石英撓性加速度計是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)、低頻振動測量和微重力隔振等領(lǐng)域的核心關(guān)鍵器件,這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)κ闲约铀俣扔嬏岢隽烁咝阅�、微型化、�?shù)字化的迫切要求。石英撓性加速度計的高精度信號處理是基于力矩平衡原理、采用伺服回路實現(xiàn),伺服回路的性能是制約石英撓性加速度計性能提高的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)有技術(shù)方案中,混合集成式模擬伺服回路因集成電路工藝問題,精度較低;分立元件式伺服回路集成度低,傳輸電容信號、極易受寄生電容影響,實用性較低。此外,加工和裝配誤差會引起表頭模型參數(shù)與設(shè)計值不一致,導(dǎo)致伺服回路控制器參數(shù)設(shè)計缺乏依據(jù)。而且,目前缺乏完善的理論模型揭示伺服回路噪聲機理,伺服回路設(shè)計和優(yōu)化缺乏理論依據(jù)。本論文“高精度低頻石英撓性加速度計信號處理技術(shù)研究”針對上述應(yīng)用需求和現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,提出一種具有自適應(yīng)控制能力的高精度高集成度數(shù)字化石英撓性加速度計信號處理方案,并完成了伺服回路系統(tǒng)的設(shè)計和研制。主要完成以下幾部分工作:首先,提出了一種兼顧精度與集成度的數(shù)字化信號處理方案,將差動電容檢測電路作為高精度前置電路并內(nèi)置于集成表頭中,將高精度信號解調(diào)與數(shù)字伺服控制電路后置,前置電路與后置電路之間傳輸電流信號�？朔爽F(xiàn)有方案采用電容形式傳輸信號時寄生電容嚴(yán)重影響信號質(zhì)量的固有缺陷,同時提高了石英撓性加速度計的集成度。采用電流橋差動電容檢測電路直接將石英擺片偏轉(zhuǎn)角信息轉(zhuǎn)化為與之成正比的電流信號,在理論上實現(xiàn)了線性傳感特性。在后端電路中,采用高精度解調(diào)方法對集成表頭輸出信號進行解調(diào),并引入A/D和D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),實現(xiàn)了加速度計的數(shù)字化閉環(huán)伺服控制。其次,分析了石英撓性加速度計的系統(tǒng)模型,采用開環(huán)模型辨識方法獲取表頭數(shù)學(xué)模型,并依據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計了PID控制器參數(shù)。將利用辨識結(jié)果設(shè)計的PID控制參數(shù)作為自適應(yīng)PID控制算法的初始參數(shù),由自適應(yīng)控制算法將PID參數(shù)整定至最佳,最終的實驗結(jié)果表明該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)良好的控制效果。然后,建立了完善的伺服回路噪聲模型,量化分析了伺服回路中關(guān)鍵參數(shù)對擺片偏轉(zhuǎn)角信號所攜帶的加性噪聲的影響,并依據(jù)噪聲分析結(jié)果對電路參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后擺片偏轉(zhuǎn)角信號所攜帶的加性噪聲有效值僅為164.54μV(7)rms(8)。結(jié)合石英撓性加速度計系統(tǒng)的傳遞函數(shù),估計出伺服回路最終輸出的等效電壓噪聲約為84.17μV(7)rms(8)。最后,采用所研制的高性能伺服回路系統(tǒng)和集成表頭機械結(jié)構(gòu),完成了石英撓性加速度計的集成。搭建實驗系統(tǒng),對傳感器性能參數(shù)進行了測試實驗。實驗結(jié)果表明,加速度計的0g和±1g穩(wěn)定性分別為25μg(1h),17μg(1h)和16μg(1h),分辨力為10μg,非線性為0.028%,偏置重復(fù)性(短期)為36μg,標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性(短期)為33ppm。采用本課題所提出的高精度高集成度數(shù)字化信號處理方法的石英撓性加速度計具有良好的性能指標(biāo)和技術(shù)優(yōu)勢。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH824.4
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圈、永磁體和固定電容極板構(gòu)成。其中量；石英擺片作為動極板，與兩個固定當(dāng)加速度計檢測到輸入加速度時，石英起差動電容傳感器兩側(cè)電容容值發(fā)生變出石英擺片的偏轉(zhuǎn)角，然后利用該偏轉(zhuǎn)流到力矩線圈上，在永磁體磁場的作用消的反饋力矩，推動石英擺片重新回到度的方向和大小[14]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 英擺片、力矩線圈、永磁體和固定電容極板構(gòu)成。其中，石英擺片與力同構(gòu)成了檢測質(zhì)量；石英擺片作為動極板，與兩個固定的電容極板共同動電容傳感器。當(dāng)加速度計檢測到輸入加速度時，石英擺片將在慣性力下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引起差動電容傳感器兩側(cè)電容容值發(fā)生變化。伺服回路通動電容變化測量出石英擺片的偏轉(zhuǎn)角，然后利用該偏轉(zhuǎn)角信息計算出反出相應(yīng)的反饋電流到力矩線圈上，在永磁體磁場的作用下，力矩線圈產(chǎn)慣性力矩相互抵消的反饋力矩，推動石英擺片重新回到平衡位置，反饋反映了輸入加速度的方向和大小[14]。 圖 1-1 石英撓性加速度計

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 測精度和閉環(huán)控制精度對于加速度計的精度至關(guān)重要，有必要對伺服回路技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行調(diào)研。 1.2.2 石英撓性加速度計伺服回路技術(shù)研究現(xiàn)狀 伺服回路是石英撓性加速度計實現(xiàn)閉環(huán)伺服測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。伺服回路的動電容檢測精度和閉環(huán)控制精度對石英撓性加速度計的測量精度、穩(wěn)定性、線度、動態(tài)特性等性能指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。而且，伺服回路的體積和輸出號類型等因素也決定了石英撓性加速度計的實用性和兼容性。 1.2.2.1 混合集成模擬伺服回路 目前，國內(nèi)石英撓性加速度計普遍采用的是 LB309 混合集成模擬伺服回路LB309 伺服回路主要由雙穩(wěn)壓電源、差動電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片 LZF15、校正補償絡(luò)和石英撓性加速度計專用集成功放 LB314 構(gòu)成[24]，其特點是高度集成化、體小、質(zhì)量輕。因此，LB309 可以直接安裝在機械表頭上，有利于提高石英撓性速度計的集成度。LB309 伺服回路的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1-3 所示。
【參考文獻】

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本文編號：2854358