發(fā)布時間：2020-08-25 15:27

【摘要】：空間靜電加速度計/空間慣性傳感器主要用于地球重力場測量、空間引力波探測、空間等效原理實驗檢驗等高精度應(yīng)用場合。高精度電容位移傳感電路作為空間慣性傳感器中的核心關(guān)鍵技術(shù),其測量精度對慣性傳感器的分辨率具有直接影響。本文針對空間引力波探測等深空探測計劃的應(yīng)用需求,對結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、高精度的充放電式電容位移傳感電路進行研究,對該電路的原理和噪聲模型進行了分析,針對方波幅值電壓與二極管開關(guān)電路所引起的主要噪聲源進行了分析,采取了相關(guān)噪聲抑制方法,顯著降低了該傳感電路的主要噪聲項。首先,本文對充放電式電容位移傳感電路的基本原理進行了介紹,同時對傳感電路中每個部分分別進行了噪聲建模和分析,其中二極管是傳感電路中的最大噪聲源,并且通過實驗驗證了二極管的噪聲模型。同時提出應(yīng)用并聯(lián)基準源方案到方波發(fā)生電路中,理論分析該方案能降低方波幅值的相對電壓噪聲,從而最終改善了傳感電路的電容分辨率。其次,對并聯(lián)基準源方案和傳感電路的相關(guān)性能進行了實際的測量。實驗數(shù)據(jù)表明,并聯(lián)基準源方案達到了降低相對電壓噪聲的目的。傳感電路靈敏度系數(shù)的標定結(jié)果在誤差范圍內(nèi)與理論預(yù)期保持一致;在0.1Hz處的電容分辨率達到2.2?10~(-7)pF/Hz~(1/2),在1Hz處達到1.5?10~(-7)pF/Hz~(1/2);傳感電路的總功耗為341mW,基本都達到了預(yù)期的需求。最后,對充放電式電容位移傳感電路多路同時工作的狀態(tài)進行理論分析和電路仿真,驗證了多路同時工作的可行性,仿真結(jié)果同理論分析保持一致。同時對傳感電路的小型化方案進行了初步設(shè)計,包含電路板布局以及元器件封裝的選擇。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TB535
【圖文】：

的功能是將電容信號的變化轉(zhuǎn)換為電壓或者電流等元件可稱為檢驗質(zhì)量，是將待測物理量（位移、振動、角容值。根據(jù)平行板電容器的物理定義可知，平行極=SCd C 的大小與 （介電常數(shù)）和 S（平行極板的有效面距）成反比關(guān)系。根據(jù)極板受到外界影響而產(chǎn)生不變面積式、變間距式三種不同類型的電容式傳感器了提高靈敏度、減小傳感元件的非線性，一般都采用并且忽略邊緣效應(yīng)來說明差分式變間距電容傳感元件

1.2.2.2 橋式檢測電路橋式檢測電路有著悠久的發(fā)展歷史和廣泛的應(yīng)用，包括實驗室中使用的阻抗分析儀[33]、微位移傳感器[34]和集成電路的電介質(zhì)測量設(shè)備[35]。到目前為止，該類型電路仍然是最準確和最穩(wěn)定的電容測量方法，Hague 和 Foord 等人對交流橋式電路的基本測量原理和設(shè)計方法進行了詳細的分析與討論[36, 37]。如圖 1.2（左）所示，四個橋臂分別由未知阻抗 Zx，參考阻抗 Zr和一個變壓器構(gòu)成，其中通過變壓器次級繞組的正弦激勵源相位相反，當電橋處于非平衡時，如下式表示： x rZ Z ( 1-4由于電橋不平衡所導(dǎo)致的圖 1.2（左）中 A 點輸出的電壓的表達式為：X R Xo sX S R Xj C C GV Vj C C C G （ - ）+（ + + ）+( 1-5

圖 1.3 基于相關(guān)調(diào)制與解調(diào)的變壓器橋式檢測電路.3 充放電式檢測電路放電式檢測電路的工作原理是：直流電壓在開關(guān)的控制下對電容進行根據(jù)充放電時形成的電流或者完成充放電時所用的時間來推算出待測對橋式檢測電路而言，充放電式電路的優(yōu)點是整體結(jié)構(gòu)簡單，沒有很器和解調(diào)器，以至功耗較低。該檢測電路的典型例子是由 Fielden 開裝置，如圖 1.4 所示。

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本文編號：2803872