چکیده MEMS:

High-G MEMS شتاب سنج ، عموما برای اندازه گیری حرکتی در برخی زمینه های مخصوص استفاده میشود مثل projectile penetration و تجهیزات موشک. این مقاله رفع سطح نویز و رفع نویز پکیج موجک را در تحلیل موج بررسی میکند که برای شتاب سنج های High-G piezoresistive مناسب است. این مقاله از تجزیه تطبیقی و Shannon entropy criterion  جهت یافتن لایه بهینه تجزیه شده و درخت بهینه را به کار میبرد. تحلیل عددی و تست machete hammer , نویز زدایی سطح موج برای کالیبراسیون دینامیکی یک High-G acceleromete مناسب است.

packet wavelet threshold denoising  برای استخراج پارامتر ها از فاز نوسانی بهتر است.

. کلید واژه ها: شتاب سنج MEMS   ، کالیبراسیون با سطح G بالا ، کاهش نویز , کاهش نویز پکیج ,کاهش نویز موج

'intelCo'

معرفی:

همزمان با ارتقا سطح توسعه MEMS  ها , دقت ماشینی هم افزایش میاید. شتاب سنج های میکرو ماشین های سیلیکونی به میزان عمده ای در تجهیزات الکتریکی و موشک ها و … استفاده میشوند. با توجه به هزینه ساخت کم آنها ، وزن سبک و مصرف انرژی کم انها همواره مورد توجه هستند.

برخی ازین شتاب سنج ها میتوانند برای اندازه گیری لرزه ای و تست های برخورد امن و تجهیزات مرتبط با انرژی هسته ای و دریایی و تجهیزات موشکی و … که نیاز به شتاب بالای 106 m/S2 دارند را درحرکت های سطح میکرو استفاده شوند. این گونه شتاب سنج ها برای مقاصد نظامی و برخی تست ها در شرایط اب و هوایی خاص پشتیبانی مناسبی دارند. اگرچه شتاب سنج های MEMSارور های بزرگی را برای زمانیکه به عنوان سیستم های اندازه گیری لرزش به کار میروند دارند که کاربرد آن ها را کم میکند و نسبتا نویز یا لایی را در سیگنال خروجی دارند.

نویز رزولوشن اندازه گیری را محدود میکند و به هین علت این این سنسور ها نمیتوانند در ابزار هایی که نیازمند تشخیص زیاد هستند به کار رود. . در یک زمان مشابه با توجه به خروجی کوچک سنسور های شتاب سنج با سطح g بالا نویز تاثیر مهمی بر عملکرد آن ها دارد. این نتایج در سنسور های شتاب سنجی که دامنه وسیعی دارند غالبا به دلیل تکرار و پیوستگی مطلوب نیستند.

الگوریتم:

نویز زدایی سطح موجی را میتوان روش تابع سطح نیز نامید. با استفاده از مشخصه چند بعدی تحلیل موج ، سیگنال توسط موجک تجزیه میشود. توابع متفاوت سطحی برای تخمین اینکه در کجا یک سیگنال موجک متشکل از لایه های متفاوت از نوع نویز هستند استفاده میشود.  ضرایب موجک مرتبط با نویز به طور مستقیم صفر میشوند(با استفاده از تابع سطح سخت) یا مقادیر مرتبط برای لایه ها با شماره های مختلف در نظر گرفته میشوند (تابع سطح نرم) .

از این طریق پروسه رفع نویز به کار گرفته میشود. انتخاب سطح موج ، بر روی تعداد لایه های تجزیه سطوح دارد و همچنین مقدار سطح تاثیر زیادی روی رفع نویز دارد. سطوح متعدد تجزیه بسیار زیاد ، منجر به از دست رفتن اطلاعات و کاهش نسبت سیگنال به نویز و افزایش سختی محاسبات میشود. اگر تعداد لایه های تجزینه کم باشد تاثیر کاهش نویز مشهود نمیشود. انتخاب سطح به طور مستقیم اینکه کجا سیگنال مناسب میتواند به طور موثر از سیگنال اصلی جدا شود را تخمین میزند. به همین علت این بخش الگوریتم تجزیه سطح و تابع سطح را بکار میبریم.

شتاب سنج High-G MEMS:

در اینجا ما یک شتاب سنج High-G MEMS را درنظر گرفتیم که به طور مستقل توسط ازمایشگاه

Science and Technology on Electronic Test & Measurement The برای آزمایش توسعه یافته است. پارامترهای ساختاری این نوع شتاب سنج از یک ساختار نوری چهار کنسولی همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است استفاده میکند. تحلیل لرزش بر اساس تئوری Timoshenko  استفاده میکند و علکرد شتاب روی جرم برای فهم تغییر مقدار مقاومت روی . cantilever beam است.

ساختار و اندازه شتاب سنج  'MEMS'

 شکل 1: ساختار و اندازه شتاب سنج  MEMS

 این نوع شتاب سنح از نرم افزار ANSYS  جهت تحلیل مدال استفاده میکند. اولین مد، مد mass workingاست. دومین مد around moving mass است که در جهت محور xاست. مد سوم همین مد است که در جهت محور yمی چرخد و مد نهایی هم در جهت محور zاست. فرکانس مشحص لرزش هر مد در جدول1  نشان داده شده است. ( MEMS )

Table1

 

"Table1"

‘Table1’

جدول 1 فرکانس رزونانس را در چهار مد نشان میدهد. مدهای 4- 3- 2 -1 ، فرکانس های رزونانسشان 671، 667، 408، kHz  1119 هستند.

