石英挠性加速度计精度提升关键技术研究
发布时间：2021-03-06 05:40
石英挠性加速度计以其精度高、体积小、稳定性好等优点被广泛应用在高精度惯性导航领域。传统的模拟式石英挠性加速度计通过开环模数转换电路将数字加速度信息传给导航计算机的过程中易引入噪声,导致性能急剧下降;现有的数字伺服回路技术方案都是采用表头与伺服回路分离的方式,远距离传输电容信号易受干扰。因此,高精度、高集成度、数字化输出是石英挠性加速度传感器发展的必然趋势。针对上述问题,本论文在研究精度提升技术的基础上兼顾集成度,设计了数字式伺服回路,并针对回路中作为噪声主要来源的电容检测电路进行进一步的优化设计,最终完成加速度计样机的研制和测试。主要研究内容如下:1)数字闭环伺服回路方案研究与误差分析。根据高精度加速度计的使用需求,完成电容检测模块、数字控制器模块、反馈驱动模块的方案设计,并完成数字伺服回路的电路设计及调试。理论分析各模块误差,并进行系统噪声分级测试,确定电容检测电路噪声是影响系统精度最主要的因素。2)石英挠性加速度计电容检测方案分析与性能对比。根据差动电容传感器的工作特性,选取适用于石英挠性加速度计的几种电容检测方案进行详细的原理介绍。建立了不同方案的噪声模型,进行噪声的理论推导和计...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２谐振法测量原理图和输出幅频曲线??２００６年，曰本早稻田大学的ＴａｋａｈｉｒｏＭＡＴＳＵＯ等人设计了一种基于二极管－??
提出了?一种新型“夹层”结??构的谐振式电容检测法作为ＭＥＭＳ加速度计的差分电容读取电路，两个差分电??容分别在参数对称的谐振单元中发生谐振，采用锁相环作为谐振检测器［５５］。经测??试，平衡电容为１７ｐＦ时，分辨率可达Ｏ．ｌｆｆ，带宽３５．７Ｈｚ。??１．２．２．３调制解调法??调制解调型电容检测电路是一种交流桥式检测电路，一般分为双载波调制解??调型电路和单载波调制解调型电路１５？５８］。??Ｉ＿＿Ｉ?＝?＾??ａ）双载波调制解调型电路?ｂ＞单载波调制解调型电路??图１．３调制解调型检测电路??双载波调制解调型电路的测量原理如图１．３?ａ）所示。将两路幅值相同、频率??相同、相位相反的高频载波接到差分电容对的两端，将电容变化调制到载波信号??幅度上去。该方案电路设计简单，但要求载波信号的严格对称，在实际工程设计??中实现难度较大１５＜Ｍ１］。??单载波调制解调型电路的测量原理如图１．３?ｂ）所示。将一路高频载波接入差??分电容对的中间抽头，两个定极板则接到两路完全对称的检流器上，同样完成电??容信号的幅度调制。该方案只需单一载波，虽然要求两路检流器严格对称，但－??般选取一片双运放芯片能较容易地满足对称性需求，因而更具有可行性１６２］。??２００１年，美国Ｉｒｖｉｎｅ?Ｓｅｎｓｏｒｓ公司研制的ＭＳ３１１０电容读取芯片是一■款基于??双载波调制解调方案的可编程集成芯片｜Ｗ｜。该芯片可工作在单电容测量或差分??电容测量模式，片内集成虚拟电容，用于初始校准或差分电容的微调。电容测量??范围为０．２ｐＦ？１０ｐＦ，分辨率可达４ａＦ／ＶＳ＾。??２０１８年，哈尔滨工业大学的周子坤提出了?一种基于单载波调制解调型
位论文???用的大多数单载波调制解调方案不同，由于电流信号在长距离传输过程中抗干扰??能力更强，该方案将微小电容转换为电流信号而不是电压信号。经测试，摆片偏??转角信号所携带的加性噪声有效值为１６４．５４ｐＶ（ＲＭＳ），伺服回路输出等效电压噪??声约为８４．１７ｎＶ（ＲＭＳ），零偏稳定性为２５吗（ｌｈ），分辨力为ｌＯｊｉｇ。??１．２．２．４开关电容法??开关型电容检测法本质上是一种充放电式检测方法，主要由高速模拟开关、??电荷放大电路、采样保持跟随器等部分组成，测量电路结构图如图１．４所示。两??路同频、反相的时钟信号控制一对模拟开关组，对Ｇ、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ／进行循环充放??