發(fā)布時(shí)間：2016-11-23 13:25

  本文關(guān)鍵詞：高精度電容式微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《浙江大學(xué)》 2011年

高精度電容式數(shù)字化微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張斌  

【摘要】：微機(jī)械加速度計(jì)由微機(jī)械加速度傳感器與外圍檢測(cè)電路兩部分組成。微機(jī)械加速度傳感器是微機(jī)械加速度計(jì)最核心的部分,對(duì)加速度計(jì)的性能起著關(guān)鍵作用。微機(jī)械加速度傳感器是用來測(cè)量線加速度慣性傳感器件,可以應(yīng)用于慣性力、傾斜角、振動(dòng)及沖擊等慣性參數(shù)的測(cè)量。微機(jī)械加速度計(jì)在慣性制導(dǎo)、汽車、消費(fèi)電子、、地質(zhì)等方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景。 電容檢測(cè)式微機(jī)械加速度計(jì)具有較高的靈敏度、較好的線性度和以及較好的穩(wěn)定性,因此在多種檢測(cè)形式的加速度計(jì)中備受關(guān)注。電容檢測(cè)式微機(jī)械加速度計(jì)包括電容式微機(jī)械傳感芯片以及電容檢測(cè)電路,在微機(jī)械傳感器確定的基礎(chǔ)上,電容檢測(cè)電路的性能就直接決定了加速度計(jì)系統(tǒng)的最終輸出性能。本文針對(duì)變面積電容檢測(cè)式微機(jī)械加速度傳感器,設(shè)計(jì)了高精度、大量程的單路載波調(diào)制型檢測(cè)電路,同時(shí)為了更好的了解整個(gè)系統(tǒng)的工作過程,本文也簡(jiǎn)要分析了加速度傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)靈敏度、分辨率等性能指標(biāo)的影響。本文主要圍繞著提高微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的分辨率、擴(kuò)大其量程以及改善其穩(wěn)定性這些研究?jī)?nèi)容,為高精度、大量程的電容式微機(jī)械加速度傳感器以及外圍電容檢測(cè)電路的合理設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)以及相應(yīng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)其今后的實(shí)用化、工程化具有一定參考意義。 本論文主要工作包括以下內(nèi)容： (1)針對(duì)高精度、大量程的電容式微機(jī)械加速度計(jì),設(shè)計(jì)了電容檢測(cè)電路。通過對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)的整體與各個(gè)組成部分的噪聲性能的分析,提出了將系統(tǒng)增益前移,選擇更優(yōu)的低噪聲芯片,將模擬帶通濾波器改為數(shù)字帶通濾波器等方法,提高了系統(tǒng)的分辨率。通過對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)的整體與各個(gè)組成部分對(duì)量程限制的分析,并根據(jù)使用過程中,在較大加速度輸入時(shí),分辨率可以適當(dāng)降低的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了量程分檔的電路方案,既可以保證加速度計(jì)系統(tǒng)擁有大量程,也可以保證加速度計(jì)系統(tǒng)在相對(duì)較小加速度輸入的情況下?lián)碛泻芨叩姆直媛省? (2)針對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)受溫度影響較大的特點(diǎn),為提高加速度計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度,提出了兩種改善加速度計(jì)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的方法,一種是采用軟件的方法在FPGA內(nèi)對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)的進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償；另一種是制作高精度的控溫裝置,對(duì)加速度傳感器進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制。針對(duì)上述兩種方法都需要溫度采集電路,為了獲得更高精度的加速度計(jì)系統(tǒng),本文選擇了分辨率高的溫度采集電路。另外針對(duì)速度計(jì)系統(tǒng)的處理電路的溫度特性,提出了對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)的處理電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)囊环N新方法。 (3)針對(duì)各種改善方案,對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試表明,本設(shè)計(jì)的開環(huán)加速度計(jì)系統(tǒng)的分辨率為0.70μg/√Hz,并且在較佳的溫度穩(wěn)定性的情況下,對(duì)該設(shè)計(jì)的加速度計(jì)系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,1.5小時(shí)內(nèi)的零漂約為20μg,10分鐘的零漂約為14μg。采用實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,在加速度計(jì)系統(tǒng)溫度特性擬合曲線與實(shí)際所測(cè)的數(shù)據(jù)吻合性較好以及自身的溫度系數(shù)相對(duì)較小的情況下,在25℃-60℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)加速度計(jì)系統(tǒng)的零偏波動(dòng)由補(bǔ)償前30.5mg變?yōu)檠a(bǔ)償后的0.91mg。另外通過測(cè)量證明了對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制方案的可行性以及對(duì)加速度計(jì)處理電路的溫度補(bǔ)償?shù)谋匾浴?/p>

