本發(fā)明涉及一種用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法，屬于儀器儀表測量控制技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下輸出的一致性直接影響到其性能指標。其中，原始信號輸出中耦合的由其反應(yīng)腔內(nèi)電解液內(nèi)部溫差引起的熱動力學噪聲是影響其不同溫度下輸出一致性從而導致不同溫度下，輸出信號不一致的主要原因之一?；诜肿?電子感應(yīng)式加速度計的等效電路，建立不同溫度對其幅頻特性的影響，進而通過幅值矯正和頻域矯正進而改善其在不同溫度下的輸出一致性，對提高分子-電子感應(yīng)式加速度計的品質(zhì)有著十分積極的意義。

針對這一問題，目前國內(nèi)外本領(lǐng)域慣用解決方案僅限于對分子-電子感應(yīng)式加速度計進行進行主動(電驅(qū)動保溫機制)或被動(保溫材料)的溫度補償來提高不同溫度下分子-電子感應(yīng)式加速度計的輸出一致性，即通過控制分子-電子感應(yīng)式加速度計外部工作環(huán)境的溫度，使分子-電子感應(yīng)式加速度計工作在特定溫寬環(huán)境中，這種方法不僅局限了分子-電子感應(yīng)式加速度計的工作環(huán)境溫度范圍，同時也無法有效保證不同溫度下分子-電子感應(yīng)式加速度計輸出的一致性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法，所采取的技術(shù)方案如下：

所述溫度補償方法步驟為：

第一步：建立分子-電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型；

第二步：根據(jù)第一步所述的離子遷移模型建立分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性；

第三步：根據(jù)第二步所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性建立溫度傳感器等效電路模型；

第四步：根據(jù)第三步所述的等效電路模型確定溫度變化與溫度傳感器等效電路模型的幅頻響應(yīng)特性的對應(yīng)關(guān)系；

第五步：根據(jù)第四步所述的對應(yīng)關(guān)系建立幅頻校正環(huán)節(jié)，即幅頻校正等效電路；

第六步：根據(jù)第三步所述等效電路模型確定溫度傳感器的等效電路；根據(jù)第五步所述的幅頻校正環(huán)節(jié)確定幅頻校正等效電路；通過所述溫度傳感器的等效電路和幅頻校正等效電路建立溫度補償機制。

優(yōu)選地，利用navier-stokes方程對分子-電子感應(yīng)式加速度計的反應(yīng)腔內(nèi)電解液的離子遷移進行描述，建立第一步所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型，所述離子遷移模型結(jié)構(gòu)如下：

其中，表示離子遷移速度；t表示時間；表示為壓力；μ表示電解液粘度；ρ為電解液密度；為外界振動激勵的加速度。

優(yōu)選地，第二步所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性建立過程如下：

步驟a1：利用nernst-plank方程對分子-電子感應(yīng)式加速度計的反應(yīng)腔內(nèi)電解液的離子i^-和k⁺的遷移效應(yīng)分別進行描述：

其中，m＝d/(rt)；表示速度矢量；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的電流密度；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的離子濃度；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的傳導系數(shù)；f表示法拉第常數(shù)；r表示氣體常數(shù)，并且r＝8.314j/(kg·mol)；t表示為絕對溫度；

步驟a2：利用butler-volmer方程對對分子-電子感應(yīng)式加速度計的敏感元件上的離子濃度—電流關(guān)系進行描述：

其中，表示電極表面法向量參數(shù)；ka和kc分別表示陰、陽極的反應(yīng)常量；n表示帶電離子所帶電荷數(shù)，并且n＝1；α表示電極電子與電荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并且為α＝0.5；u表示為陰陽極之間所加的電壓；e0是電化學反應(yīng)的平衡電勢；v表示電壓；

步驟a3：利用有限元仿真軟件對步驟a1和步驟a2所述偏微分方程進行仿真求解解析，獲得電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型；

步驟a4：根據(jù)步驟a3獲得的離子遷移模型，通過計算機仿真獲得其幅頻響應(yīng)特性，進而獲得分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性。

優(yōu)選地，第三步所述溫度傳感器等效電路模型為：

優(yōu)選地，所述溫度補償方法通過對第三步所述等效電路模型進行以溫度為核心的仿真建立第四步所述溫度變化與溫度傳感器等效電路模型的幅頻響應(yīng)特性的對應(yīng)關(guān)系。

優(yōu)選地，所述溫度補償方法步驟為：

s1：利用navier-stokes方程對分子-電子感應(yīng)式加速度計的反應(yīng)腔內(nèi)電解液的離子遷移進行描述，建立所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型，所述離子遷移模型結(jié)構(gòu)如下：