电，将Ｃｉ、的电容变化量转换为电压变化量［６５＿７（）］。??＋?Ｖｒｅ／°??Ｔ￣￣＾｜?｜??￣??５４?ｃ＇?ｃｆ??Ａ?－Ｈｈ－???￣Ｖ，ｒ〇￣￣５。￣￣Ｔ——１１￣￣??丄?ＪＬ?Ｘ?３??图１．４开关型检测电路??２０１２年，芬兰阿尔托大学的ＹｕｃｅｔａｓＭ等人设计了?一种混合接口拓扑的??ＭＥＭＳ伺服电路，采用自平衡电桥（Ｓｅｌｆ－Ｂａｌａｎｃｉｎｇ?Ｂｒｉｄｇｅ，?ＳＢＢ）方案设计电容检??测读取模块，结合ＡＤ转换器，可以获得低电源灵敏度的数字输出［７１］。传感器的??噪声下限约为带宽２００Ｈｚ，最大直流非线性度小于１．３％。??２０１５年，西安电子科技大学的李腾提出一种具有连续可变分辨率的开关型电??容检测方法，在传感器电容跨度达到１００倍的情况下始终保持０．０３％的相对分辨??率，同时测量误差始终小于５％［７２］。??１．２．２．５?小结??电容式加速度计读出电路的优化方向本质上是电容式微位移测量电路的优?
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英挠性加速度计表头力矩器噪声模型研究[J]. 刚煜,王永建,赵鹏,贺慧勇,唐立军. 传感器与微系统. 2018(03)
[2]一种弹性胶粘剂在石英加速度计中的应用[J]. 郭祎,李纳,祝汉岐,章培成. 导航与控制. 2017(04)
[3]基于FPGA的二元脉冲调宽力反馈电路[J]. 王永彤,朱志刚,张沛晗,王龙. 导航与控制. 2017(02)
[4]石英挠性加速度计数字闭环检测电路噪声研究[J]. 张声艳,刘冬,冯忠伟,陈玉坤. 微型机与应用. 2016(21)
[5]加速度计静态模型的辨识[J]. 董雪明,代洁,杨海龙,陈维. 计测技术. 2016(S1)
[6]石英挠性加速度计数字闭环控制研究[J]. 朱海燕,叶凌云,彭皓岚,马才伟. 传感器与微系统. 2015(08)
[7]石英挠性加速度计输出噪声特性分析[J]. 侯文超,刘晓东,吴畏,王得信. 舰船电子工程. 2015(03)
[8]铍材在高精度石英挠性加速度计上的应用[J]. 王晓东,宋雪杰,章培成,常江. 导弹与航天运载技术. 2015(01)
[9]全数字挠性加速度计加矩设计与读出精度分析[J]. 文一青,贺慧勇,唐立军,赵丹,王燕,商梅雪,刘文,曾鹏飞. 机电工程. 2014(08)
[10]适用于高精度惯性平台系统的精密加矩电路设计与实现[J]. 张艳霞,高桂杰,李洪伟,王二伟. 导航与控制. 2014 (04)
博士论文
[1]谐振式传感器输出信号的高分辨率测量技术研究[D]. 张伟玉.天津大学 2013
[2]静电刚度谐振式微加速度计相关技术研究[D]. 刘恒.重庆大学 2011
硕士论文
[1]高精度低频石英挠性加速度计信号处理技术研究[D]. 周子坤.哈尔滨工业大学 2018
[2]高精度全数字式超低频石英挠性加速度计研制[D]. 姜宏蕾.哈尔滨工业大学 2016
[3]加速度传感器数据处理与分析系统设计[D]. 陈大志.西南科技大学 2016
[4]基于振动分析的石英挠性加速度计辨识研究[D]. 孙飞.西南科技大学 2016
[5]基于石英加速度传感器的加速度测量系统关键技术研究[D]. 郁然.哈尔滨工程大学 2016
[6]具有连续可变分辨率的电容传感器电容差检测方法研究[D]. 李腾.西安电子科技大学 2015
[7]石英挠性加速度计参数估计与误差补偿研究[D]. 廖玲.西南科技大学 2015
[8]电容式加速度传感器检测电路的设计与研究[D]. 孙杰.复旦大学 2013
[9]基于模型辨识的石英挠性加速度计控制回路设计[D]. 毛伟玲.天津大学 2012
[10]石英挠性加速度计力矩器热磁耦合仿真与试验研究[D]. 唐永超.国防科学技术大学 2012
本文编号：3066534
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２谐振法测量原理图和输出幅频曲线??２００６年，曰本早稻田大学的ＴａｋａｈｉｒｏＭＡＴＳＵＯ等人设计了一种基于二极管－??
