积，增大了电压输出的灵敏度；待测电压会引起电压输入电极与谐振器之间的静电负刚度的变化，从而影响了弱耦合谐振器***的能量分布，会导致作为输出的两个谐振器的振幅不再相等，以振幅比作为输出量纲可放大电压测量芯片的灵敏度，可实现超高灵敏度的电压测量。

附图说明：

图1是多自由度弱耦合谐振器***简化模型示意图。

图2是本发明所设计的电压测量方法示意图。

图3是本发明所设计的电压测量芯片的结构示意图。

图4是本发明所设计的电压测量芯片输出信号检测电路原理图。

图5是本发明具体实施方式的电压测量芯片的结构示意图。

图6是本发明具体实施方式所得到的振幅比对电压的拟合曲线图。

图中，101为谐振器一等效模型，102谐振器阵列等效模型，103为谐振器二等效模型，104为谐振器一的刚度模型，105为谐振器一的质量模型，106为谐振器二的刚度模型，107为谐振器二的质量模型，108为连接谐振器的机械耦合梁的刚度模型，109为谐振器阵列中的谐振器的刚度模型。

201为待测电压信号，202为电压测量芯片，203为待测电压信号的输入电极，204弱耦合谐振器，205为弱耦合谐振器的输出信号，206为弱耦合谐振器输出信号的检测电路。

301为谐振器一，302为谐振器阵列，303为谐振器二，304为机械耦合梁，305为固定锚点，306为交流驱动电极，307为电压输入电极，308为谐振器二303与电压输入电极307之间形成水平方向的刚度干扰电容，309为第一检测，310为第二检测，311为第三检测，312为第四检测。

401为第一检测309的输出电流信号，402为第二检测310的输出电流信号，403为第三检测311的输出电流信号，404为第四检测312的输出电流信号，405为用于放大并转换的第一检测309输出电流信号的跨阻放大器，406为用于放大并转换的第二检测310输出电流信号的跨阻放大器，407为用于放大并转换的第三检测311输出电流信号的跨阻放大器，408为用于放大并转换的第四检测312输出电流信号的跨阻放大器，409为用于对第一检测309和第二检测310输出信号进行差分处理的运算放大器，410为用于对第三检测311和第四检测312输出信号进行差分处理的运算放大器，411为用于对谐振器一输出信号与谐振器二输出信号做比值的除法器。

501为左侧谐振器，502为中间谐振器，503为右侧谐振器，504为直流驱动电极，505为交流驱动电极，506为被测电压电极，507为左侧谐振器的第一检测电极，508为左侧谐振器的第二检测电极，509为右侧谐振器的第三检测电极，510为右侧谐振器的第四检测电极。

具体实施方式：

该实施例中的电压测量芯片以三自由度谐振器结构实施并通过检测电路进行检测，详细结构如下：该电压测量芯片包括三个谐振器，左侧谐振器501、中间谐振器502及右侧谐振器503；本实施例中，每个谐振器通过一侧的一组谐振梁与水平方向的机械耦合梁304相连接，可实现谐振器之间的弱耦合，另一侧直接固定在锚点305上；直流驱动电极504和交流驱动电极505用于输入直流和交流驱动电压，通过静电力的方式驱动谐振器在谐振频率处振动；在被测电压电极506上施加需要测量的电压；左侧谐振器的第一检测电极507和左侧谐振器的第二检测电极508形成差分检测电极，对左侧谐振器501的振幅进行差分检测；右侧谐振器的第三检测电极509和右侧谐振器的第四检测电极510形成差分检测电极，对右侧谐振器503的振幅进行差分检测；除法器411用于将左侧谐振器501的振幅差分信号和右侧谐振器503的振幅差分信号进行除法运算得到振幅比输出。

工作过程：在左侧谐振器501和右侧谐振器503施加直流电流，在交流驱动电极306施加交流电压的驱动下，弱耦合谐振器在一阶模态或二阶模态谐振频率处做同相振动或反相振动，此时左侧谐振器501和右侧谐振器503的振幅比为1或-1。当待测电压信号输入到被测电压电极506时，会改变被测电压电极506与右侧谐振器503之间的静电负刚度，电压输入后的静电负刚度为

其中，ε为介电常数，A为被测电压电极506与右侧谐振器503的正对面积，V₀为直流驱动电压，V为待测电压，g为被测电压电极506与右侧谐振器503的间距。此时左侧谐振器501和右侧谐振器503的振幅比的表达式为：