其中，表示離子遷移速度；t表示時間；表示為壓力；μ表示電解液粘度；ρ為電解液密度；為外界振動激勵的加速度；

s2：首先，利用nernst-plank方程對分子-電子感應(yīng)式加速度計的反應(yīng)腔內(nèi)電解液的離子i^-和k⁺的遷移效應(yīng)分別進行描述：

其中，m＝d/(rt)；表示速度矢量；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的電流密度；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的離子濃度；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的傳導系數(shù)；f表示法拉第常數(shù)；r表示氣體常數(shù)，并且r＝8.314j/(kg·mol)；t表示為絕對溫度；

然后，利用butler-volmer方程對對分子-電子感應(yīng)式加速度計的敏感元件上的離子濃度—電流關(guān)系進行描述：

其中，表示電極表面法向量參數(shù)；ka和kc分別表示陰、陽極的反應(yīng)常量；n表示帶電離子所帶電荷數(shù)，并且n＝1；α表示電極電子與電荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并且為α＝0.5；u表示為陰陽極之間所加的電壓；e0是電化學反應(yīng)的平衡電勢；v表示電壓；

隨后，利用有限元仿真軟件對所述偏微分方程進行仿真求解解析，獲得電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型，并根據(jù)離子遷移模型，以計算機為工具，利用正弦激勵法進行仿真獲得其幅頻響應(yīng)特性，進而獲得分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性；

s3：根據(jù)s2所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性建立溫度傳感器等效電路模型；所述溫度傳感器等效電路模型為：

s4：對s3所述溫度傳感器等效電路模型進行以溫度為核心的仿真，建立溫度變化與溫度傳感器等效電路模型的幅頻響應(yīng)特性的對應(yīng)關(guān)系；

s5：根據(jù)s4所述的對應(yīng)關(guān)系建立幅頻校正環(huán)節(jié)；

s6：根據(jù)s3所述等效電路模型確定溫度傳感器的等效電路；根據(jù)s5所述的幅頻校正環(huán)節(jié)確定幅頻校正等效電路；通過所述溫度傳感器的等效電路和幅頻校正等效電路建立溫度補償機制。

本發(fā)明有益效果：

(1)本發(fā)明提出的用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法針對分子-電子感應(yīng)式加速度計內(nèi)部離子遷移及受溫度影響的原理進行分析，針對溫度變化對輸出一致性的影響根源出發(fā)，通過對分子-電子感應(yīng)式加速度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加溫度補償?shù)募夹g(shù)角度出發(fā)解決溫度變化影響分子-電子感應(yīng)式加速度計輸出不一致的問題，克服了傳統(tǒng)方法中僅從限制分子-電子感應(yīng)式加速度計外部工作環(huán)境為出發(fā)點，通過控制分子-電子感應(yīng)式加速度計外部工作環(huán)境，強制使分子-電子感應(yīng)式加速度計工作在特定溫度范圍，使其工作在輸出一致性受溫度變化較弱的小溫度范圍環(huán)境內(nèi)的這一技術(shù)偏見；

(2)本發(fā)明提出的用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法有效的降低了溫度變化對分子-電子感應(yīng)式加速度計輸出一致性的影響，在其他條件相同的情況下，使用本發(fā)明所述溫度補償方法的分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的輸出一致性(如圖8所示)相比未采用發(fā)明所述溫度補償方法的分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的輸出一致(如圖6所示)性有顯著改善；

(3)本發(fā)明提出的用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法能夠?qū)崿F(xiàn)分子-電子感應(yīng)式加速度計工作在-10℃到70℃的大溫差環(huán)境中仍能保持高輸出一致性，而傳統(tǒng)溫度補償手段導致分子-電子感應(yīng)式加速度計的工作溫度僅應(yīng)用于水下工作等環(huán)境溫度浮動較小的領(lǐng)域，由此可見，本發(fā)明提出的溫度補償方法極大程度上增加了分子-電子感應(yīng)式加速度計的工作溫寬，充分擴大了分子-電子感應(yīng)式加速度計的適應(yīng)場合和應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為分子-電子感應(yīng)式加速度計反應(yīng)腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為分子-電子感應(yīng)式加速度計的工作原理示意圖。