提出了?一种新型“夹层”结??构的谐振式电容检测法作为ＭＥＭＳ加速度计的差分电容读取电路，两个差分电??容分别在参数对称的谐振单元中发生谐振，采用锁相环作为谐振检测器［５５］。经测??试，平衡电容为１７ｐＦ时，分辨率可达Ｏ．ｌｆｆ，带宽３５．７Ｈｚ。??１．２．２．３调制解调法??调制解调型电容检测电路是一种交流桥式检测电路，一般分为双载波调制解??调型电路和单载波调制解调型电路１５？５８］。??Ｉ＿＿Ｉ?＝?＾??ａ）双载波调制解调型电路?ｂ＞单载波调制解调型电路??图１．３调制解调型检测电路??双载波调制解调型电路的测量原理如图１．３?ａ）所示。将两路幅值相同、频率??相同、相位相反的高频载波接到差分电容对的两端，将电容变化调制到载波信号??幅度上去。该方案电路设计简单，但要求载波信号的严格对称，在实际工程设计??中实现难度较大１５＜Ｍ１］。??单载波调制解调型电路的测量原理如图１．３?ｂ）所示。将一路高频载波接入差??分电容对的中间抽头，两个定极板则接到两路完全对称的检流器上，同样完成电??容信号的幅度调制。该方案只需单一载波，虽然要求两路检流器严格对称，但－??般选取一片双运放芯片能较容易地满足对称性需求，因而更具有可行性１６２］。??２００１年，美国Ｉｒｖｉｎｅ?Ｓｅｎｓｏｒｓ公司研制的ＭＳ３１１０电容读取芯片是一■款基于??双载波调制解调方案的可编程集成芯片｜Ｗ｜。该芯片可工作在单电容测量或差分??电容测量模式，片内集成虚拟电容，用于初始校准或差分电容的微调。电容测量??范围为０．２ｐＦ？１０ｐＦ，分辨率可达４ａＦ／ＶＳ＾。??２０１８年，哈尔滨工业大学的周子坤提出了?一种基于单载波调制解调型
位论文???用的大多数单载波调制解调方案不同，由于电流信号在长距离传输过程中抗干扰??能力更强，该方案将微小电容转换为电流信号而不是电压信号。经测试，摆片偏??转角信号所携带的加性噪声有效值为１６４．５４ｐＶ（ＲＭＳ），伺服回路输出等效电压噪??声约为８４．１７ｎＶ（ＲＭＳ），零偏稳定性为２５吗（ｌｈ），分辨力为ｌＯｊｉｇ。??１．２．２．４开关电容法??开关型电容检测法本质上是一种充放电式检测方法，主要由高速模拟开关、??电荷放大电路、采样保持跟随器等部分组成，测量电路结构图如图１．４所示。两??路同频、反相的时钟信号控制一对模拟开关组，对Ｇ、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ／进行循环充放??电，将Ｃｉ、的电容变化量转换为电压变化量［６５＿７（）］。??＋?Ｖｒｅ／°??Ｔ￣￣＾｜?｜??￣??５４?ｃ＇?ｃｆ??Ａ?－Ｈｈ－???￣Ｖ，ｒ〇￣￣５。￣￣Ｔ——１１￣￣??丄?ＪＬ?Ｘ?３??图１．４开关型检测电路??２０１２年，芬兰阿尔托大学的ＹｕｃｅｔａｓＭ等人设计了?一种混合接口拓扑的??ＭＥＭＳ伺服电路，采用自平衡电桥（Ｓｅｌｆ－Ｂａｌａｎｃｉｎｇ?Ｂｒｉｄｇｅ，?ＳＢＢ）方案设计电容检??测读取模块，结合ＡＤ转换器，可以获得低电源灵敏度的数字输出［７１］。传感器的??噪声下限约为带宽２００Ｈｚ，最大直流非线性度小于１．３％。??２０１５年，西安电子科技大学的李腾提出一种具有连续可变分辨率的开关型电??容检测方法，在传感器电容跨度达到１００倍的情况下始终保持０．０３％的相对分辨??率，同时测量误差始终小于５％［７２］。??１．２．２．５?小结??电容式加速度计读出电路的优化方向本质上是电容式微位移测量电路的优?
