高精度低频石英挠性加速度计信号处理技术研究

发布时间：2020-10-24 10:44

　　 石英挠性加速度计是惯性导航与制导、低频振动测量和微重力隔振等领域的核心关键器件,这些应用领域对石英挠性加速度计提出了高性能、微型化、数字化的迫切要求。石英挠性加速度计的高精度信号处理是基于力矩平衡原理、采用伺服回路实现,伺服回路的性能是制约石英挠性加速度计性能提高的关键因素之一。现有技术方案中,混合集成式模拟伺服回路因集成电路工艺问题,精度较低;分立元件式伺服回路集成度低,传输电容信号、极易受寄生电容影响,实用性较低。此外,加工和装配误差会引起表头模型参数与设计值不一致,导致伺服回路控制器参数设计缺乏依据。而且,目前缺乏完善的理论模型揭示伺服回路噪声机理,伺服回路设计和优化缺乏理论依据。本论文“高精度低频石英挠性加速度计信号处理技术研究”针对上述应用需求和现有技术存在的问题,提出一种具有自适应控制能力的高精度高集成度数字化石英挠性加速度计信号处理方案,并完成了伺服回路系统的设计和研制。主要完成以下几部分工作:首先,提出了一种兼顾精度与集成度的数字化信号处理方案,将差动电容检测电路作为高精度前置电路并内置于集成表头中,将高精度信号解调与数字伺服控制电路后置,前置电路与后置电路之间传输电流信号。克服了现有方案采用电容形式传输信号时寄生电容严重影响信号质量的固有缺陷,同时提高了石英挠性加速度计的集成度。采用电流桥差动电容检测电路直接将石英摆片偏转角信息转化为与之成正比的电流信号,在理论上实现了线性传感特性。在后端电路中,采用高精度解调方法对集成表头输出信号进行解调,并引入A/D和D/A转换环节,实现了加速度计的数字化闭环伺服控制。其次,分析了石英挠性加速度计的系统模型,采用开环模型辨识方法获取表头数学模型,并依据辨识结果设计了PID控制器参数。将利用辨识结果设计的PID控制参数作为自适应PID控制算法的初始参数,由自适应控制算法将PID参数整定至最佳,最终的实验结果表明该控制策略能够实现良好的控制效果。然后,建立了完善的伺服回路噪声模型,量化分析了伺服回路中关键参数对摆片偏转角信号所携带的加性噪声的影响,并依据噪声分析结果对电路参数进行优化设计,优化后摆片偏转角信号所携带的加性噪声有效值仅为164.54μV(7)rms(8)。结合石英挠性加速度计系统的传递函数,估计出伺服回路最终输出的等效电压噪声约为84.17μV(7)rms(8)。最后,采用所研制的高性能伺服回路系统和集成表头机械结构,完成了石英挠性加速度计的集成。搭建实验系统,对传感器性能参数进行了测试实验。实验结果表明,加速度计的0g和±1g稳定性分别为25μg(1h),17μg(1h)和16μg(1h),分辨力为10μg,非线性为0.028%,偏置重复性(短期)为36μg,标度因数重复性(短期)为33ppm。采用本课题所提出的高精度高集成度数字化信号处理方法的石英挠性加速度计具有良好的性能指标和技术优势。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH824.4
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 圈、永磁体和固定电容极板构成。其中量；石英摆片作为动极板，与两个固定当加速度计检测到输入加速度时，石英起差动电容传感器两侧电容容值发生变出石英摆片的偏转角，然后利用该偏转流到力矩线圈上，在永磁体磁场的作用消的反馈力矩，推动石英摆片重新回到度的方向和大小[14]。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 英摆片、力矩线圈、永磁体和固定电容极板构成。其中，石英摆片与力同构成了检测质量；石英摆片作为动极板，与两个固定的电容极板共同动电容传感器。当加速度计检测到输入加速度时，石英摆片将在惯性力下发生偏转，引起差动电容传感器两侧电容容值发生变化。伺服回路通动电容变化测量出石英摆片的偏转角，然后利用该偏转角信息计算出反出相应的反馈电流到力矩线圈上，在永磁体磁场的作用下，力矩线圈产惯性力矩相互抵消的反馈力矩，推动石英摆片重新回到平衡位置，反馈反映了输入加速度的方向和大小[14]。 图 1-1 石英挠性加速度计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 测精度和闭环控制精度对于加速度计的精度至关重要，有必要对伺服回路技术发展现状进行调研。 1.2.2 石英挠性加速度计伺服回路技术研究现状 伺服回路是石英挠性加速度计实现闭环伺服测量的关键环节。伺服回路的动电容检测精度和闭环控制精度对石英挠性加速度计的测量精度、稳定性、线度、动态特性等性能指标起着至关重要的作用。而且，伺服回路的体积和输出号类型等因素也决定了石英挠性加速度计的实用性和兼容性。 1.2.2.1 混合集成模拟伺服回路 目前，国内石英挠性加速度计普遍采用的是 LB309 混合集成模拟伺服回路LB309 伺服回路主要由双稳压电源、差动电容-电压转换芯片 LZF15、校正补偿络和石英挠性加速度计专用集成功放 LB314 构成[24]，其特点是高度集成化、体小、质量轻。因此，LB309 可以直接安装在机械表头上，有利于提高石英挠性速度计的集成度。LB309 伺服回路的结构框图如图 1-3 所示。
【参考文献】

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本文编号：2854358