石英撓性加速度計以其精度高、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。傳統(tǒng)的模擬式石英撓性加速度計通過開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字加速度信息傳給導(dǎo)航計算機的過程中易引入噪聲,導(dǎo)致性能急劇下降;現(xiàn)有的數(shù)字伺服回路技術(shù)方案都是采用表頭與伺服回路分離的方式,遠距離傳輸電容信號易受干擾。因此,高精度、高集成度、數(shù)字化輸出是石英撓性加速度傳感器發(fā)展的必然趨勢。針對上述問題,本論文在研究精度提升技術(shù)的基礎(chǔ)上兼顧集成度,設(shè)計了數(shù)字式伺服回路,并針對回路中作為噪聲主要來源的電容檢測電路進行進一步的優(yōu)化設(shè)計,最終完成加速度計樣機的研制和測試。主要研究內(nèi)容如下:1)數(shù)字閉環(huán)伺服回路方案研究與誤差分析。根據(jù)高精度加速度計的使用需求,完成電容檢測模塊、數(shù)字控制器模塊、反饋驅(qū)動模塊的方案設(shè)計,并完成數(shù)字伺服回路的電路設(shè)計及調(diào)試。理論分析各模塊誤差,并進行系統(tǒng)噪聲分級測試,確定電容檢測電路噪聲是影響系統(tǒng)精度最主要的因素。2)石英撓性加速度計電容檢測方案分析與性能對比。根據(jù)差動電容傳感器的工作特性,選取適用于石英撓性加速度計的幾種電容檢測方案進行詳細的原理介紹。建立了不同方案的噪聲模型,進行噪聲的理論推導(dǎo)和計... 

【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：93 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．２諧振法測量原理圖和輸出幅頻曲線??２００６年，曰本早稻田大學的ＴａｋａｈｉｒｏＭＡＴＳＵＯ等人設(shè)計了一種基于二極管－??

提出了?一種新型“夾層”結(jié)??構(gòu)的諧振式電容檢測法作為ＭＥＭＳ加速度計的差分電容讀取電路，兩個差分電??容分別在參數(shù)對稱的諧振單元中發(fā)生諧振，采用鎖相環(huán)作為諧振檢測器［５５］。經(jīng)測??試，平衡電容為１７ｐＦ時，分辨率可達Ｏ．ｌｆｆ，帶寬３５．７Ｈｚ。??１．２．２．３調(diào)制解調(diào)法??調(diào)制解調(diào)型電容檢測電路是一種交流橋式檢測電路，一般分為雙載波調(diào)制解??調(diào)型電路和單載波調(diào)制解調(diào)型電路１５？５８］。??Ｉ＿＿Ｉ?＝?＾??ａ）雙載波調(diào)制解調(diào)型電路?ｂ＞單載波調(diào)制解調(diào)型電路??圖１．３調(diào)制解調(diào)型檢測電路??雙載波調(diào)制解調(diào)型電路的測量原理如圖１．３?ａ）所示。將兩路幅值相同、頻率??相同、相位相反的高頻載波接到差分電容對的兩端，將電容變化調(diào)制到載波信號??幅度上去。該方案電路設(shè)計簡單，但要求載波信號的嚴格對稱，在實際工程設(shè)計??中實現(xiàn)難度較大１５＜Ｍ１］。??單載波調(diào)制解調(diào)型電路的測量原理如圖１．３?ｂ）所示。將一路高頻載波接入差??分電容對的中間抽頭，兩個定極板則接到兩路完全對稱的檢流器上，同樣完成電??容信號的幅度調(diào)制。該方案只需單一載波，雖然要求兩路檢流器嚴格對稱，但－??般選取一片雙運放芯片能較容易地滿足對稱性需求，因而更具有可行性１６２］。??２００１年，美國Ｉｒｖｉｎｅ?Ｓｅｎｓｏｒｓ公司研制的ＭＳ３１１０電容讀取芯片是一■款基于??雙載波調(diào)制解調(diào)方案的可編程集成芯片｜Ｗ｜。該芯片可工作在單電容測量或差分??電容測量模式，片內(nèi)集成虛擬電容，用于初始校準或差分電容的微調(diào)。電容測量??范圍為０．２ｐＦ？１０ｐＦ，分辨率可達４ａＦ／ＶＳ＾。??２０１８年，哈爾濱工業(yè)大學的周子坤提出了?一種基于單載波調(diào)制解調(diào)型

位論文???用的大多數(shù)單載波調(diào)制解調(diào)方案不同，由于電流信號在長距離傳輸過程中抗干擾??能力更強，該方案將微小電容轉(zhuǎn)換為電流信號而不是電壓信號。經(jīng)測試，擺片偏??轉(zhuǎn)角信號所攜帶的加性噪聲有效值為１６４．５４ｐＶ（ＲＭＳ），伺服回路輸出等效電壓噪??聲約為８４．１７ｎＶ（ＲＭＳ），零偏穩(wěn)定性為２５嗎（ｌｈ），分辨力為ｌＯｊｉｇ。??１．２．２．４開關(guān)電容法??開關(guān)型電容檢測法本質(zhì)上是一種充放電式檢測方法，主要由高速模擬開關(guān)、??電荷放大電路、采樣保持跟隨器等部分組成，測量電路結(jié)構(gòu)圖如圖１．４所示。兩??路同頻、反相的時鐘信號控制一對模擬開關(guān)組，對Ｇ、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ／進行循環(huán)充放??電，將Ｃｉ、的電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量［６５＿７（）］。??＋?Ｖｒｅ／°??Ｔ￣￣＾｜?｜??￣??５４?ｃ＇?ｃｆ??Ａ?－Ｈｈ－???￣Ｖ，ｒ〇￣￣５。￣￣Ｔ——１１￣￣??丄?ＪＬ?Ｘ?３??圖１．４開關(guān)型檢測電路??２０１２年，芬蘭阿爾托大學的ＹｕｃｅｔａｓＭ等人設(shè)計了?一種混合接口拓撲的??ＭＥＭＳ伺服電路，采用自平衡電橋（Ｓｅｌｆ－Ｂａｌａｎｃｉｎｇ?Ｂｒｉｄｇｅ，?ＳＢＢ）方案設(shè)計電容檢??測讀取模塊，結(jié)合ＡＤ轉(zhuǎn)換器，可以獲得低電源靈敏度的數(shù)字輸出［７１］。傳感器的??噪聲下限約為帶寬２００Ｈｚ，最大直流非線性度小于１．３％。??２０１５年，西安電子科技大學的李騰提出一種具有連續(xù)可變分辨率的開關(guān)型電??容檢測方法，在傳感器電容跨度達到１００倍的情況下始終保持０．０３％的相對分辨??率，同時測量誤差始終小于５％［７２］。??１．２．２．５?小結(jié)??電容式加速度計讀出電路的優(yōu)化方向本質(zhì)上是電容式微位移測量電路的優(yōu)?

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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[3]加速度傳感器數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)設(shè)計[D]. 陳大志.西南科技大學 2016
[4]基于振動分析的石英撓性加速度計辨識研究[D]. 孫飛.西南科技大學 2016
[5]基于石英加速度傳感器的加速度測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 郁然.哈爾濱工程大學 2016
[6]具有連續(xù)可變分辨率的電容傳感器電容差檢測方法研究[D]. 李騰.西安電子科技大學 2015
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[8]電容式加速度傳感器檢測電路的設(shè)計與研究[D]. 孫杰.復(fù)旦大學 2013
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[10]石英撓性加速度計力矩器熱磁耦合仿真與試驗研究[D]. 唐永超.國防科學技術(shù)大學 2012



本文編號：3066534