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英挠性加速度计表头力矩器噪声模型研究[J]. 刚煜,王永建,赵鹏,贺慧勇,唐立军. 传感器与微系统. 2018(03)
[2]一种弹性胶粘剂在石英加速度计中的应用[J]. 郭祎,李纳,祝汉岐,章培成. 导航与控制. 2017(04)
[3]基于FPGA的二元脉冲调宽力反馈电路[J]. 王永彤,朱志刚,张沛晗,王龙. 导航与控制. 2017(02)
[4]石英挠性加速度计数字闭环检测电路噪声研究[J]. 张声艳,刘冬,冯忠伟,陈玉坤. 微型机与应用. 2016(21)
[5]加速度计静态模型的辨识[J]. 董雪明,代洁,杨海龙,陈维. 计测技术. 2016(S1)
[6]石英挠性加速度计数字闭环控制研究[J]. 朱海燕,叶凌云,彭皓岚,马才伟. 传感器与微系统. 2015(08)
[7]石英挠性加速度计输出噪声特性分析[J]. 侯文超,刘晓东,吴畏,王得信. 舰船电子工程. 2015(03)
[8]铍材在高精度石英挠性加速度计上的应用[J]. 王晓东,宋雪杰,章培成,常江. 导弹与航天运载技术. 2015(01)
[9]全数字挠性加速度计加矩设计与读出精度分析[J]. 文一青,贺慧勇,唐立军,赵丹,王燕,商梅雪,刘文,曾鹏飞. 机电工程. 2014(08)
[10]适用于高精度惯性平台系统的精密加矩电路设计与实现[J]. 张艳霞,高桂杰,李洪伟,王二伟. 导航与控制. 2014 (04)
博士论文
[1]谐振式传感器输出信号的高分辨率测量技术研究[D]. 张伟玉.天津大学 2013
[2]静电刚度谐振式微加速度计相关技术研究[D]. 刘恒.重庆大学 2011
硕士论文
[1]高精度低频石英挠性加速度计信号处理技术研究[D]. 周子坤.哈尔滨工业大学 2018
[2]高精度全数字式超低频石英挠性加速度计研制[D]. 姜宏蕾.哈尔滨工业大学 2016
[3]加速度传感器数据处理与分析系统设计[D]. 陈大志.西南科技大学 2016
[4]基于振动分析的石英挠性加速度计辨识研究[D]. 孙飞.西南科技大学 2016
[5]基于石英加速度传感器的加速度测量系统关键技术研究[D]. 郁然.哈尔滨工程大学 2016
[6]具有连续可变分辨率的电容传感器电容差检测方法研究[D]. 李腾.西安电子科技大学 2015
[7]石英挠性加速度计参数估计与误差补偿研究[D]. 廖玲.西南科技大学 2015
[8]电容式加速度传感器检测电路的设计与研究[D]. 孙杰.复旦大学 2013
[9]基于模型辨识的石英挠性加速度计控制回路设计[D]. 毛伟玲.天津大学 2012
[10]石英挠性加速度计力矩器热磁耦合仿真与试验研究[D]. 唐永超.国防科学技术大学 2012
本文编号：3066534
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