充放电式电容位移传感电路噪声分析与抑制研究

发布时间：2020-08-25 15:27

【摘要】：空间静电加速度计/空间惯性传感器主要用于地球重力场测量、空间引力波探测、空间等效原理实验检验等高精度应用场合。高精度电容位移传感电路作为空间惯性传感器中的核心关键技术,其测量精度对惯性传感器的分辨率具有直接影响。本文针对空间引力波探测等深空探测计划的应用需求,对结构简单、低功耗、高精度的充放电式电容位移传感电路进行研究,对该电路的原理和噪声模型进行了分析,针对方波幅值电压与二极管开关电路所引起的主要噪声源进行了分析,采取了相关噪声抑制方法,显著降低了该传感电路的主要噪声项。首先,本文对充放电式电容位移传感电路的基本原理进行了介绍,同时对传感电路中每个部分分别进行了噪声建模和分析,其中二极管是传感电路中的最大噪声源,并且通过实验验证了二极管的噪声模型。同时提出应用并联基准源方案到方波发生电路中,理论分析该方案能降低方波幅值的相对电压噪声,从而最终改善了传感电路的电容分辨率。其次,对并联基准源方案和传感电路的相关性能进行了实际的测量。实验数据表明,并联基准源方案达到了降低相对电压噪声的目的。传感电路灵敏度系数的标定结果在误差范围内与理论预期保持一致;在0.1Hz处的电容分辨率达到2.2?10~(-7)pF/Hz~(1/2),在1Hz处达到1.5?10~(-7)pF/Hz~(1/2);传感电路的总功耗为341mW,基本都达到了预期的需求。最后,对充放电式电容位移传感电路多路同时工作的状态进行理论分析和电路仿真,验证了多路同时工作的可行性,仿真结果同理论分析保持一致。同时对传感电路的小型化方案进行了初步设计,包含电路板布局以及元器件封装的选择。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TB535
【图文】：

差分式,元件,极板

的功能是将电容信号的变化转换为电压或者电流等元件可称为检验质量，是将待测物理量（位移、振动、角容值。根据平行板电容器的物理定义可知，平行极=SCd C 的大小与（介电常数）和 S（平行极板的有效面距）成反比关系。根据极板受到外界影响而产生不变面积式、变间距式三种不同类型的电容式传感器了提高灵敏度、减小传感元件的非线性，一般都采用并且忽略边缘效应来说明差分式变间距电容传感元件

探测法,桥式,检测电路,变压器

1.2.2.2 桥式检测电路桥式检测电路有着悠久的发展历史和广泛的应用，包括实验室中使用的阻抗分析仪[33]、微位移传感器[34]和集成电路的电介质测量设备[35]。到目前为止，该类型电路仍然是最准确和最稳定的电容测量方法，Hague 和 Foord 等人对交流桥式电路的基本测量原理和设计方法进行了详细的分析与讨论[36, 37]。如图 1.2（左）所示，四个桥臂分别由未知阻抗 Zx，参考阻抗 Zr和一个变压器构成，其中通过变压器次级绕组的正弦激励源相位相反，当电桥处于非平衡时，如下式表示： x rZ Z ( 1-4由于电桥不平衡所导致的图 1.2（左）中 A 点输出的电压的表达式为：X R Xo sX S R Xj C C GV Vj C C C G （ - ）+（ + + ）+( 1-5

示意图,充放电,检测电路,原理

图 1.3 基于相关调制与解调的变压器桥式检测电路.3 充放电式检测电路放电式检测电路的工作原理是：直流电压在开关的控制下对电容进行根据充放电时形成的电流或者完成充放电时所用的时间来推算出待测对桥式检测电路而言，充放电式电路的优点是整体结构简单，没有很器和解调器，以至功耗较低。该检测电路的典型例子是由 Fielden 开装置，如图 1.4 所示。

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