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TH824.4
【目錄】：

摘要5-7

ABSTRACT7-11

第1章 緒論11-25

1.1 MEMS加速度計(jì)概述11-16

1.1.1 MEMS加速度計(jì)的分類11-13

1.1.2 MEMS加速度傳感器基本工作原理13-16

1.2 電容檢測(cè)式微機(jī)械加速度計(jì)16-19

1.2.1 變間距式電容微機(jī)械加速度傳感器16-18

1.2.2 變面積式電容微機(jī)械加速度傳感器18-19

1.3 微機(jī)械加速度計(jì)的研究現(xiàn)狀19-23

1.4 本論文的主要內(nèi)容和研究意義23-25

第2章 高精度電容式微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)25-58

2.1 數(shù)字式電容檢測(cè)加速度計(jì)系統(tǒng)原理與組成25-28

2.2 數(shù)字載波的產(chǎn)生28-33

2.2.1 數(shù)字載波屬性的選擇28-30

2.2.2 CORDIC算法的原理與結(jié)構(gòu)30-33

2.2.3 數(shù)字載波的性能33

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口33-36

2.3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口的結(jié)構(gòu)33-34

2.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口的噪聲性能分析34-36

2.4 前級(jí)濾波放大模塊36-38

2.4.1 前級(jí)濾波放大模塊的電路結(jié)構(gòu)36-37

2.4.2 前級(jí)濾波放大模塊的噪聲性能37-38

2.5 電容式微機(jī)械加速度傳感器38-41

2.5.1 加速度傳感器結(jié)構(gòu)38-40

2.5.2 加速度傳感器的機(jī)械熱噪聲40-41

2.6 差分放大模塊41-46

2.6.1 差分放大模塊的電路結(jié)構(gòu)41-44

2.6.2 差分放大模塊的噪聲性能分析44-46

2.7 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口46-50

2.7.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作原理46-47

2.7.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的模擬部分噪聲分析47-48

2.7.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化噪聲分析48-49

2.7.4 過采樣49-50

2.8 解調(diào)模塊50-51

2.9 自動(dòng)相位控制系統(tǒng)51-54

2.10 加速度計(jì)系統(tǒng)整體噪聲特性分析54-55

2.11 加速度計(jì)系統(tǒng)量程分析55-58

第3章 高精度微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性分析58-75

3.1 加速度計(jì)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的分析58-61

3.2 改善加速度計(jì)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的方法61-75

3.2.1 實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償61-64

3.2.2 高精度溫度傳感裝置64-67

3.2.3 處理電路的溫度補(bǔ)償67-75

第4章 高精度電容式微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)測(cè)試75-88

4.1 噪聲性能測(cè)試75-82

4.2 穩(wěn)定性測(cè)試82-83

4.3 溫度特性測(cè)試83-88

4.3.1 溫度補(bǔ)償測(cè)試83-87

4.3.2 高精度溫度控制下的加速度計(jì)系統(tǒng)測(cè)試87-88

第5章 總結(jié)與展望88-91

參考文獻(xiàn)91-96

作者簡(jiǎn)歷及在學(xué)期間所取得的科研成果96-97

致謝97

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3 王雷;數(shù)字智能三分量力平衡加速度傳感器研究[D];中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所;2012年

4 曾楠;光纖加速度傳感器若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];清華大學(xué);2005年

5 吳宇;微納光纖環(huán)MOEMS加速度傳感器理論與應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2008年

6 劉恒;靜電剛度諧振式微加速度計(jì)相關(guān)技術(shù)研究[D];重慶大學(xué);2011年

7 薛洋;基于單個(gè)加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別[D];華南理工大學(xué);2011年

8 多新中;硅中H～+，He～+離子注入引起的物理效應(yīng)與SOI高加速度傳感器的研制[D];中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所;2001年

9 吳浩中;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在擺式列車傾擺控制系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用研究[D];西南交通大學(xué);2002年

10 席占穩(wěn);MEMS傳感器及在引信中的應(yīng)用研究[D];南京理工大學(xué);2003年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張斌;高精度電容式數(shù)字化微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D];浙江大學(xué);2011年

2 朱忠益;小型化高精度數(shù)字式微機(jī)械加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];浙江大學(xué);2013年

3 許樂;高精度電容式微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D];浙江大學(xué);2010年

4 王艷萍;微機(jī)械電容式加速度計(jì)檢測(cè)電路的研究[D];吉林大學(xué);2010年

5 姜巍;基于連續(xù)時(shí)間反饋原理的閉環(huán)加速度計(jì)ASIC設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

6 陳大雄;光纖Bragg光柵加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性的研究[D];武漢理工大學(xué);2004年

7 馬惠鋮;聲表面波加速度傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];西安科技大學(xué);2010年

8 劉曉祥;基于加速度傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的研究[D];吉林大學(xué);2011年

9 陳光炎;真空微電子加速度傳感器的研究[D];重慶大學(xué);2002年

10 程保羅;新型體微機(jī)械工藝制造高性能加速度傳感器的研究[D];浙江大學(xué);2004年

  本文關(guān)鍵詞：高精度電容式微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：188338