پروسه HGMA :

پروسه HGMA در شکل  2 نشان داده شده است که شامل پروسه جریان سیلیکون و فلوی شیشه است. ویفر اکسید شده دو طرفه نوع N با ضخامت 350 میکرو متر به عنوان ماده زیرین در نظر گرفته شده است . در شکل 2(2) بخش های p با غلظت 4*1014  سانتی متر مربع بر روی سطح سیلیکونی قرار داده شدند.

پروسه 'HGMA'

تحلیل تجربی :

شبیه سازی:

برای مقایسه بهتر این دو روش..یک سیگنال شوک با پهنای پالس 30 microsecond  درتحلیل های عددی ایجاد شد. در ازمایشگاه منبع نویز یک مدار نویز و یک نویز گاوس است. به همین علت سیگنال الوده شده با نویز S تنظیم میشود. ( MEMS )

S= i + i(e) + i(g)

کهi(e) بدست آمده از وسیله آزمایشی تحت موقعیت استاتیک سنسور است.i(g)   نویز سفید گاوس که از شبیه سازی های عددی بدست آمده است ، و سیگنال اصلی توسط superposition سیگنال تعیین میشود .برای مقایسه تاثیر تجزیه موجک و فیلتر پایین گذر ، در اینجا از فیلتر پایین گذر مرتبه هشتم butterworthاستفاده میکنم ، برای جلوگری از کاهش دامنه پیک اصلی  و همچنین فرکانس قطع فیلتر روی 250 KHz تنظیم شد. موجک sym8 و پکیج موجک با نویز زدایی سطح موجک و نویز زدایی پکیچ موجک مقایسه شد. نتایج در شکل 3 نشان داده شده است:

موجک sym8 و پکیج موجک با نویز زدایی سطح موجک و نویز زدایی پکیچ موجک مقایسه شد.

توضیحات شکل 3:

a : نویز زدایی سطح موجک برای سیگنال ساخت

b : نویز زدایی سطح بسته پکیج موجک برای سیگنال ساخت

c : فیلتر پایین گذر برای سیگنال ساخت

میتوان استنباط کرد که قبل و بعد از نویز زدایی از موجک و فیلترینگ پایین گذر مشهود است که از نویز زدایی پکیج سطح بهتر است. در یک زمان مشابه شکل موج دوباره ساخته شده ، پس از نویز زدایی سطج موجک مسطح تر شده و اندازه در برخی سطوح افزایش یافته است.

کالیبراسیون استاتیک:

برای مقایسه تاثیر دو روش نویز زدایی روی کالیبراسیون شتاب سنج های High-G ، کالیبراسیون شبه استاتیک برای سنجیدن میزان حساسیت و spectrum سنسور مورد استفاده قرار گرفت. سنسور مرجع  Endevco 2225 A بود که در شکل 4 نشان داده شده است. میانگین حساسیت که توسط fitting linear سیگنال اصلی و سیگنال نویز زدایی شده محاسبه شده است. تخمین منحنی در شکل 5 نشان داده شده است.

منحنی بدست آمده کالیراسیون و مرجع 'Endevco 2225 A'

شکل 4. منحنی بدست آمده کالیراسیون و مرجع Endevco 2225 A (در نمودار بالا سمت راست)

شکل 5. تخمین منحنی (نمودار پایین در عکس)

جمع بندی:

بطور کلی دو روش مناسب نویز زدایی که برای سنسور HGMA ارایه شد. نویز زدایی سطح موجک و نویز زدایی سطح پکیج. روش تخمین بایاس نشدن stein به عنوان تابع سطح مورد استفاده قرار گرفت و سطح نرم برای نویز زدایی سیگنال Machete hammer  مورد استفاده قرار گرفت.

روش نویز زدایی سطج موجک از adaptive layering استفاده میکند و روش نویز زدایی سطح پکیج موجک از Shannon criterion  برای جستجوی درختی بهینه استفاده میکند. در مقایسه با روش های نویز زدایی امروزه مثل روش EMD و LMD روش به کار گرفته شده یک بالانس را میان تاثیر نویز زدایی و signal fidelity  ایجاد میکند. در مورد کالیبراسیون دینامیک نویز زدایی سطح موجک میتواند سیگنال را بدون تغییر عرض سیگنال پالس تعییر دهد که برای کالیبراسیون سنسور مفید است. نویز زدایی پکیج موجک یک SNR بالاتر دارد و برای پارامتر های مورد مطالعه مثل تاثیر سنسور صاحب پکیج بر روی نوسان متعاقب آن بهتر است.

Sensors | Free Full-Text | Calibration Analysis of High-G MEMS Accelerometer Sensor Based on Wavelet and Wavelet Packet Denoising (mdpi.com)

:references

(Shi, Zhang et al. 2021)

Shi, Y., et al. (2021). “Calibration analysis of high-G MEMS accelerometer sensor based on wavelet and wavelet packet denoising.” Sensors 21(4): 1231.

Shi, Y.; Wen, X.; Zhao, Y.; Zhao, R.; Cao, H.; Liu, J. Investigation and experiment of high shock packaging technology for High-G MEMS accelerometer. IEEE Sens. J. 2020, 1. [CrossRef]

Cao, H.; Zhang, Z.; Zheng, Y.; Guo, H.; Zhao, R.; Shi, Y.; Chou, X. A New joint denoising algorithm for High-G calibration of MEMS accelerometer based on VMD-PE-wavelet threshold. Shock Vib. 2021, 2021, 1–16. [CrossRef]

Lu, Q.; Shen, C.; Cao, H.; Shi, Y.; Liu, Y. Fusion algorithm-based temperature compensation method for High-G MEMS accelerometer. Shock Vib. 2019, 2019, 3154845. [CrossRef]

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.