其中，k为左侧谐振器501和右侧谐振器503的刚度，k₂为中间谐振器的刚度，k_c谐振器之间的耦合梁刚度。综上所述，结合公式(2)和(3)可以求出待测电压的大小。

基于上述装置的高灵敏度电压测量方法，其解析过程为：

第一步，当有待测电压V输入时，该电压测量芯片的左侧谐振器501输出一个直流电压U_i1(i＝1.2)，右侧谐振器503输出一个直流电压U_i3(i＝1.2)，U_i1/U_i3即为两个谐振器的振幅比u_i。

第二步，将该振幅比u_i带入公式(3)，由于k、k₂、k_c均为已知参数，所以可以求得谐振器的刚度变化量Δk。

第三步，将刚度变化量Δk带入公式(2)，由于ε、A、V₀、g均为已知参数，因此可求得引起该刚度变化的待测电压值V。

在本实施例中，由于k、k₂、k_c、ε、A、V₀、g已知，经过简化可得振幅比和待测电压之间的关系为

u_i≈20.4V²+40.811V+5.324 (4)

本实施例中的一种高灵敏度电压测量方法，包括如下步骤：

步骤一：在被测电压电极506上施加10个大小不同电压值V_i，V_i在0-50mV内呈等差排列，从除法器411中得到10个不同谐振器振幅比u_i。

步骤二：通过线性拟合的方法得到不同振幅比u_i对输入电压V_i的拟合曲线，曲线图如图6所示。

步骤三：将未知待测电压V₀施加在被测电压电极506上，从除法器411得到一个振幅比u₀。

步骤四：将该振幅比u₀代入图6的拟合曲线中，得到对应的电压值，该电压值即为上述待测电压V₀。

Claims (4)

1.基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置，其特征在于，包含电压测量芯片及信号处理电路；

所述电压测量芯片包括至少两个谐振器，具体的说，包括谐振器一(301)、谐振器阵列(302)及谐振器二(303)，其中谐振器阵列(302)可为空，谐振器阵列(302)中的谐振器刚度完全相同，谐振器一(301)和谐振器二(303)的刚度完全相同，谐振器一(301)、谐振器阵列(302)及谐振器二(303)在水平方向即谐振方向上顺序放置；在垂直方向上，每个谐振器两侧均通过一组谐振梁与水平方向的机械耦合梁(304)相连接，所述每组谐振梁为至少一根互相平行的垂直方向直梁，所述机械耦合梁(304)两端各通过一根垂直方向短梁固定于固定锚点(305)上，故将所述机械耦合梁(304)与两端的垂直方向短梁合称为“桥式耦合梁”；桥式耦合梁的刚度远小于谐振梁刚度，从而实现谐振器之间弱耦合；在谐振器一(301)左侧布置交流驱动电极(306)用于对弱耦合微机械谐振器进行驱动，使谐振器在水平方向振动；在谐振器二(303)右侧布置电压输入电极(307)用于敏感待测电压信号，谐振器二(303)与电压输入电极(307)之间形成水平方向的刚度干扰电容(308)；整个***使用谐振器一(301)、谐振器二(303)作为信号输出端，因此在谐振器一(301)右侧上下分别布置第一检测(309)和第二检测(310)，形成谐振器一(301)的差分检测电极，在谐振器二(303)左侧上下分别布置第三检测311)和第四检测(312)，形成谐振器二303)的差分检测电极；由第一检测(309)、第二检测(310)、第三检测(311)和第四检测(312)输出的信号经信号处理电路(206)得到电压测量芯片最终的输出信号。

2.如权利要求1所述的基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置，其特征在于，所述每个谐振器也可以一侧通过一组谐振梁与水平方向的机械耦合梁(304)相连接，另一侧直接固定在固定锚点(305)上。

3.如权利要求1所述的基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置，其特征在于，所述桥式耦合梁为互相分离的多段水平直梁，每段直梁使相邻两个谐振器的互相连接。

4.基于如权利要求1或3之一所述装置进行高灵敏度电压测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在电压输入电极(307)上施加一组电压值V_i，得到一组谐振器振幅比u_i；

步骤二：得到振幅比u_i对电压V_i的拟合曲线；

步骤三：将未知待测电压V₀施加在电压输入电极(307)上，得到一个振幅比u₀；

步骤四：将该振幅比u₀代入振幅比u_i对电压V_i的拟合曲线中，得到对应的电压值，该电压值即为上述未知待测电压V₀。

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