圖3反應(yīng)腔內(nèi)部任意時刻t離子濃度分布仿真結(jié)果。

圖4分子-電子感應(yīng)式加速度計幅頻響應(yīng)特性。

圖5分子-電子感應(yīng)式加速度計等效電路模型。

圖6分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的幅頻特性曲線。

圖7加入的幅頻矯正環(huán)節(jié)等效電路。

圖8加入的幅頻矯正環(huán)節(jié)后分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的幅頻特性曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明不受具體實施方式的限制。

分子-電子感應(yīng)式加速度計由反應(yīng)腔(m.e.t.腔)，電磁反饋補償系統(tǒng)、溫度補償系統(tǒng)、信號采集/處理電路、電源、外殼封裝等組成。其中反應(yīng)腔是分子-電子感應(yīng)式加速度計的核心部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。分子-電子感應(yīng)式加速度計通常采用單一圓柱形反應(yīng)腔體結(jié)構(gòu)，其包括電解液密封腔、電解液、電極、絕緣隔層、導線組成，而電極與絕緣隔層通常被整合封裝在同一芯片中，被稱為“電化學機理慣性敏感元件”(sensingelement，以下簡稱“敏感元件”)，是反應(yīng)腔的核心部件。

電解液密封腔1內(nèi)填充水基鹽溶液3，陽極5和陰極6安裝在電解密封液腔內(nèi)并被絕緣隔層4間隔開，電極5和6通過導線2與電解液密封腔外的信號采集/處理電路相連。其中電極5和6與絕緣隔層4封裝在一起組成敏感元件。

分子-電子感應(yīng)式加速度計的工作原理如圖2所示，當電壓v加到電極兩側(cè)，經(jīng)歷短暫的過渡時間后，電極及外部橋電路之間產(chǎn)生了恒定的電流。當反應(yīng)腔發(fā)生姿態(tài)變化，電解液隨之產(chǎn)生流動(實際情況中電解液流動的變化量非常小)，改變了電極之間帶電離子的濃度，進而在外部電路上產(chǎn)生了變化的電流，并且該電流隨著電解液流動的變化而變化。

本發(fā)明提出了一種用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法，所述溫度補償方法首先根據(jù)上述分子-電子感應(yīng)式加速度計的結(jié)構(gòu)和原理建立分子-電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型和幅頻特性，并利用所述離子遷移模型和幅頻特性建立用于采集分子-電子感應(yīng)式加速度計溫度信號的溫度傳感器等效電路模型；然后利用所述等效電路模型確定溫度變化與溫度傳感器等效電路模型的幅頻響應(yīng)特性的對應(yīng)關(guān)系，并設(shè)計相應(yīng)用于調(diào)節(jié)溫度影響的幅頻校正環(huán)節(jié)。

所述溫度補償方法步驟為：

第一步：建立分子-電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型；

第二步：根據(jù)第一步所述的離子遷移模型建立分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性；

第三步：根據(jù)第二步所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性建立溫度傳感器等效電路模型；

第四步：根據(jù)第三步所述的等效電路模型確定溫度變化與溫度傳感器等效電路模型的幅頻響應(yīng)特性的對應(yīng)關(guān)系；

第五步：根據(jù)第四步所述的對應(yīng)關(guān)系建立幅頻校正環(huán)節(jié)，即幅頻校正等效電路；

第六步：根據(jù)第三步所述等效電路模型確定溫度傳感器的等效電路，溫度傳感器的等效電路其中一種形式如圖5所示；根據(jù)第五步所述的幅頻校正環(huán)節(jié)確定幅頻校正等效電路，幅頻校正等效電路其中一種電路形式如圖7所示；通過所述溫度傳感器的等效電路和幅頻校正等效電路建立溫度補償機制。

其中，利用navier-stokes方程對分子-電子感應(yīng)式加速度計的反應(yīng)腔內(nèi)電解液的離子遷移進行描述，建立第一步所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型，所述離子遷移模型結(jié)構(gòu)如下：

其中，表示離子遷移速度；t表示時間；表示為壓力；μ表示電解液粘度；ρ為電解液密度；為外界振動激勵的加速度。

同時，第二步所述分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性建立過程如下：

步驟a1：利用nernst-plank方程讓那個對分子-電子感應(yīng)式加速度計的反應(yīng)腔內(nèi)電解液的離子i^-和k⁺的遷移效應(yīng)分別進行描述：

其中，m＝d/(rt)；表示速度矢量；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的電流密度；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的離子濃度；和分別表示電解液中離子i^-和k⁺的傳導系數(shù)；f表示法拉第常數(shù)；r表示氣體常數(shù)，并且r＝8.314j/(kg·mol)；t表示絕對溫度。

步驟a2：利用butler-volmer方程對敏感元件上的離子濃度—電流關(guān)系進行描述：

其中，表示電極表面法向量參數(shù)；ka和kc分別表示陰、陽極的反應(yīng)常量；n表示帶電離子所帶電荷數(shù)，并且n＝1；α表示電極電子與電荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并且為α＝0.5；u表示為陰陽極之間所加的電壓；e0是電化學反應(yīng)的平衡電勢；v表示電壓。

步驟a3：利用有限元仿真軟件對步驟a1和步驟a2所述偏微分方程進行仿真求解解析，獲得電子感應(yīng)式加速度計的離子遷移模型，該模型表示任意t時刻，在相同條件下(相同的水基電解液、相同的外部溫差、相同的多層電極結(jié)構(gòu))，其離子濃度分布情況，具體分布如圖3所示；

步驟a4：根據(jù)步驟a3獲得的離子遷移模型，以計算機為工具，利用正弦激勵法進行仿真獲得其幅頻響應(yīng)特性，進而獲得分子-電子感應(yīng)式加速度計的幅頻特性如圖4所示。

其中，第三步所述溫度傳感器等效電路模型為：

由分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度傳感器等效電路模型可知，溫度的變化將影響其幅頻響應(yīng)特性，即影響其不同溫度下的輸出一致性。因此，所述溫度補償方法通過對上述溫度傳感器等效電路模型進行以溫度為核心的仿真并建立第四步所述溫度變化與溫度傳感器等效電路模型的幅頻響應(yīng)特性的對應(yīng)關(guān)系。在相同條件下(相同的水基電解液、相同的外部溫差、相同的多層電極結(jié)構(gòu))，溫度變化對溫度傳感器等效電路模型的幅頻響應(yīng)特性影響的仿真結(jié)果如圖6所示。

最后，根據(jù)所述溫度傳感器等效電路模型確定溫度傳感器的等效電路；以及幅頻校正環(huán)節(jié)確定幅頻校正等效電路；通過所述溫度傳感器的等效電路和幅頻校正等效電路建立溫度補償機制。

其中，幅頻校正環(huán)節(jié)的等效電路其中之一的形式如圖7所示，加入該幅頻校正環(huán)節(jié)之后即可改善分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的幅頻響應(yīng)特性，改善后的幅頻響應(yīng)特性如圖8所示。從圖6和圖8可以清楚的看出，本發(fā)明提出的溫度補償方法可以有效改善分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的輸出一致性。本發(fā)明基于分子-電子感應(yīng)式加速度計的離子移動模型，建立用于采集溫度信號的溫度傳感器的等效電路模型，建立不同溫度對溫度傳感器等效電路模型的幅頻特性的影響，進而通過幅值矯正和頻域矯正改善其在不同溫度下的輸出一致性，克服了傳統(tǒng)溫度補償方法普遍采用的對分子-電子感應(yīng)式加速度計的反應(yīng)腔進行主動(電驅(qū)動保溫機制)或被動(保溫材料)溫度補償?shù)募夹g(shù)偏見，對提高分子-電子感應(yīng)式加速度計的品質(zhì)有著十分積極的意義。

同時，本發(fā)明提出的用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法有效的降低了溫度變化對分子-電子感應(yīng)式加速度計輸出一致性的影響，在其他條件相同的情況下，使用本發(fā)明所述溫度補償方法的分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的輸出一致性(如圖8所示)相比未采用發(fā)明所述溫度補償方法的分子-電子感應(yīng)式加速度計在不同溫度下的輸出一致(如圖6所示)性有顯著改善。更進一步的，本發(fā)明提出的用于分子-電子感應(yīng)式加速度計的溫度補償方法能夠?qū)崿F(xiàn)分子-電子感應(yīng)式加速度計工作在-10℃到70℃的大溫差環(huán)境中仍能保持高輸出一致性(如圖8所示)，而未采用本發(fā)明提出的溫度補償方法的離子-電子感應(yīng)式加速度計在在不同溫度下的輸出一致性則在不同溫度下有明顯改變(如圖6所示)，這極大限制了分子-電子感應(yīng)式加速度計的實際應(yīng)用，使其僅用于水下等等工作環(huán)境溫度變化較小的領(lǐng)域。由此可見，本發(fā)明提出的溫度補償方法極大程度上增加了分子-電子感應(yīng)式加速度計的工作溫寬，充分擴大了分子-電子感應(yīng)式加速度計的適應(yīng)場合和應(yīng)用領(lǐng)域。

雖然本發(fā)明已以較佳的實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做各種改動和修飾，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準。